增材制造：帶來(lái)制造業(yè)格局的改變

寂靜天花板

增材制造，一個(gè)快速發(fā)展的技術(shù)，越來(lái)越為市場(chǎng)所接受，并受到大量行業(yè)和公共計(jì)劃的支持。
        用哪個(gè)術(shù)語(yǔ)都無(wú)所謂，增材制造（AM）和3D 打印（3D）可以互換。而理解這個(gè)市場(chǎng)：它將走向何方、怎么應(yīng)用、對(duì)制造商意味著什么、向誰(shuí)請(qǐng)教更多知識(shí)和尋求支持，則更為重要。
% O# \6 u( d3 |        AM/3D 打印在不斷發(fā)展。據(jù)Wohlers Associates Inc 出版的第19 版Wohlers Report 稱，企業(yè)正在不斷拓展AM/3D 的邊界，通過(guò)新的途徑來(lái)應(yīng)用這種技術(shù)。該報(bào)告預(yù)計(jì)，到2018 年，AM/3D 印刷產(chǎn)業(yè)將達(dá)到128 億美元，比2013 年增長(zhǎng)了30.7 億美元。到2020 年，銷售收入有望超過(guò)210 億美元。
        “這一行業(yè)正在經(jīng)歷20 多年來(lái)從未見(jiàn)過(guò)的變革，”WohlersAssociates 高級(jí)咨詢師、本報(bào)告兩位主要作者之一的Tim Caffrey認(rèn)為，“最令人興奮的是，我們對(duì)于潛在可能性的認(rèn)識(shí)還只是皮毛。”
1 U0 H* P' A6 C        該機(jī)構(gòu)的總裁兼另一位主要作者Terry Wohlers 表示，用于最終產(chǎn)品的零部件生產(chǎn)所創(chuàng)造的營(yíng)收占到AM 和 3D 打印整個(gè)市場(chǎng)的34.7%。2013 年，AM 市場(chǎng)最終產(chǎn)品用零部件領(lǐng)域達(dá)到了10 億美元，“航空、醫(yī)療、牙科及其它行業(yè)，正在尋求使用AM 技術(shù)的途徑，來(lái)生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品。”
        金屬部件生產(chǎn)越來(lái)越受歡迎，生產(chǎn)金屬部件的AM/3D 設(shè)備急劇攀升，相應(yīng)地，這種設(shè)備從2012 年的198 臺(tái)增長(zhǎng)到2013年的348 臺(tái)，增長(zhǎng)了75.8%。跟蹤金屬AM 設(shè)備市場(chǎng)14 年之久的Wohlers 指出，空客、通用電氣等企業(yè)也在用這一技術(shù)來(lái)生產(chǎn)復(fù)雜的金屬部件。
        但如果你新入市場(chǎng)，該從何入手來(lái)加深認(rèn)識(shí)呢？
' |, g. m. \; a  V: M/ n# ]        在這份特別報(bào)告中，有材料、設(shè)備、工藝等內(nèi)容，也有業(yè)內(nèi)人士會(huì)為你提供新的或有經(jīng)驗(yàn)的AM/3D 用戶對(duì)于未來(lái)的看法。
        家庭和工業(yè)應(yīng)用
        據(jù)美國(guó)國(guó)際貿(mào)易委員會(huì)（USITC）最新報(bào)告《增材制造技術(shù)：對(duì)美國(guó)制造競(jìng)爭(zhēng)力的潛在影響》的作者Sharon L.N. Ford介紹，AM/3D 打印為行業(yè)提供了各種獨(dú)特的可能性。該技術(shù)可以在沒(méi)有明顯增加成本的前提下，生產(chǎn)幾何形狀幾乎不受限制的三維產(chǎn)品。同時(shí)還有望降低、甚至消除型模和鑄模的限制。由于AM/3D 打印在生產(chǎn)原型和部件方面的速度和效率的原因，該技術(shù)會(huì)對(duì)需要定制、設(shè)計(jì)復(fù)雜、小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)產(chǎn)生巨大影響。
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帶粉末噴嘴的激光沉積焊接機(jī)DMG MORI Lasertec 65 比粉床工藝速度快10 倍
        AM/3D 技術(shù)與醫(yī)療和航空應(yīng)用聯(lián)系最為緊密，最大的消費(fèi)領(lǐng)域則是汽車工業(yè)。如2011 年，據(jù)USITC 稱，這一領(lǐng)域占到了購(gòu)買量的19.5%。醫(yī)療應(yīng)用居其次，為15.1%，航空業(yè)占到市場(chǎng)的12%。
* N% }& f( V4 n        AM/3D 打印技術(shù)只占到所有汽車制造的0.01%，但在醫(yī)療（整個(gè)行業(yè)產(chǎn)出的0.04%）和航空業(yè)（整個(gè)行業(yè)產(chǎn)出的0.02%）則用的更多。
        Ford 指出，由于構(gòu)建時(shí)間長(zhǎng)、物體尺寸受限、設(shè)備成本、大小、所用材料等方面的局限，AM/3D 打印還不適合大規(guī)模生產(chǎn)。如，工藝方面，每小時(shí)平均生產(chǎn) 1.5 立方英寸，注塑機(jī)則可以在不到一分鐘內(nèi)生產(chǎn)出幾個(gè)部件。
        但是，技術(shù)在快速地變革，功能也受到來(lái)自創(chuàng)新中心，甚至機(jī)床生產(chǎn)商的支持。
        在美國(guó)生產(chǎn)
9 B  }: g9 n; x$ C2 G  M5 r0 z8 H        位于俄亥俄州Youngstown 的America Makes（美國(guó)制造）是一家擁有橫跨美國(guó)100 多家企業(yè)、非盈利性組織、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和政府機(jī)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。
        創(chuàng)建于2012 年，作為制造創(chuàng)新國(guó)家網(wǎng)絡(luò)的旗艦性機(jī)構(gòu)（NNMI），它充分發(fā)揮了政府、行業(yè)、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的技術(shù)能力，加速AM/3D 印刷技術(shù)在美國(guó)制造業(yè)的應(yīng)用。
$ L! H! u4 L1 x9 h/ V9 S        據(jù)運(yùn)行總監(jiān)Rob Gorham 介紹，他們的目標(biāo)是：通過(guò)真正的協(xié)作環(huán)境，將技術(shù)優(yōu)勢(shì)從實(shí)驗(yàn)室?guī)У焦S，從而創(chuàng)造工作機(jī)會(huì)，制造在全球?qū)用嫔细吒?jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，最終打造美國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
9 w- o' X- _. A9 J3 T2 y* N        但是，并不是所有行業(yè)都在作業(yè)中采用了AM/3D 打印，有些還不能確定如何下手。消除認(rèn)知障礙也是這一機(jī)構(gòu)提供幫助的一部分。
& M2 X, S( b, C- r& L+ Y        Gorham 介紹，他的團(tuán)隊(duì)在早期問(wèn)題，如標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)方法、工具、材料、工藝控制、設(shè)備、非破壞性評(píng)估、達(dá)標(biāo)、認(rèn)證、供應(yīng)鏈整合等方面開(kāi)展工作。
( m2 k3 A8 Y3 d' L        該機(jī)構(gòu)的另一項(xiàng)計(jì)劃是驗(yàn)證材料和技術(shù)。“America Makes（美國(guó)制造）正在做出努力，引導(dǎo)材料和中間供應(yīng)鏈合作伙伴向多個(gè)航空OEM 的要求靠攏。”
        另一個(gè)項(xiàng)目則針對(duì)解決金屬鑄造行業(yè)、以及它對(duì)AM/3D 打印至少會(huì)帶來(lái)什么樣的機(jī)會(huì)這樣的認(rèn)識(shí)。金屬鑄造項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)是在幾家頂級(jí)金屬鑄造供應(yīng)商之間建立協(xié)作，展示、應(yīng)用案例、驗(yàn)證AM、3D 打印在他們所在行業(yè)的優(yōu)勢(shì)。
0 e6 a9 |8 |3 p3 a        Gorham 指出：“這是一個(gè)真正協(xié)作的環(huán)境，將技術(shù)優(yōu)勢(shì)從實(shí)驗(yàn)室?guī)У搅斯S，創(chuàng)造工作機(jī)會(huì)，生產(chǎn)出更具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品，最終重新確立我們?cè)谌蚴袌?chǎng)的地位。”
        加法、減法、混合法
, F3 a5 ?+ f4 E; m( D        在考慮新的工藝時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確定備選部件。AM/3D 打印通常更適合形狀難以加工的復(fù)雜部件，但缺點(diǎn)是，與CNC 機(jī)床相比，降低了速度。現(xiàn)在選擇范圍變寬了，機(jī)床制造商提供了從開(kāi)始到結(jié)束這一過(guò)程的混合技術(shù)。

        MC Machinery Systems 公司技術(shù)營(yíng)銷經(jīng)理Greg Langenhorst提供了AM 很好適應(yīng)型模- 鑄模生產(chǎn)應(yīng)用案例，在這一加工中，部件的有效冷卻非常重要，以避免引起翹曲，并快速射出。“ A M 粉末- 金屬燒結(jié)的一大優(yōu)勢(shì)是，可以在模具內(nèi)構(gòu)建符合要求的冷卻通道。準(zhǔn)確定位這一通道，使得部件冷卻速度加快了20%-30%，而且部件精度更高，翹曲和收縮降低。”Langenhorst 指出，“問(wèn)題是，單獨(dú)使用激光- 燒結(jié)不能在這些通道內(nèi)生產(chǎn)出光滑的表面，這就需要額外的銑削過(guò)程。但是AM 可以生產(chǎn)通常在生產(chǎn)完畢后不能再加工的復(fù)雜形狀。該解決方案在AM 部件逐層構(gòu)造完畢后，加進(jìn)了銑削工序。”
        一臺(tái)LUMEX Avance-25 機(jī)床，將激光燒結(jié)和CNC 銑削整合到一個(gè)平臺(tái)。400W 激光燒結(jié)機(jī)加工速度為5,000mm/ 秒，每添加一層的厚度為50μm （0.002"）。一旦添加了10 層后，有一個(gè)直徑最少為0.6mm（0.024"）的銑刀開(kāi)始加工表面，除去脊線。小至0.02" 的肋狀也可以在最初完成的模芯內(nèi)部完成建造。產(chǎn)品包括電鉆塑料外殼、汽車連接器插頭。
$ K2 t; u7 g) X        “由于不再需要根據(jù)你的制造能力來(lái)設(shè)計(jì)，所以可以按照需要來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。” Lagenhorst 說(shuō)道，“你可以將冷卻通道設(shè)置在任何想要的地方，而無(wú)需擔(dān)心扭結(jié)、回轉(zhuǎn)等。”
        另一臺(tái)混合機(jī)床是德馬吉森精機(jī)（DMG MORI）的激光沉積焊接和銑削機(jī)床Lasertec 65 3D。它將增材制造和傳統(tǒng)的切削方式結(jié)合起來(lái)，用于加工新的產(chǎn)品和幾何形狀。可從激光切換到對(duì)成品部件難以進(jìn)入的部位進(jìn)行直接銑削。DMG MORI 的工程師將該機(jī)床設(shè)計(jì)成可以在金屬合金粉末噴射到激光焦點(diǎn)部位時(shí)，將其完全熔融。激光將粉末和基材一起融化，在兩種介質(zhì)之間實(shí)現(xiàn)完全結(jié)合。
        專注于機(jī)床、計(jì)量和過(guò)程控制的全球制造技術(shù)企業(yè)雷尼紹，也積極參與了AM/3D 打印領(lǐng)域。雷尼紹的AM250 增材制造機(jī)床提供激光熔融加工，賦予注塑加工商更多優(yōu)勢(shì)。利用高功率光纖激光，雷尼紹的系統(tǒng)可以熔覆（鋼、鋁和其它材料）金屬粉末顆粒。該機(jī)床可以將熔融的金屬逐層構(gòu)建為復(fù)雜部件。層厚范圍介于20μm ~100μm，醫(yī)療企業(yè)、航空承包商以及賽車企業(yè)所需的小批量部件可以直接從激光機(jī)械加工完畢，到達(dá)客戶手中。
        材料及更多
3 Y1 R5 N0 p- [; C! h0 q        除了設(shè)備外，需要考慮的是所用的材料。聚醚醚酮（PEEK）被廣泛用于注塑件。但康涅狄格州南溫莎的Oxford Performance Materials （牛津高性能材料-OPM）公司希望在激光燒結(jié)中利用高性能塑料來(lái)替代部件中的鋁和鎂。
3 ^% x2 Q' z! ]- x2 U  ^8 u        OPM 有三個(gè)部門：生物醫(yī)療原料，利用PEEK 聚合物為基材的OXPEKK 材料；用OXPEEK 聚合物通過(guò)模塑和選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝生產(chǎn)OsteoFab 醫(yī)療部件和植入器件的生物醫(yī)療器械部門；以及致力于航空零部件生產(chǎn)的工業(yè)部件小組。
0 D& {' u* S4 |* R        OPM 航空及工業(yè)項(xiàng)目副總裁Larry Varholak 指出，OPM 完全是一家服務(wù)提供商，而非服務(wù)機(jī)構(gòu)。公司擁有的專門設(shè)計(jì)算法可以確定擬議部件結(jié)構(gòu)的形式，使強(qiáng)度、柔韌性和重量最大化。然后，用3D 打印技術(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)部件的數(shù)碼文檔直接通過(guò)SLS完成制造。公司可以用EOS P800 設(shè)備生產(chǎn)出對(duì)于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式太過(guò)昂貴的復(fù)雜部件。部件大小為16"×20"×22"。
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' p, n1 S% s. A+ n1 d' }        如果用PEEK 取代金屬，必須先使性能特性達(dá)到要求。根據(jù)OPM 航空及工業(yè)總裁Paul Martin 的說(shuō)法，OPM 的首要目標(biāo)之一是利用增材制造來(lái)為PEEK 建立設(shè)計(jì)公差。
% i9 e* z. Z9 M        “OPM 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出材料強(qiáng)度表征數(shù)據(jù)庫(kù)，以了解3400 多個(gè)測(cè)試元件的極限水平。我們認(rèn)為自己的材料介于金屬和尼龍之間。與鋁加工商相比，我們可以以一小部分的成本，生產(chǎn)更復(fù)雜、價(jià)值更高的部件。”Martin 表示。
  o0 ]1 ~' ?3 z+ o$ y  {/ g+ h        未來(lái)
& b& \3 Y/ \9 P! b1 L# @0 H        可以說(shuō)的故事很多，但必須看到一件事情：不管是從設(shè)備、到材料還是到工藝，AM/3D打印都改變了特定部件制造的方式，并為部件生產(chǎn)開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。

自動(dòng)化小生103

感覺(jué)在自動(dòng)化行業(yè)應(yīng)用面很廣啊。非標(biāo)小批量加工。可以大大縮短加工時(shí)間。還可以直接利用3D模型而不需要2D圖紙來(lái)完成加工。以后可能是3D設(shè)計(jì)好后，一切交給3D打印。打印完成后裝上標(biāo)準(zhǔn)五金件就可以調(diào)試試車了。

機(jī)械蚊子

不錯(cuò)