基于數(shù)字化和技術(shù)變革的快速步伐,增材制造(AM)的工業(yè)化進(jìn)程已持續(xù)了很長(zhǎng)一段時(shí)間。從它進(jìn)入鑄造、機(jī)械加工及其他制造流程的時(shí)間,可以認(rèn)為它已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用、有效促進(jìn)了生產(chǎn)發(fā)展。增材制造在這種大環(huán)境下已存在了30年左右,但當(dāng)將它與其他更成熟的、用于零件生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造工藝比較時(shí),其仍處于非常初級(jí)的階段。
盡管如此,增材制造技術(shù)仍取得了重大進(jìn)展,在過(guò)去十年尤其明顯。它已被用于許多行業(yè)的部件生產(chǎn),包括受到高度監(jiān)管的航空航天和醫(yī)療行業(yè)。其應(yīng)用的領(lǐng)域不僅局限在生產(chǎn)原型、備件或一次性產(chǎn)品,只要材料滿足需求,批量生產(chǎn)零件已變得非常容易。
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得益于增材制造更低的成本、更可靠的系統(tǒng),再加上在供應(yīng)鏈上持續(xù)存在的瓶頸,汽車行業(yè)在金屬增材制造的零部件生產(chǎn)上做了大量投資。盡管應(yīng)用增材制造技術(shù)制造數(shù)百萬(wàn)個(gè)金屬部件仍然有難度,但其應(yīng)用于批量生產(chǎn)的未來(lái)似乎已經(jīng)可以預(yù)見(jiàn)。
汽車制造商對(duì)增材制造的青睞
豪華車和高端車因?yàn)橛兄叩睦麧?rùn)率,愿意嘗試新技術(shù),因此增材制造也正在豪華車和高端車市場(chǎng)中尋找突破口。據(jù)外媒近日消息,粘合劑噴射3D打印系統(tǒng)供應(yīng)商Desktop metal收到德國(guó)一家主要汽車制造商價(jià)值790萬(wàn)美元的粘合劑噴射增材制造系統(tǒng)訂單,用于大規(guī)模生產(chǎn)金屬汽車動(dòng)力總成部件。
雖然Desktop metal沒(méi)有透露該訂單的合作車企,但考慮到寶馬是Desktop metal通過(guò)BMW iVentures的首批投資者之一,大眾汽車正在積極與惠普合作,而戴姆勒奔馳已經(jīng)與EOS合作多年,外媒猜測(cè)這家德國(guó)汽車制造商是寶馬。
據(jù)悉,Desktop metal為終端零件的批量生產(chǎn)提供了廣泛的高通量增材制造解決方案組合,并支持包含超過(guò)250種材料的全面和多樣化的材料庫(kù),可使用的材料涵蓋金屬、復(fù)合材料、聚合物、陶瓷、生物兼容材料、沙子、木材和彈性體等,在汽車、醫(yī)療保健和牙科、消費(fèi)品、航空航天等行業(yè)擁有快速增長(zhǎng)的客戶基礎(chǔ)。
除了汽車OEM廠商,零部件企業(yè)也在發(fā)力增材制造。馬勒與SLM Solutions合作,應(yīng)用SLM Solutions的系統(tǒng),并授權(quán)OEM和一級(jí)供應(yīng)商,以滿足他們?cè)谙盗猩a(chǎn)中對(duì)金屬增材制造的需求。通過(guò)合作,兩家公司正在提高汽車零部件原型和系列生產(chǎn)的速度和質(zhì)量。
據(jù)悉,這些部件將由鋁和不銹鋼合金打印而成,具有顯著的彈性和耐腐蝕性能,并且優(yōu)化了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以減少整體重量。對(duì)于傳統(tǒng)制造方法來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu),可以很輕松地生產(chǎn)出來(lái),同時(shí)仍然遵循汽車行業(yè)嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
經(jīng)典圓線繞組的橫截面(左)和 3D 打印單個(gè)線圈的橫截面(右)
據(jù)悉,馬勒在斯圖加特的戰(zhàn)略3D打印中心將通過(guò)革新原型生產(chǎn)的步伐,在加強(qiáng)其作為原始設(shè)備制造商領(lǐng)先的開(kāi)發(fā)合作伙伴的角色中發(fā)揮關(guān)鍵作用。新中心將把生產(chǎn)時(shí)間從幾個(gè)月縮短到幾天,從而同時(shí)加速向氣候中性的移動(dòng)出行的發(fā)展。開(kāi)發(fā)重點(diǎn)將主要集中在來(lái)自熱管理、機(jī)電一體化和電子領(lǐng)域的組件。
新定義為增材制造零件生產(chǎn)開(kāi)辟道路
增材制造正在尋找立足點(diǎn),而不僅僅局限在原型制造。ISO/ASTM 52900:2021最近更新了增材制造的標(biāo)準(zhǔn)定義:
● 一種工藝,像機(jī)械加工、鑄造、鍛造、注塑那樣的工藝過(guò)程;
● 匯合了粉末狀、液狀、線狀或其他固體形式材料,如聚合物、金屬、陶瓷、其他材料或其他組合物;
● 用以制造零件,也稱“可構(gòu)成全部或部分目標(biāo)產(chǎn)品的功能性要素”;
● 采用三維模型數(shù)據(jù),可以是三維實(shí)體(如CAD)模型、STL或AMF文件、DICOM文件,三維點(diǎn)云或其他;
● 通常以一層覆蓋一層的方式,將材料疊加、匯合在一起,由此產(chǎn)生七種不同類型的增材制造過(guò)程;
● 與另兩種重要、完善的生產(chǎn)制造工藝——減材制造和成形制造技術(shù)是相反對(duì)照的。
這個(gè)新定義用“零件”取代了“物體”,強(qiáng)調(diào)了增材制造的功能本質(zhì)——即制造“全部或部分目標(biāo)產(chǎn)品”。 這個(gè)定義的“新”在于認(rèn)識(shí)到工業(yè)向零件生產(chǎn)轉(zhuǎn)移這個(gè)趨勢(shì)。與此同時(shí),更新后的定義仍為“功能性要素”原型設(shè)計(jì)留下了空間。這個(gè)“功能性要素”,代表了全部或部分目標(biāo)產(chǎn)品。實(shí)際上,不管未來(lái)會(huì)不會(huì)將生產(chǎn)轉(zhuǎn)向增材制造方向,許多公司都在試圖做出一個(gè)有說(shuō)服力的金屬增材制造案例,用功能性原型快速迭代設(shè)計(jì)替代方案,縮短開(kāi)發(fā)周期。
例如在電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)繞組方面,3D打印技術(shù)展示出了其優(yōu)勢(shì)。雖然電動(dòng)機(jī)可能看起來(lái)很基本,但內(nèi)部有很多部分在起作用,包括熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和電磁學(xué),其設(shè)計(jì)必須緊湊,甚至因?yàn)楣ぷ骺臻g很小,需要重新設(shè)計(jì)工程和部件的放置。
傳統(tǒng)制造會(huì)產(chǎn)生典型的圓線繞組,由于導(dǎo)體、工藝和幾何形狀必須匹配,因此傳統(tǒng)繞組往往受到限制并且難以完美。借助新的3D打印技術(shù)繞組的線圈,同時(shí)通過(guò) Additive Drives 創(chuàng)建的新程序和定制的激光熔化系統(tǒng),能夠防止空隙和凹槽不合適的問(wèn)題,填充凹槽時(shí)銅的量增加,電阻更小。因?yàn)槊扛鶎?dǎo)線都與線圈的所謂疊片鐵芯熱接觸,可變形狀也有利于散熱,因此沒(méi)有熱點(diǎn),電動(dòng)機(jī)的輸出功率也可最多提升45%。
結(jié)語(yǔ)
事實(shí)上,利用3D模型數(shù)據(jù)制造零件給增材制造帶來(lái)了許多經(jīng)濟(jì)效益,其中最大一個(gè)因素是“數(shù)據(jù)就是工具”。 換句話說(shuō),工具、固定裝置、夾具等的高成本設(shè)備也同樣應(yīng)用于其他成形工藝。而與減材制造工藝相比,用一層疊一層增加材料的方式制造零件,可以減少?gòu)U料,防止浪費(fèi),能帶來(lái)額外的經(jīng)濟(jì)效益。
簡(jiǎn)而言之,增材制造正在“成長(zhǎng)壯大”,已經(jīng)在生產(chǎn)車間擁有越來(lái)越多的成功案例。但即便技術(shù)成熟,增材制造也依然不可能完全取代其他減材、成形工藝。不過(guò),我們要看到的是,按照最新的定義,在某些零件生產(chǎn)場(chǎng)景中,增材制造是更具優(yōu)勢(shì)的。因此,找出這些零件生產(chǎn)場(chǎng)景,對(duì)有志于應(yīng)用增材制造來(lái)提高設(shè)計(jì)效率、降低制造成本的企業(yè)來(lái)說(shuō),是接下來(lái)的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。
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