增材制造：帶來制造業(yè)格局的改變

寂靜天花板

增材制造，一個快速發(fā)展的技術(shù)，越來越為市場所接受，并受到大量行業(yè)和公共計劃的支持。
        用哪個術(shù)語都無所謂，增材制造（AM）和3D 打印（3D）可以互換。而理解這個市場：它將走向何方、怎么應(yīng)用、對制造商意味著什么、向誰請教更多知識和尋求支持，則更為重要。
        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，通過新的途徑來應(yīng)用這種技術(shù)。該報告預(yù)計，到2018 年，AM/3D 印刷產(chǎn)業(yè)將達到128 億美元，比2013 年增長了30.7 億美元。到2020 年，銷售收入有望超過210 億美元。
3 _: }* w: u5 c& Z4 T6 j9 U        “這一行業(yè)正在經(jīng)歷20 多年來從未見過的變革，”WohlersAssociates 高級咨詢師、本報告兩位主要作者之一的Tim Caffrey認為，“最令人興奮的是，我們對于潛在可能性的認識還只是皮毛。”
- a$ P6 G- \' f. \+ D) H& p        該機構(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)造的營收占到AM 和 3D 打印整個市場的34.7%。2013 年，AM 市場最終產(chǎn)品用零部件領(lǐng)域達到了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，來生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品。”
: S& H& Y- e( e        金屬部件生產(chǎn)越來越受歡迎，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 臺增長到2013年的348 臺，增長了75.8%。跟蹤金屬AM 設(shè)備市場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)來生產(chǎn)復(fù)雜的金屬部件。
" p6 o( a" T0 k2 H0 h        但如果你新入市場，該從何入手來加深認識呢？
        在這份特別報告中，有材料、設(shè)備、工藝等內(nèi)容，也有業(yè)內(nèi)人士會為你提供新的或有經(jīng)驗的AM/3D 用戶對于未來的看法。
        家庭和工業(yè)應(yīng)用
        據(jù)美國國際貿(mào)易委員會（USITC）最新報告《增材制造技術(shù)：對美國制造競爭力的潛在影響》的作者Sharon L.N. Ford介紹，AM/3D 打印為行業(yè)提供了各種獨特的可能性。該技術(shù)可以在沒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)會對需要定制、設(shè)計復(fù)雜、小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)產(chǎn)生巨大影響。

帶粉末噴嘴的激光沉積焊接機DMG MORI Lasertec 65 比粉床工藝速度快10 倍
! ~. F% L$ @. W7 h* K+ @/ S! V        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)占到市場的12%。
        AM/3D 打印技術(shù)只占到所有汽車制造的0.01%，但在醫(yī)療（整個行業(yè)產(chǎn)出的0.04%）和航空業(yè)（整個行業(yè)產(chǎn)出的0.02%）則用的更多。
7 |; y8 L- \- q        Ford 指出，由于構(gòu)建時間長、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，每小時平均生產(chǎn) 1.5 立方英寸，注塑機則可以在不到一分鐘內(nèi)生產(chǎn)出幾個部件。
        但是，技術(shù)在快速地變革，功能也受到來自創(chuàng)新中心，甚至機床生產(chǎn)商的支持。
        在美國生產(chǎn)
+ R2 G% `. J, ^8 |        位于俄亥俄州Youngstown 的America Makes（美國制造）是一家擁有橫跨美國100 多家企業(yè)、非盈利性組織、學(xué)術(shù)機構(gòu)和政府機構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。
        創(chuàng)建于2012 年，作為制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)的旗艦性機構(gòu)（NNMI），它充分發(fā)揮了政府、行業(yè)、學(xué)術(shù)機構(gòu)的技術(shù)能力，加速AM/3D 印刷技術(shù)在美國制造業(yè)的應(yīng)用。
9 N- D2 T) F5 \$ l        據(jù)運行總監(jiān)Rob Gorham 介紹，他們的目標(biāo)是：通過真正的協(xié)作環(huán)境，將技術(shù)優(yōu)勢從實驗室?guī)У焦S，從而創(chuàng)造工作機會，制造在全球?qū)用嫔细吒偁幜Φ漠a(chǎn)品，最終打造美國制造業(yè)的競爭優(yōu)勢。
        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。消除認知障礙也是這一機構(gòu)提供幫助的一部分。
        Gorham 介紹，他的團隊在早期問題，如標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計方法、工具、材料、工藝控制、設(shè)備、非破壞性評估、達標(biāo)、認證、供應(yīng)鏈整合等方面開展工作。
7 n" Z6 R2 ]* F! q( B$ K        該機構(gòu)的另一項計劃是驗證材料和技術(shù)。“America Makes（美國制造）正在做出努力，引導(dǎo)材料和中間供應(yīng)鏈合作伙伴向多個航空OEM 的要求靠攏。”
        另一個項目則針對解決金屬鑄造行業(yè)、以及它對AM/3D 打印至少會帶來什么樣的機會這樣的認識。金屬鑄造項目的結(jié)構(gòu)是在幾家頂級金屬鑄造供應(yīng)商之間建立協(xié)作，展示、應(yīng)用案例、驗證AM、3D 打印在他們所在行業(yè)的優(yōu)勢。
        Gorham 指出：“這是一個真正協(xié)作的環(huán)境，將技術(shù)優(yōu)勢從實驗室?guī)У搅斯S，創(chuàng)造工作機會，生產(chǎn)出更具競爭力的產(chǎn)品，最終重新確立我們在全球市場的地位。”
' c0 g. d7 U' X, w4 n1 c3 Y        加法、減法、混合法
        在考慮新的工藝時，設(shè)計人員應(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，但缺點是，與CNC 機床相比，降低了速度。現(xiàn)在選擇范圍變寬了，機床制造商提供了從開始到結(jié)束這一過程的混合技術(shù)。
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        MC Machinery Systems 公司技術(shù)營銷經(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，“問題是，單獨使用激光- 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，加進了銑削工序。”
! R- C' r: J4 {# O, {        一臺LUMEX Avance-25 機床，將激光燒結(jié)和CNC 銑削整合到一個平臺。400W 激光燒結(jié)機加工速度為5,000mm/ 秒，每添加一層的厚度為50μm （0.002"）。一旦添加了10 層后，有一個直徑最少為0.6mm（0.024"）的銑刀開始加工表面，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。
        “由于不再需要根據(jù)你的制造能力來設(shè)計，所以可以按照需要來進行優(yōu)化設(shè)計。” Lagenhorst 說道，“你可以將冷卻通道設(shè)置在任何想要的地方，而無需擔(dān)心扭結(jié)、回轉(zhuǎn)等。”
        另一臺混合機床是德馬吉森精機（DMG MORI）的激光沉積焊接和銑削機床Lasertec 65 3D。它將增材制造和傳統(tǒng)的切削方式結(jié)合起來，用于加工新的產(chǎn)品和幾何形狀。可從激光切換到對成品部件難以進入的部位進行直接銑削。DMG MORI 的工程師將該機床設(shè)計成可以在金屬合金粉末噴射到激光焦點部位時，將其完全熔融。激光將粉末和基材一起融化，在兩種介質(zhì)之間實現(xiàn)完全結(jié)合。
        專注于機床、計量和過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 增材制造機床提供激光熔融加工，賦予注塑加工商更多優(yōu)勢。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械加工完畢，到達客戶手中。
        材料及更多
- R0 x7 E+ L( g& t% h  f$ k; X        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替代部件中的鋁和鎂。
        OPM 有三個部門：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。
5 d, U+ \! `# U- \+ n, ?        OPM 航空及工業(yè)項目副總裁Larry Varholak 指出，OPM 完全是一家服務(wù)提供商，而非服務(wù)機構(gòu)。公司擁有的專門設(shè)計算法可以確定擬議部件結(jié)構(gòu)的形式，使強度、柔韌性和重量最大化。然后，用3D 打印技術(shù)根據(jù)設(shè)計部件的數(shù)碼文檔直接通過SLS完成制造。公司可以用EOS P800 設(shè)備生產(chǎn)出對于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式太過昂貴的復(fù)雜部件。部件大小為16"×20"×22"。
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        如果用PEEK 取代金屬，必須先使性能特性達到要求。根據(jù)OPM 航空及工業(yè)總裁Paul Martin 的說法，OPM 的首要目標(biāo)之一是利用增材制造來為PEEK 建立設(shè)計公差。
        “OPM 已經(jīng)開發(fā)出材料強度表征數(shù)據(jù)庫，以了解3400 多個測試元件的極限水平。我們認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、價值更高的部件。”Martin 表示。
. j. Q4 l5 l7 E  R  S        未來
8 d# m- E3 x8 u9 {8 [+ a        可以說的故事很多，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)開辟了新的領(lǐng)域。

自動化小生103

感覺在自動化行業(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間。還可以直接利用3D模型而不需要2D圖紙來完成加工。以后可能是3D設(shè)計好后，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。

機械蚊子

不錯