增材制造：帶來制造業格局的改變

寂靜天花板

增材制造，一個快速發展的技術，越來越為市場所接受，并受到大量行業和公共計劃的支持。
7 H" B/ W. _+ \1 f  R+ W% n        用哪個術語都無所謂，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。
) y  k: q+ o9 l; x        AM/3D 打印在不斷發展。據Wohlers Associates Inc 出版的第19 版Wohlers Report 稱，企業正在不斷拓展AM/3D 的邊界，通過新的途徑來應用這種技術。該報告預計，到2018 年，AM/3D 印刷產業將達到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 A$ D" B- ?9 k& y. c        “這一行業正在經歷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。”
        該機構的總裁兼另一位主要作者Terry Wohlers 表示，用于最終產品的零部件生產所創造的營收占到AM 和 3D 打印整個市場的34.7%。2013 年，AM 市場最終產品用零部件領域達到了10 億美元，“航空、醫療、牙科及其它行業，正在尋求使用AM 技術的途徑，來生產高品質產品。”
        金屬部件生產越來越受歡迎，生產金屬部件的AM/3D 設備急劇攀升，相應地，這種設備從2012 年的198 臺增長到2013年的348 臺，增長了75.8%。跟蹤金屬AM 設備市場14 年之久的Wohlers 指出，空客、通用電氣等企業也在用這一技術來生產復雜的金屬部件。
- n4 Y. E; j* V- o  T        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、設備、工藝等內容，也有業內人士會為你提供新的或有經驗的AM/3D 用戶對于未來的看法。
. k; h, J4 o+ g, S6 }' D* v        家庭和工業應用
0 z1 Y6 c1 y9 U* L6 ^- z        據美國國際貿易委員會（USITC）最新報告《增材制造技術：對美國制造競爭力的潛在影響》的作者Sharon L.N. Ford介紹，AM/3D 打印為行業提供了各種獨特的可能性。該技術可以在沒有明顯增加成本的前提下，生產幾何形狀幾乎不受限制的三維產品。同時還有望降低、甚至消除型模和鑄模的限制。由于AM/3D 打印在生產原型和部件方面的速度和效率的原因，該技術會對需要定制、設計復雜、小批量產品的生產產生巨大影響。
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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
        AM/3D 技術與醫療和航空應用聯系最為緊密，最大的消費領域則是汽車工業。如2011 年，據USITC 稱，這一領域占到了購買量的19.5%。醫療應用居其次，為15.1%，航空業占到市場的12%。
        AM/3D 打印技術只占到所有汽車制造的0.01%，但在醫療（整個行業產出的0.04%）和航空業（整個行業產出的0.02%）則用的更多。
        Ford 指出，由于構建時間長、物體尺寸受限、設備成本、大小、所用材料等方面的局限，AM/3D 打印還不適合大規模生產。如，工藝方面，每小時平均生產 1.5 立方英寸，注塑機則可以在不到一分鐘內生產出幾個部件。
$ P" Y+ z) P. w" d' u        但是，技術在快速地變革，功能也受到來自創新中心，甚至機床生產商的支持。
: e6 d% j( D2 U7 ~% E0 L' m        在美國生產
0 D/ G7 H6 Q5 K0 N$ n, c        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、非盈利性組織、學術機構和政府機構的網絡。
        創建于2012 年，作為制造創新國家網絡的旗艦性機構（NNMI），它充分發揮了政府、行業、學術機構的技術能力，加速AM/3D 印刷技術在美國制造業的應用。
        據運行總監Rob Gorham 介紹，他們的目標是：通過真正的協作環境，將技術優勢從實驗室帶到工廠，從而創造工作機會，制造在全球層面上更具競爭力的產品，最終打造美國制造業的競爭優勢。
+ h  q8 g1 X  s' U" c        但是，并不是所有行業都在作業中采用了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提供幫助的一部分。
4 s# x- `( F6 B7 r  O        Gorham 介紹，他的團隊在早期問題，如標準、設計方法、工具、材料、工藝控制、設備、非破壞性評估、達標、認證、供應鏈整合等方面開展工作。
        該機構的另一項計劃是驗證材料和技術。“America Makes（美國制造）正在做出努力，引導材料和中間供應鏈合作伙伴向多個航空OEM 的要求靠攏。”
: S2 V: h1 a  M        另一個項目則針對解決金屬鑄造行業、以及它對AM/3D 打印至少會帶來什么樣的機會這樣的認識。金屬鑄造項目的結構是在幾家頂級金屬鑄造供應商之間建立協作，展示、應用案例、驗證AM、3D 打印在他們所在行業的優勢。
        Gorham 指出：“這是一個真正協作的環境，將技術優勢從實驗室帶到了工廠，創造工作機會，生產出更具競爭力的產品，最終重新確立我們在全球市場的地位。”
' A# P5 |3 D; W        加法、減法、混合法
3 J8 I! D' G/ ^5 C. A3 G        在考慮新的工藝時，設計人員應確定備選部件。AM/3D 打印通常更適合形狀難以加工的復雜部件，但缺點是，與CNC 機床相比，降低了速度。現在選擇范圍變寬了，機床制造商提供了從開始到結束這一過程的混合技術。
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% ^0 j! S% X" {        MC Machinery Systems 公司技術營銷經理Greg Langenhorst提供了AM 很好適應型模- 鑄模生產應用案例，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- 金屬燒結的一大優勢是，可以在模具內構建符合要求的冷卻通道。準確定位這一通道，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- 燒結不能在這些通道內生產出光滑的表面，這就需要額外的銑削過程。但是AM 可以生產通常在生產完畢后不能再加工的復雜形狀。該解決方案在AM 部件逐層構造完畢后，加進了銑削工序。”
        一臺LUMEX Avance-25 機床，將激光燒結和CNC 銑削整合到一個平臺。400W 激光燒結機加工速度為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部完成建造。產品包括電鉆塑料外殼、汽車連接器插頭。
        “由于不再需要根據你的制造能力來設計，所以可以按照需要來進行優化設計。” Lagenhorst 說道，“你可以將冷卻通道設置在任何想要的地方，而無需擔心扭結、回轉等。”
4 z) @( O/ h9 a* h/ Q7 U, D        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的切削方式結合起來，用于加工新的產品和幾何形狀。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，在兩種介質之間實現完全結合。
+ P, h0 f2 C& U' @3 H0 d        專注于機床、計量和過程控制的全球制造技術企業雷尼紹，也積極參與了AM/3D 打印領域。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勢。利用高功率光纖激光，雷尼紹的系統可以熔覆（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建為復雜部件。層厚范圍介于20μm ~100μm，醫療企業、航空承包商以及賽車企業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
        除了設備外，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中利用高性能塑料來替代部件中的鋁和鎂。
5 v/ J% y& Q3 u        OPM 有三個部門：生物醫療原料，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（SLS）工藝生產OsteoFab 醫療部件和植入器件的生物醫療器械部門；以及致力于航空零部件生產的工業部件小組。
        OPM 航空及工業項目副總裁Larry Varholak 指出，OPM 完全是一家服務提供商，而非服務機構。公司擁有的專門設計算法可以確定擬議部件結構的形式，使強度、柔韌性和重量最大化。然后，用3D 打印技術根據設計部件的數碼文檔直接通過SLS完成制造。公司可以用EOS P800 設備生產出對于傳統生產方式太過昂貴的復雜部件。部件大小為16"×20"×22"。

        如果用PEEK 取代金屬，必須先使性能特性達到要求。根據OPM 航空及工業總裁Paul Martin 的說法，OPM 的首要目標之一是利用增材制造來為PEEK 建立設計公差。
        “OPM 已經開發出材料強度表征數據庫，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，生產更復雜、價值更高的部件。”Martin 表示。
7 D/ Z% s; ~5 _0 r( M. P        未來
        可以說的故事很多，但必須看到一件事情：不管是從設備、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，并為部件生產開辟了新的領域。
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自動化小生103

感覺在自動化行業應用面很廣啊。非標小批量加工。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設計好后，一切交給3D打印。打印完成后裝上標準五金件就可以調試試車了。

機械蚊子

不錯