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Caterpillar是一家關注當前及后續(xù)市場零件，并以此為未來零件產品的生產做準備的增材制造工廠。

 

總有一天Caterpillar會借助增材制造實現(xiàn)更高效的零件設計。在這一重型設備制造商的增材制造團隊成員的眼中，從長遠看，這是增材制造最大的潛能。其可將各組件加工成一個單件，而且可對組件的形式進行精確的量身定做，以實現(xiàn)對每一零件的功能、質量和成本的最優(yōu)組合。

 

然而，目前的技術尚不能如此。從現(xiàn)在起，要做的工作還有很多。

 

 

與大多數(shù)工廠相比，增材制造工廠不僅更加清潔、安靜，而且還有各種功能，用于利用聚合物和金屬通過3D打印制造功能零件

 

為了充分發(fā)揮潛能，增材制造尚需不斷發(fā)展，遠遠超過當前水平，這對其他制造商如此，對Caterpillar更是如此。因此，目前其團隊成員正在關注增材制造的短期潛在效益，其中之一便是提高維修件的生產速度。

 

用于機動平土機和挖掘機之發(fā)動機系列的燃油濾清器底座是例證之一。起初，復雜的鋁合金組件需要通過鑄造加工制造而成，但供應商停業(yè)了。結果，為了滿足后續(xù)市場客戶的需求，Caterpillar正面臨著長期延期，因為需要尋找新的鑄造供應商，并提供數(shù)額較大的最低訂購量以抵上加工成本?；蛘撸€有一項供替代的選擇。一種通過激光熔化增大的零件已通過了所有必要的功能測試，而且此類零件無需任何工具、供應商以及最低訂購量。通過增材制造，諸如此類的后續(xù)市場零件不會出現(xiàn)延期生產，而且還可實現(xiàn)按需增大。

 

所以，盡管人們對增材的預期與為此工藝設計的零件相關，但我們取得的成功根本無需重新設計，這一成功為Caterpillar創(chuàng)造了極具吸引力的可能性。如果我們可實現(xiàn)足夠多的短期成功，那么，此類應用所創(chuàng)造的盈利或可能為公司認為需要做出的更大努力提供資金和支持。也就是說，當前的收益可幫助加速增材制造知識在整個公司的傳播，從而Caterpillar可時刻準備著將增材制造作為成熟的生產資源應用于生產。 

 

實現(xiàn)這一更大目標的重要一步是公司于2015年年底在公司位于Illinois的總部附近新開了一座增材制造工廠。這一“工廠”與大多數(shù)與之相關的工廠相比更小而且更安靜，有熔融沉積快速成型（FDM）、光固化成型（SLA）、選域激光粉末燒結（SLS）等3D打印功能，還有用于聚合物零件的材料噴射，以及兩臺用于金屬部件的激光熔化設備。我曾參觀過該工廠，并與駐廠的Caterpillar團隊成員進行過交流，包括Deb Conklin、Austin Schmidt和Joe Taylor。

 

Conklin曾對該機構的一個比較基本的問題做出了解釋，即為什么增材制造需要自己的機構和團隊？

 

 

為什么增材制造需要自己的機構？與此相關的問題是：增材制造是否代表一種不同的零件制造方式或零件設計方式？Conklin答道：“是的，兩者兼具。”作為公司新興技術組合的主任，Conklin對這些被公司高管認為具有破壞性的技術負有責任。增材制造或許是破壞性技術的典型代表，因為它可能會對公司很多不同的方法造成影響。

 

早前，Conklin就職于Caterpillar的物流部門。因此，對她而言，增材不僅解決了制造和設計方面長期存在的問題，而且還是一個清晰的物流解決方案。首先，燃油濾清器底座就是物流方面的一大成功。雖然這一零件的設計未曾改變，但供應鏈的簡化和最低訂購量的降低共同為大大降低這一零件的管理和處理成本提供了保障。Conklin介紹到，這一作用使得增材制造不同于某些現(xiàn)有生產過程取得的進步，例如焊接。

這一燃油濾清器底座可用于各種產品的發(fā)動機中，包括對本文中的挖掘機。本文所示零件即通過增材制造而非鑄造生產而成，因為該零件是后續(xù)市場零件，所以我們將其增大，以便與原始部件的設計相匹配。此處，增材的優(yōu)勢不在于設計自由，而在于加速傳統(tǒng)零件的發(fā)貨

 

“對于焊接，我們不僅了解它的應用條件，而且了解對焊接工藝技術進步進行試驗和應用的條件。”她說。類似之事對增材制造而言未必適當，而且對這一技術的使用條件進行的任何早期假設都可能限制其發(fā)展。例如，機械加工組可利用增材制造進行設備生產，而設計師可利用其進行樣品設計。兩項應用都可行，但任何一組都會自然而然地強調其中一項應用，而不探索另一應用的可能性。事實上，自從20世紀90年代初，公司很多零件都采用了不同類型的3D打印機。當前，另建一座增材制造機構的目的是進行下一步——實現(xiàn)增材制造專門技術和能力的集中化，如此，該機構可作為中心與公司可能受益的每一部分進行連接。

 

這就是為什么這一新機構會被更加準確地表述為工廠而非實驗室，這里能生產出實實在在的零件，無論是樣品、后續(xù)市場部件亦或最終的零件產品。從技術上講，這是一個研發(fā)機構，但正如Caterpillar的Schmidt更喜歡的說法：“我們認為我們團隊所做工作的研究較少、開發(fā)較多。”

 

 

Schmidt是一位增材制造工程師，也是新機構團隊的一份子，協(xié)助完成機構的使命。值得注意的是，盡管他不在Peoria工作，但他的辦公室位于Ohio，而他把多數(shù)時間用于參觀公司的其他機構，尋找那里潛在的增材制造機遇。其他深諳增材制造的工程師也經常因為相同的原因去別的地方考察。Schmidt經常回增材制造工廠，也經常與駐廠人員遠程通信。

 

如其所述，他的日常工作之一便是領導增材制造培訓，培訓的一大內容便是宣傳引導、鼓勵工程師認識到：增材既允許也需要新的思維模式。他的培訓范圍可大可小，可能是關于增材制造話題的1h的網絡研討會，也可能是為期數(shù)日的討論會。他前幾天在德國主辦了一個為期兩天的討論會，最近剛回來。

 

Schmidt表示，整個公司越來越多的工程人員了解了3D打印的實質，并大致認識到了它的潛力，他的培訓一般會比這一認識要更早一步。“我對七、八種不同類型的3D打印技術進行了深入研究，了解了它們各自的優(yōu)缺點。”他說。對于很多當時可能尚未認識到“3D打印”是一套不同的工藝而非單一通用操作的人來說，這是一項新知識。Caterpillar目前對所有上述工藝進行了應用，包括用沙子進行3D打印——這是為公司在Illinois的鑄造工廠新近購買的一項技術。

 

Joe Taylor說公司將會盡其所能對增材制造進行發(fā)展完善，直至其成為Caterpillar的一大生產資源。對于生產金屬零件的設備而言，它們的速度需要提高，而且粉末金屬的成本需要降低。目前，公司不僅認識到了增材制造的價值，而且已做好準備迎接此類變化的產生

 

如何為增材進行設計是Schmidt的下一項指導內容，同樣這一領域的可能性超出了許多人的想象。很多復雜的零件形式無法用其他方式加工而成，但或許可通過增材制造生產出來，這一點眾人皆知，未來，Caterpillar將更加充分地挖掘這一潛能。但Schmidt還強調了對多重設計進行實驗的容易性。例如，既然砂型打印支持鑄造工廠不通過任何模式即可制造模具，那么為什么不可以進行多重稍有不同的鑄件設計并對其一一進行實驗？這是對潛能的挖掘，但不僅僅指鑄造方面，這也會讓當前的設計工程師從對其了解中受益。

 

能夠參與公司的這一學習過程，Schmidt熱情滿滿。像Caterpillar這樣的公司不會受限于FAA或FDA，他指出，這意味著與其他行業(yè)的公司相比，該公司能夠在利用增材制造開發(fā)新產品方面發(fā)展得更快。

 

話又說回來，增材制造對其他行業(yè)很重要的一些優(yōu)勢本身也不再適用，比如減重。推土機等設備的優(yōu)勢源于其龐大，故而一般不值得追求其重量的減輕。與其他制造商不同，Caterpillar將會探索自己的增材制造發(fā)展之路。

 

為了充分發(fā)揮其作為一門生產工藝的潛能，增材制造技術還要走多遠？在這一方面，公司的Joe Taylor的觀點或許最清晰，Joe Taylor作為增材制造工程師負責監(jiān)督增材制造工廠的運行，正如在擔任此職位前，其雖在Caterpillar工作了近20年，但大多數(shù)時間用于監(jiān)督更多的傳統(tǒng)制造資源和部門。

 

Joe Taylor說：“在原型設計方面，3D打印一直在為公司節(jié)約成本，這已經成為了常規(guī)。在近期一項含零件裝配（包括25件零件）的案例中，3D打印的所有部件暴露了對其中5件零件的干擾，但這當時在計算機輔助設計模型中尚未被發(fā)現(xiàn)。過去，此類問題可能直到零件投入生產才會被發(fā)現(xiàn)。同樣，管道和閥門的原型提供了一種廉價的方式用于在設計發(fā)布前測試和改進流體流動。”然而，當涉及生產時，成本的節(jié)約面臨著多重困難。如其所述，材料價格是多重困難之首。他說：“必須要降低粉狀材料的成本。”相對于其他增材制造用戶而言，這對于Caterpillar是更實實在在的困難，因為航空航天和醫(yī)療領域的原始設備制造商所采用的是高成本的金屬，但Caterpillar的產品材料為鐵、鋁和鋼。

 

 

這一軟管夾通過工藝熔融沉積制造增大而成，當然也與目前的設計相匹配，它采用了3D打印技術，所以性能可與當前在用的零件相媲美

 

在Taylor的介紹中，我想他會把生產規(guī)模視為困難之一，因為我認為Caterpillar有很多大型設備。但這并不足為慮，當前的金屬增材制造設備能滿足大量零件產品的生產需求。提及當前的設備，他說更令人擔心的限制性規(guī)格是速度。燃油濾清器底座的制造需要80h，或許這么長的周期可用于維修件，但不適用于生產。

 

當然，更低的成本和更高的速度都是程度上的差異。他介紹道也可通過幾種方法將增材制造設備的基本功能進行改變，他還提到應格外對金屬加工設備予以更多關注。工作間的轉變需要太多的人為參與，即使Caterpillar僅將增材用于生產后續(xù)市場零件，而這也已經體現(xiàn)了增材本身的價值，但僅這一項應用就需要設備一周7天、每天24h的運轉，而且還會需要更多的設備。到目前為止，尚未對設備進行針對此類操作的設計，Taylor預計料斗等容器可能會繼續(xù)用于新材料的供給，同時會有加速并簡化工作轉變的特性。

 

這些變化可能即將到來，或許十年之后，也或許短短三年內。當它們真的到來時，Caterpillar將何處容身？

 

Conklin說這正是公司旨在通過增材制造工廠和與其相關的培訓工作以及成功應用回答的問題。當增材制造為應用于生產準備就緒后，一種可能就是其優(yōu)勢將被錯失，但屆時取而代之的可能就是公司會雇傭那些長期研究增材的人員以及準備發(fā)揮增材之潛能的人員。