在路虎BAR帆船隊(duì)技術(shù)創(chuàng)新小組 (TIG) 的支持下，增材制造（3D打?。┘夹g(shù) — 和許多其他尖端技術(shù)如人工智能、大數(shù)據(jù)分析等一樣 — 已融入到船隊(duì)的日常工作中。在本案例中，TIG一方面與生產(chǎn)金屬增材制造設(shè)備的全球測(cè)量專(zhuān)家雷尼紹公司攜手合作，另一方面使用其更為熟悉的塑料3D打印技術(shù)，結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn)來(lái)制作零件原型。
雷尼紹為路虎BAR帆船隊(duì)制造的金屬3D打印液壓系統(tǒng)零件
來(lái)自PA Consulting公司的TIG項(xiàng)目經(jīng)理George Sykes評(píng)價(jià)說(shuō)：“在團(tuán)隊(duì)內(nèi)部，我們分三種不同的級(jí)別來(lái)應(yīng)用3D打印技術(shù)。最簡(jiǎn)單的一種是原型制作和可視化工具。當(dāng)需要生產(chǎn)大批量的定制零件時(shí)，在確定最終成品之前，我們可以在內(nèi)部首先利用3D打印技術(shù)制作出全尺寸原型。”
路虎BAR帆船隊(duì)的設(shè)計(jì)室內(nèi)配有3D打印機(jī)，只需點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo)，工程師就能用塑料真實(shí)制作出設(shè)計(jì)師所構(gòu)想的幾乎所有模型。
“這種制作原型的方法非常有助于我們研發(fā)某些新零件，”路虎BAR帆船隊(duì)首席技術(shù)官Andy Claughton說(shuō)，“我們能夠真實(shí)觸摸到這些零件原形，將它們安裝到帆船上，或與系統(tǒng)中的其他部件相連接，這令我們能夠找出潛在問(wèn)題，完善設(shè)計(jì)，最終投入成品生產(chǎn)。”
雷尼紹新一代RenAM 500M工業(yè)型增材制造機(jī)器
船隊(duì)擁有一家裝備齊全的傳統(tǒng)加工車(chē)間，同時(shí)還擁有一個(gè)復(fù)合材料研究團(tuán)隊(duì)。利用這些資源，船隊(duì)幾乎可以制作出想要的所有零件，但是如果能夠使用3D打印技術(shù)制作零件成品，那么他們毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)選擇3D打印。這種方式的一大優(yōu)勢(shì)便是可以大幅度地降低成本。
船首斜桅的端蓋就是一個(gè)很好的例子。它的形狀比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)用于減少空氣阻力。該零件很適合通過(guò)塑料3D打印技術(shù)制作，因?yàn)榱慵蠜](méi)有載荷，且一艘帆船上只需一個(gè)這樣的零件。在過(guò)去的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，這個(gè)定制的端蓋零件一直是用碳纖維材料制成的，然而其制作過(guò)程耗時(shí)且需要豐富經(jīng)驗(yàn)，因此零件成本較高。如今，一旦設(shè)計(jì)出新的端蓋模型，船隊(duì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)便可將其生產(chǎn)出來(lái)，且僅需花費(fèi)幾英鎊。
“但是，我們最高級(jí)別的3D打印應(yīng)用則是雷尼紹提供的金屬增材制造技術(shù)，”Sykes補(bǔ)充道，“用金屬制造定制零件是3D打印技術(shù)中最前沿的領(lǐng)域。”
路虎BAR帆船隊(duì)T3訓(xùn)練船在索倫特海峽上航行（圖片版權(quán)所有：Harry KH路虎BAR帆船隊(duì)）
金屬3D打印通過(guò)像紙一樣薄的精細(xì)金屬粉末層來(lái)制造零件，每個(gè)薄層的厚度通常僅為0.05 mm，而這些金屬粉末的稠度則與玉米淀粉類(lèi)似。增材制造系統(tǒng)在充滿(mǎn)氬氣的惰性環(huán)境中工作 — 這如同燈泡中的環(huán)境；系統(tǒng)加熱金屬粉末使其熔化，但不會(huì)使其燃燒或與空氣中的氧氣或雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。利用激光束進(jìn)行加熱，通過(guò)由軟件控制的光學(xué)鏡組引導(dǎo)激光束，聚集熱量以精確熔融所需的加工區(qū)域。
路虎BAR帆船隊(duì)最早采用該技術(shù)制作的零件是一個(gè)定制的滑輪外殼，用于活動(dòng)披水板吊索內(nèi)的滑輪。該零件要承載較高的壓縮載荷，且需具有良好的耐磨性，因此金屬是理想的選擇。所有高強(qiáng)度金屬的密度（單位體積的重量）都比碳纖維要大，因此為了減輕重量，零件最終采用了空心設(shè)計(jì)。除了增材制造技術(shù)，任何其他方法都難以制造出此類(lèi)零件。
“增材制造技術(shù)在零件減重和增效方面具有非常驚人的潛力，”Andy Claughton解釋說(shuō)，“舉個(gè)例子，我們?cè)谝簤合到y(tǒng)上花費(fèi)了很多心思。在3D打印出現(xiàn)之前，該系統(tǒng)的所有零件都是通過(guò)切削實(shí)心金屬料坯來(lái)制造的。使用切削法加工出的零件形狀十分有限，這一方面限制了設(shè)計(jì)自由，另一方面也限制了零件的效能。
“例如，液壓流體并不‘喜歡’流過(guò)那些尖銳的彎角，如果必須這樣設(shè)計(jì)的話(huà)，將會(huì)帶來(lái)能量的損失。如果采用傳統(tǒng)制造技術(shù)，這可能是零件的唯一設(shè)計(jì)方式，但是有了增材制造技術(shù)后，便可加工出內(nèi)含光滑圓角的零件，這將大大提高流體傳輸?shù)男省?/div>
“除了提升零件效能，我們現(xiàn)在還可以制造出更加輕巧的零件，因?yàn)槲覀儍H需在必要位置添加材料。過(guò)去，利用車(chē)床或其他切削機(jī)床，我們能夠加工出的零件幾何形狀存在許多限制，這意味著我們可能無(wú)法去除某些不必要的材料，而我們的帆船也不得不帶著這些多余的重量航行。這些以后都不會(huì)成為問(wèn)題了。”
雷尼紹為其帆船的液壓系統(tǒng)生產(chǎn)了多個(gè)關(guān)鍵零件，但是船隊(duì)不愿透露過(guò)多的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，據(jù)說(shuō)新的AM歧管設(shè)計(jì)重量減少了60%，而效能則提升超過(guò)20%。
雷尼紹增材制造產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)工程師David Ewing說(shuō)：“與路虎BAR的合作有助于提高我們的增材制造技術(shù)水平。增材制造包含一整套復(fù)雜的制造方案，涵蓋從零件設(shè)計(jì)到工藝流程等方方面面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。最好的應(yīng)用是使用最少的材料來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品具有實(shí)用的功能性?xún)?yōu)點(diǎn)，且應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)便已將制造方法考慮在內(nèi)。我們?yōu)槁坊AR生產(chǎn)的液壓系統(tǒng)零件就是一個(gè)完美的例子。”
“雷尼紹在這場(chǎng)面向制造業(yè)未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)中處于最前列，他們利用自身的優(yōu)勢(shì)為我們提供了實(shí)實(shí)在在的幫助。這項(xiàng)技術(shù)將在我們的制造理念中扎根，并且它將在未來(lái)的制造流程中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。”Andy Claughton總結(jié)道。
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