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)化進程已持續(xù)了很長一段時間。從它進入鑄造、機械加工及其他制造流程的時間,可以認為它已經(jīng)獲得了廣泛應用、有效促進了生產(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,其仍處于非常初級的階段。
盡管如此,增材制造技術(shù)仍取得了重大進展,在過去十年尤其明顯。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。盡管應用增材制造技術(shù)制造數(shù)百萬個金屬部件仍然有難度,但其應用于批量生產(chǎn)的未來似乎已經(jīng)可以預見。
汽車制造商對增材制造的青睞
豪華車和高端車因為有著更高的利潤率,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)供應商Desktop metal收到德國一家主要汽車制造商價值790萬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)金屬汽車動力總成部件。
雖然Desktop metal沒有透露該訂單的合作車企,但考慮到寶馬是Desktop metal通過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,外媒猜測這家德國汽車制造商是寶馬。
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250種材料的全面和多樣化的材料庫,可使用的材料涵蓋金屬、復合材料、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、消費品、航空航天等行業(yè)擁有快速增長的客戶基礎。
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,應用SLM Solutions的系統(tǒng),并授權(quán)OEM和一級供應商,以滿足他們在系列生產(chǎn)中對金屬增材制造的需求。通過合作,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)化了拓撲結(jié)構(gòu)以減少整體重量。對于傳統(tǒng)制造方法來說過于復雜的結(jié)構(gòu),可以很輕松地生產(chǎn)出來,同時仍然遵循汽車行業(yè)嚴格的質(zhì)量標準。
經(jīng)典圓線繞組的橫截面(左)和 3D 打印單個線圈的橫截面(右)
據(jù)悉,馬勒在斯圖加特的戰(zhàn)略3D打印中心將通過革新原型生產(chǎn)的步伐,在加強其作為原始設備制造商領(lǐng)先的開發(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)時間從幾個月縮短到幾天,從而同時加速向氣候中性的移動出行的發(fā)展。開發(fā)重點將主要集中在來自熱管理、機電一體化和電子領(lǐng)域的組件。
新定義為增材制造零件生產(chǎn)開辟道路
增材制造正在尋找立足點,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準定義:
● 一種工藝,像機械加工、鑄造、鍛造、注塑那樣的工藝過程;
● 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),可以是三維實體(如CAD)模型、STL或AMF文件、DICOM文件,三維點云或其他;
● 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)是相反對照的。
這個新定義用“零件”取代了“物體”,強調(diào)了增材制造的功能本質(zhì)——即制造“全部或部分目標產(chǎn)品”。 這個定義的“新”在于認識到工業(yè)向零件生產(chǎn)轉(zhuǎn)移這個趨勢。與此同時,更新后的定義仍為“功能性要素”原型設計留下了空間。這個“功能性要素”,代表了全部或部分目標產(chǎn)品。實際上,不管未來會不會將生產(chǎn)轉(zhuǎn)向增材制造方向,許多公司都在試圖做出一個有說服力的金屬增材制造案例,用功能性原型快速迭代設計替代方案,縮短開發(fā)周期。
例如在電動汽車電動機繞組方面,3D打印技術(shù)展示出了其優(yōu)勢。雖然電動機可能看起來很基本,但內(nèi)部有很多部分在起作用,包括熱力學、結(jié)構(gòu)力學和電磁學,其設計必須緊湊,甚至因為工作空間很小,需要重新設計工程和部件的放置。
傳統(tǒng)制造會產(chǎn)生典型的圓線繞組,由于導體、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,同時通過 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題,填充凹槽時銅的量增加,電阻更小。因為每根導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,因此沒有熱點,電動機的輸出功率也可最多提升45%。
結(jié)語
事實上,利用3D模型數(shù)據(jù)制造零件給增材制造帶來了許多經(jīng)濟效益,其中最大一個因素是“數(shù)據(jù)就是工具”。 換句話說,工具、固定裝置、夾具等的高成本設備也同樣應用于其他成形工藝。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,可以減少廢料,防止浪費,能帶來額外的經(jīng)濟效益。
簡而言之,增材制造正在“成長壯大”,已經(jīng)在生產(chǎn)車間擁有越來越多的成功案例。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,我們要看到的是,按照最新的定義,在某些零件生產(chǎn)場景中,增材制造是更具優(yōu)勢的。因此,找出這些零件生產(chǎn)場景,對有志于應用增材制造來提高設計效率、降低制造成本的企業(yè)來說,是接下來的一項重要挑戰(zhàn)。
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