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    从零部件到终端产品 3D打印构建未来制造业蓝海

    2019-10-28来源:3D帝国网

      “我们的使命是用3D打印技术改变世界设计和制造的方式。随着行业加速其数字化未来之旅,我们正在大量生产3D打印产品。”正如惠普3D打印部门副总裁Ramon Pastor所言,3D打印正在加快数字化制造步伐,直接、间接参与到生产体系建设之中,并逐步从原型设计走向直接制造。                           

      3D打印赋能价值创造,在直接制造领域,打印零部件是3D打印的主要应用之一。而功能型零部件是其中的重点,受限于传统生产模式的限制,寻求技术创新和高效生产的企业开始将目光投向3D打印这一新型生产方式。

      一体成型3D打印制造功能型零部件

      图为:HP Fusion Jet 3D 4200系统

      将打印技术由2D打印延伸到3D领域的科技巨头惠普,从原型设计到规模生产的制造体系中,都将3D打印摆在重要位置,尤其在功能部件的生产制造领域大放异彩。2017年通过Multi Jet Fusion技术3D打印的零件中有50%用于最终用途,仅在一年内就有150万个3D打印功能型部件。2018年6月,惠普在广东佛山成立了亚太及日本地区规模最大的3D打印定制中心,旨在满足各个行业对原型生产以及功能型零部件批量生产日益增长的需求。而这样的3D打印定制工厂,惠普已经在全球建立了25个。

      图为:飞行认可的用于空调的3D打印空气管道

      通过3D打印这一新兴生产方式制造功能型零部件已经成为航空公司的常态。航空级3D打印机和材料能够满足日益紧迫的时间期限和复杂的制造要求。英国飞机设计和维护公司Marshall Aerospace and Defense Group(ADG)正在使用Stratasys Fortus 450mc3D打印机为飞机制造工具和功能型零件。GE和新西兰航空公司早前曾按需打印燃料喷嘴,以便在几小时内将其波音777-300ER重新投入使用。

      图为:3D打印应用于喜力啤酒生产车间

      喜力啤酒(Heineken)借助于Ultimaker提供的3D打印解决方案,在其位于西班牙塞维利亚(Seville)的工厂,实现了各类定制工具和功能型机械零件的生产。通过整套Ultimaker S5打印机,喜力啤酒的工程师能够按需设计和打印安全装置、工具及零件,彻底告别了此类业务需要依赖外包供应商的时代。此举不但为喜力啤酒节省70%-90%的资金支出,也将交付时间缩短70%-90%。而且借助于3D打印技术,还可以优化产品生产线,生产维修和质量把控工具,以及生产帮助提高工作人员安全的设备工具。

      技术驱动3D打印功能型原件优势尽显

      功能型原件或满足单一功能,或集成多种功能属性,这种零部件往往是产品构建中的重点或亮点所在。虽然传统数控机床在零部件生产制造领域技术较为成熟完善,但3D打印在缩短新产品研发及实现周期、可高效成型复杂结构、实现一体化、轻量化设计、实现优良的力学性能等方面所展现的优势是传统技术无法匹敌的,虽然作为新兴技术,但是3D打印直接制造最终功能零件优势尽显。

      • 3D打印可以有效缩短新产品研发及实现周期。3D打印工艺成型过程由三维模型直接驱动,无需模具、夹具等辅助工具,可以极大的降低产品的研制周期,并节约昂贵的模具生产费用,提高产品研发迭代速度。

      图为:利用SLM技术打印的引擎实体模型

      • 3D打印可以化繁为简复杂结构。3D打印的原理是将复杂的三维几何体剖分为二维的截面形状来叠层制造,所以可以实现传统精密加工较难实现的复杂构件成型,提高零件成品率,同时提高产品质量。

      • 3D打印可以实现一体化、轻量化设计。3D打印技术的应用可以优化复杂零部件的结构,在保证性能的前提下,将复杂结构经变换重新设计成简单结构,从而起到减轻重量的效果,3D打印技术也可实现构件一体化成型,从而提升产品的可靠性。

      图为:3D打印金属零部件

      • 3D打印有效提高材料利用率,降低生产成本。与传统加工方式相比,3D打印技术可节约大量材料,尤其对较为昂贵的金属材料而言,材料用量的减少意味着成本的节约。

      • 3D打印还可以实现优良的力学性能。基于3D打印快速凝固的工艺特点,成型后的制件内部冶金质量均匀致密,无其他冶金缺陷;同时快速凝固的特点,使得材料内部组织为细小亚结构,成型零件可在不损失塑性的情况下使强度得到较大提高。

      应用广泛3D打印功能型部件展示

      3D打印集材料、设计、制造一体化,同时加之上述诸多优势加持,越来越多的公司采用3D打印技术来创建功能部件,这些零件包括最终用途的组件,传统制造中使用的夹具和模具,以及按需制造的售后备件,审计公司安永(EY)今年发布的《 2019年全球3D打印报告》显示,其调查的公司中有近三分之一在2019年生产了这三种类型的功能部件中的一种或多种。具体数据为有18%的公司使用增材制造技术制造终端组件,分别有15%和14%的公司使用增材制造直接制造夹具模具和备件。以下是3D打印功能型组件展示:

      1)最终用途组件

      图为:GSAT-19装载火箭GSLV MKIII

      印度IT服务公司Wipro与德国增材制造巨头EOS合作,成功生产出一个3D打印功能型金属卫星组件。这个名为“North West Feed Cluster”的组件是用铝制成的,被安装在了印度空间研究组织的GSAT-19通信和研究卫星上,并于2017年6月5日发射升空。

      2)传统制造中使用的夹具和模具

      图为:由Wilson Tool Additive 3D打印的定制折弯机工具

      世界上最大的独立模具制造商Wilson Tool International在2018年推出了3D打印部门。通过新成立的Wilson Tool Additive细分市场,客户可以使用定制的夹具和工具,这是桌面FDM/FFF在工业环境中最有价值的应用之一。

      3)按需制造售后备件

      图为:3D打印汽车备件

      汽车制造商戴姆勒集团旗下的一个客户服务和零部件(CSP)部门,多年来面临着巴士汽车备件仓储和物流成本上升以及交货时间长的难题,应用3D打印技术进行备件生产是戴姆勒集团认为可以应对这些难题的有效解决方案。

      引领潮流 由组件向终端产品过渡将成趋势

      应用3D打印技术打印零部件特别是功能型零部件渐成潮流,但这并不意味着3D打印的智能制造属性仅限于此,它更广阔的空间在于与生产线的结合,一体成型打印终端产品才是3D打印的终极目标,而这一目标的实现则需要日臻成熟完善的技术体系作为支撑,满足不同打印需求的材料市场的拓展丰富,以及由浅入深应用纵深发展的推动。

      图为:3D打印齿轮结构

      目前,3D打印在生产领域以打印需求零部件为主,很少能打印出直接应用市场的终端产品,但这并不影响3D打印参与到整个产品建设体系中。

      以模具市场为例,在设计阶段,3D打印给传统市场带来的优势集中化,并且应用于模具制造的“弱势领域”,例如形状和性能需求特殊、单一批次的生产规模有限,以及有不同设计更新迭代需求等产品范围。更为重要的是,通过3D打印可以创造出模具无法实现的新设计,参数化晶格设计、一体化设计和复杂纹理设计等。而在制造阶段,3D打印一气呵成地完成最终外观、材料性能表现和成型工艺的产品设计验证,满足按需生产需求。

      图为: 3D Systems公司的NextDent 5100设备

      虽然受限于打印速度、材料性能等关键问题迟迟不能突破,3D打印目前在企业的生产系统中大多沦为“配角”,但是像诸如Carbon、3D Systems、HP等公司解决了打印速度问题,并找到了能满足商业化产品性能的材料,正在推动3D打印成为制造工厂的“主角”。

      成为核心生产力,推动智能化制造,打印终端产品将是3D打印带给未来制造业的惊喜。

      蚕食传统制造市场份额 3D打印市场扩张加速

      3D打印未来一定会是制造领域的颠覆性工具,为产品提供更大的想象空间和生产可能。尤其是随着3D打印技术水平的提升和材料市场的扩张,未来将会诞生更多全新品类的商品,进而更大规模地蚕食传统制造业的市场份额。

      图为:安永调查报告中不同行业对3D打印的采用程度

      同样是来自安永的调查报告,显示2017年3D打印行业价值70亿美元,高于2013年的30亿美元。到2025年,3D打印市场的全球支出将超过200亿美元。

      3D打印正在对传统制造业构成威胁,这种威胁并非直接式的,它带来的变化更可能是渐进式而非革命性的。随着增材制造技术、质量控制与标准化将在未来几年达到一定程度的成熟与完备,这将在未来推动3D打印技术迎来指数型增长的机会。

      结束语:打印零部件是目前3D打印的主要应用之一,在3D打印绘制的未来制造业蓝海的金字塔体系中处于初级阶段,打印终端产品则位于金字塔的顶端。由初级阶段迈向高级阶段的应用或许需要一个较为漫长的过程,但这是未来制造业势不可挡的发展趋势。

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