关于增材制造的五大误解 

2019-10-24 09:17 发布

3D打印技术交流 /[经验分享]
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作者:EOS 新加坡公司亚太地区高级副总裁 Terrence Oh
3d打印技术于 20 世纪 80 年代首次面世时,很少有人能够预想到 3D 打印具有在全球范围掀起商业变革的潜力。这一技术快速发展至今,包括航空航天、汽车、医疗、模具甚至化妆品在内的诸多行业都因零部件生产进度更快、成本更低而受益良多。但是,这些优点并未被大多数人所熟知,始终蒙着一层神秘的面纱。此行业在业内被称作增材制造,简称 AM。预计截至 2025 年,该行业在亚太地区的商业价值将突破 75 亿新元(55 亿美元)[1]。在亚太地区许多大型公司都组建了成熟的研发队伍,然而对增材制造技术的吸纳却仍处于起步阶段。 这很可能是由于企业对增材制造行业存在误解。因此,我想澄清企业谈论 3D 打印时常常听到的五大误解:
误解1:增材制造适合所有企业 十年前,当 3D 打印刚刚流行起来时,该技术所提供的无限可能性毫无意外地让许多人感到震撼。3D 打印机将成为家居用品,登上新闻头条[2],并且无所不能打印。 Gartner公司将此称为“技术成熟度曲线”(Hype Cycle) 的起点。当发生技术突破时,最初的期望就会飙升。不幸的是,随着时间的流逝,随之而来的是大众对技术期待同样迅速的幻灭,尤其是当现实与前期过高的期望不符时。危险之处在于人们对 3D 打印机的过分夸大描绘信以为真,误以为只需按一下按钮就可以打印出我们在家中需要的一切物品。现实情况是,AM 技术如今在专业工业应用中得到了蓬勃发展。该技术已经实现了制造工艺的变革,可生产轻量化、定制化的单个零部件。但是,企业仍需对是否应实施 AM 技术加以评定。首先,应就如何使用 AM 技术为组织机构进行充分讲解。应该控制大家对该技术的期望值。需要考虑到诸多要素,例如成本、设计、交付周期和 AM 技术对制造工艺的影响等。对于采用传统工艺制造的部件和 AM 部件,应该解决组装方面的兼容性问题。
误解2:增材制造仅适用于原型制作 快速原型制作是 AM 技术最早的应用之一,如今仍广泛使用。这一应用在研发领域中尤为实用,研发过程中可以对与成品具有相同材料属性的原型执行测试。该技术作为一种无工具化工艺,可使更改变得尤为方便快捷,并能够以最低的额外成本完成。 但 AM 技术只能用于快速原型制作则是一个常见误解。实际上,早些年间,由于计算机和激光器的性能有限,阻碍了 AM 技术发挥其应有的价值。我们的创始人 Hans J. Langer 博士一直希望 AM 技术可以开辟一个崭新的制造世界,该技术将可用于制造功能性最终零部件。如今,颠覆以往设计和制造方式的愿望正在不断激发出更多的解决方案。例如,我们与密歇根大学合作研发了增材制造气管夹板,用于帮助一群幼儿治疗气管支气管软化症,又称为呼吸道塌陷的呼吸道疾病。AM 技术在制造过程中提供了出色的灵活性,以更少的材料实现了高度定制化的结构,有效避免了产品体积庞大的问题。
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创新型气管夹板,依靠 EOS 技术采用聚己内酯 (PCL) 材料制造而成。图中左边所示为放在气管模型上的气管
夹板。(摄影:Leisa Thompson, Photography/UMHS)

误解3:增材制造十分昂贵 考量制造成本的方法有两种。一种是着眼于短期的单位成本,另一种是着眼于大局并关注长期成本。 尽管 AM 技术在过去十年中取得了许多进步,但就某些行业而言,相比于传统制造方法,AM 的确在零部件单位成本上仍有一定差距。尽管如此,随着生产率的提高,我们有信心使单位成本得以降低。 但是,我们来看看更重要的方面。正如我之前提到的,我们正在寻求对制造业的颠覆性变革。传统方法通常依赖于制模,就价格和时间而言,其成本可能很高。对于较小的生产数量而言该情况尤其突出,这使得“单件生产”几乎成为无法满足的需求。AM 技术通过消除对模具的需求扭转了这一局面,从而为小批量制造定制化产品创了广泛的可能性。曾被认为成本过高的解决方案现在值得再次研究。以 Premium AEROTEC、EOS 与戴姆勒共同合作的项目 NextGenAM 为例。该工艺使用增材制造技术生产用于汽车和航空航天行业的铝制部件,成功降低了制造成本。制造流程是完全可扩缩的,生产线可以方便地复制以扩大车间产能。
误解4:增材制造没有设计限制 -“可以无限复杂”事实是,AM 技术所能实现的设计“并非可以无限复杂”。AM 技术制造的零部件仍会遇到设计限制。使用 AM 技术的设计师需要接受培训以充分了解技术的可行性和局限性,并学习如何成功设计、优化、构建和应用 AM 技术。 有 5 条 AM 设计规则需要遵循,包括需要注意壁厚和间隙尺寸。采用 AM 工艺制造的零部件在设计时应尽可能降低长宽比和表面分辨率,以确保生产周期稳定。因此,设计时应尽量避免非必要的复杂化,并且应始终牢记 5 条设计规则。总之,与目前传统制造技术所面临的限制相比,AM 技术仍可对设计提供极高的自由度,可以实现诸多过去无法制造的应用。这形成了设计驱动型思维方式,即先将解决问题作为第一要务,然后再考虑基本的制造限制。
误解5:增材制造仅适用于无需组装的小型部件人们对 AM 技术存在的这一普遍误解是上述各项误解所共同造成的结果。如果人们认为 AM 技术既昂贵又仅适用于原型制造,那么他们误以为 AM 技术仅适用于小型部件就不难理解了。 当然,事实是现在有用于大型零部件的 AM 设备。例如,EOS P 770 可生产成型空间体积超过 150 升 (700 x 380 x580mm) 的塑料件,EOS M 400-4 则可生产成型空间体积最高达 64 升的高质量金属零部件。
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左:EOS P 770;右:EOS M 400-4
关于是否需要组装这一问题,应该探讨的问题是“组装是否有必要,而非能不能组装”。是的,AM 技术可以制造不需要组装的零部件,这样做的目的通常是为了使零部件更轻便或降低组装成本。
结论:未来,AM 技术并不会取代所有传统制造技术。AM 技术的作用是拓展了制造的可能性,让制造商能够创造出曾经无法实现的产品。由于这是一项新技术,因此刚刚涉足增材制造领域的公司应与值得信赖的增材制造合作伙伴携手,为踏上全新征程做足准备。例如,借助 EOS 的“增材思维”,公司可以更全面地理解如何加强其内部的 AM 能力。这包括零部件的选择和筛选以及如何使用 AM 设计,从而使公司能够充分发挥 AM 技术的潜力并从中获益。
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