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工業(yè)連接

3D打印與制造業(yè)

ainet.cn   2013年07月30日

  什么是三維(3D)打印技術(shù)?

  術(shù)語“3D打印”和“添加層制造”指的是用計算機數(shù)據(jù)自動生成一個完整對象的過程。 這項技術(shù)已經(jīng)在許多行業(yè)中使用,比如:交通、醫(yī)療、軍事和教育。用途包括建立概念模型,功能原型,工廠工具(如模具),甚至制造成品(如飛機內(nèi)部組件)。航空航天和醫(yī)療行業(yè)專門開發(fā)了先進(jìn)的3D打印技術(shù)應(yīng)用。3D打印有時也被稱為“快速成型”,但這個詞并不包括目前所有使用的技術(shù)。3D打印中使用的材料包括樹脂、塑料,在某些情況下:金屬。

  最早的方法:立體光刻 – 在20世紀(jì)80年代末左右已經(jīng)出現(xiàn),但使用非常有限,原因有兩個:一、使用的化學(xué)物質(zhì)有毒;二、成型的模型容易破碎。自打那時開始,其他技術(shù)陸續(xù)出現(xiàn),包括熔化沉積成型(FDM)技術(shù)。FDM在20世紀(jì)90年代初推出,鋪設(shè)產(chǎn)品級熱塑性超薄層,生產(chǎn)出相對耐用的模型。

  隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步,系統(tǒng)可靠性和模型質(zhì)量也不斷提高,因此得到了普遍應(yīng)用。與此同時,價格也快速降低,以至于小企業(yè)也買得起某些系統(tǒng)。在2011的年度報告中,沃勒斯聯(lián)盟預(yù)測:到2015年,3D制造系統(tǒng)的全球年銷售量將達(dá)到15000臺,比 2010年的數(shù)量增加一倍以上。低價位專業(yè)系統(tǒng)將是這一增長的大部分。

  在FDM技術(shù)中,用戶視窗(Windows)網(wǎng)絡(luò)或工作站上的打印機軟件接受計算機輔助設(shè)計(CAD)數(shù)據(jù),用主流的3D文件格式,比如.stl、.wrl、.ply和.sfx文件。有些產(chǎn)品也接受CT和MRI診斷數(shù)據(jù)、蛋白質(zhì)成型數(shù)據(jù)和數(shù)字化3D掃描。該軟件的工作就像紙張打印機的驅(qū)動程序,將數(shù)據(jù)發(fā)送到3D打印機的打印頭,告訴在哪里鋪設(shè)材料。

  塑料建模材料的細(xì)絲和可溶的支撐材料被加熱到半液體狀態(tài),強力擠壓通過尖嘴,用極薄的層精確沉積。(FDM層的厚度范圍從0.127 毫米至0.330毫米,取決于系統(tǒng)。)

  打印頭在XY坐標(biāo)協(xié)同移動,如同一臺兩坐標(biāo)的數(shù)控機床,成型基座沿Z軸向下移動,這樣模型在其支撐材料上自下而上成型。

  3D打印的模型在與支撐材料(棕色)分離后完成

  支撐材料(此頁照片中的棕色部分)在制造模型時,支撐懸垂的部分,這就可以制造復(fù)雜模型 -- 甚至具有嵌套的結(jié)構(gòu)和含有多部件的裝配 –都能 被3D打印出來。當(dāng)打印作業(yè)完成后,除去支撐材料,模型就制造完成了。如果需要的話,可以用油漆或其他流程完成最終的成品。

  有些3D打印機足夠小,非常精致,可以作為部門,甚至個人隔間內(nèi)的辦公設(shè)備。比較而言,大型快速的原型系統(tǒng)通常位于公司的中心,由一個專家團(tuán)隊管理運營。非常便宜的3D打印機可以作為家用電器設(shè)備,現(xiàn)在已經(jīng)投入市場,可為業(yè)余愛好者嘗鮮。這些機器非常迷人,不乏愛好者,但有別于專業(yè)的設(shè)備,制成的模型顆粒度較大,尺寸不夠精準(zhǔn),材料不夠穩(wěn)定,比較缺乏耐久性。

  經(jīng)濟(jì)性和易用性確保了市場不斷增長的趨勢,也為眾多的設(shè)計師和工程師帶來了專業(yè)的3D打印技術(shù)。在數(shù)小時里把一張CAD圖紙變成一個真正的三維實體,這種期望正在改變企業(yè)對待設(shè)計過程的觀念。因為這個過程可以更快,更有效,成本更低。

  使用3D打印加快設(shè)計過程

  在設(shè)計階段,產(chǎn)品停留的時間越長,進(jìn)入市場的時間也越晚,這意味著公司丟失了潛在利潤。到市場時間的考量,被認(rèn)為是2008年產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)者所面臨的最重要的常見問題。據(jù)調(diào)查,原型本身的延遲耽誤了17%的新產(chǎn)品發(fā)布。

  隨著將新產(chǎn)品迅速推向市場,會帶來越來越多的壓力,在概念設(shè)計階段,公司就需要做出快速而準(zhǔn)確的決定。材料選擇、制造工藝和設(shè)計水平,這些決定會成為總體成本的大部分因素。通過加快產(chǎn)品的試制,3D打印技術(shù)可以優(yōu)化設(shè)計流程,以獲得最大的潛在收益。

  例如,格里克(Graco)公司為特殊廠商制造專用的紋理噴漆設(shè)備。公司的工程師使用3D打印試驗各種噴槍與噴嘴的組合,制造出具有完美噴射模式和噴射量的機器。由此推出的新紋理噴射槍就是基于ABS塑料用3D打印的功能原型。Graco公司的估計,3D打印技術(shù)幫助公司減少了高達(dá)75%的開發(fā)時間。

  從閃亮的概念到成功的產(chǎn)品,這條道路上充滿著艱辛。格雷格·史蒂文斯和詹姆斯·伯利在他們經(jīng)常被引用的研究分析新產(chǎn)品開發(fā)“3000不成熟的想法= 1商業(yè)成功”的報告中說,一個成功的創(chuàng)新,也需要125個小項目、四個主要開發(fā)項目和1.7的商業(yè)產(chǎn)品發(fā)布。3D打印可以加快企業(yè)決定一個概念是否值得開發(fā)的過程。

  3D打印與其他方法生成原型節(jié)省時間的比較

  每一個例子都基于一個真正的客戶實踐。

  雖然外包3D打印可能會在質(zhì)量上與內(nèi)部打印的3D模型相同,Graco公司的例子說明了在公司自己機器上投資的好處。在有限的時間里,能夠有更快的反復(fù)過程,工程師可以更快地看到設(shè)計變化所產(chǎn)生的結(jié)果。內(nèi)部3D打印可以消除由于外包服務(wù)而造成的各種推遲原因(如:運輸延遲)?,F(xiàn)在已有租賃系統(tǒng)服務(wù),但公司最后會發(fā)現(xiàn),在內(nèi)部打印模型花的錢與外包的成本一樣多。

  用3D打印進(jìn)行更有效設(shè)計

  3D打印可以增加新產(chǎn)品成功的機會,因為有更全面的設(shè)計評估和迭代過程。

  在南非的約翰內(nèi)斯堡有家工業(yè)設(shè)計公司,設(shè)計師創(chuàng)新和測試一種新的水池清洗器電機,在低流量、有過濾器時工作的很好。高轉(zhuǎn)矩電機的設(shè)計是使用辦公室3D打印不斷迭代優(yōu)化的結(jié)果。在功能測試階段,有30個3D打印原型,在全球各地的水池清洗中工作。其結(jié)果是為公司客戶誕生一種新型水池清洗器。根據(jù)設(shè)計師的介紹,電機的創(chuàng)新離不開3D打印的貢獻(xiàn)。

  成功的產(chǎn)品設(shè)計需要對很多信息進(jìn)行復(fù)審。設(shè)計團(tuán)隊內(nèi)部的3D打印機,可以更早地利用他人提供的反饋對概念進(jìn)行復(fù)審。與工程實施、市場營銷和質(zhì)量控制人員的有效合作可以使設(shè)計人員在整個設(shè)計過程中不斷調(diào)整和測試。

  在醫(yī)療系統(tǒng),醫(yī)療設(shè)備設(shè)計師用3D打印原型測試想法,降低最終使用部件的數(shù)量。

  用迭代優(yōu)化的方法要有更快的周期,這是不延長設(shè)計過程的唯一方法。在航空航天、汽車、工業(yè)設(shè)計和教育領(lǐng)域的3D打印用戶,當(dāng)從傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)換成3D打印時,原型制作的速度提高了43%到96%。傳統(tǒng)的成型方法包括:注塑成型、數(shù)控加工、金屬加工和2D激光切割。在某些情況下,機加工車間需要的時間是導(dǎo)致原型制作放緩的重要因素。

  3D打印經(jīng)濟(jì)性的趨勢導(dǎo)致了有更多的分散設(shè)備,例如部門或單獨的小隔間,加快設(shè)計周期的機會成倍增加。

  更多原型迭代的優(yōu)化設(shè)計過程,可使產(chǎn)品失敗的風(fēng)險降到最低。由于3D打印可以制造出很好特征細(xì)節(jié)和經(jīng)受嚴(yán)格測試的模型,設(shè)計人員能夠?qū)ψ约旱墓ぷ鞲行判?。此外,?shù)據(jù)的完整性和安全性在競爭激烈的環(huán)境中是最重要的。與值得信賴的供應(yīng)商共享機密的STL文件一般是安全的,而內(nèi)部具有3D打印機,可以消除泄露知識產(chǎn)權(quán)的擔(dān)心。

  盡早進(jìn)行需要的更改節(jié)省了時間和金錢。比起其他方法,3D打印模型可以給產(chǎn)品設(shè)計師和工程師,在設(shè)計過程的早期就有了透徹的理解,最大限度地減少風(fēng)險,避免問題被忽視,而到發(fā)現(xiàn)已經(jīng)為時已晚。

  阿瑟斯特(Acist)醫(yī)療系統(tǒng)公司為心臟科醫(yī)生和放射科醫(yī)生設(shè)計和制造了對比注射設(shè)備。該公司在功能測試、固定裝置和最終組件中使用了3D打印件。在復(fù)雜的組件中,工程師在加工零件、電路板和集成電路周圍盡可能地使用3D打印的塑料部件。在顯示單元部分,工程師把部件數(shù)量從15個減少至7個,因為3D打印的能力幫助評估復(fù)雜的幾何形狀。該公司還在客戶設(shè)置、工作設(shè)計上的問題并結(jié)合實際客戶的反饋意見測試3D打印的功能,然后再提交到大規(guī)模工具。

  采用3D打印降低產(chǎn)品設(shè)計成本

  一個專業(yè)3D打印系統(tǒng)的購置成本已經(jīng)低至10,000美元,這可能會使知道3D制作系統(tǒng)價格的工程師和設(shè)計師大吃一驚。現(xiàn)在的年運行成本也比較低,部分原因是因為不需要專門設(shè)施和特殊專家使用3D打印機。租賃市場可以排除由于成本限制而不能購買3D打印機的障礙。其他考慮因素是打印機的維護(hù)和材料成本,這會根據(jù)使用條件的不同而異。對3D打印系統(tǒng)進(jìn)行評估時,要考慮設(shè)施的要求、運行系統(tǒng)需要的專門知識、精確性、耐用性、模型的尺寸、可用的材料、速度,當(dāng)然還有成本。

  用戶期望的應(yīng)用將幫助用戶選擇最好的系統(tǒng),但許多用戶報告發(fā)現(xiàn)購置的3D打印系統(tǒng)與用途不符。例如,購買打印功能原型的系統(tǒng)可能更適合制造工具。

  利普特隆(Leptron)是用于執(zhí)法、軍事和民用遙控直升機的開發(fā)商,工程師們使用3D打印機來設(shè)計、測試和制造一種微型偵查無人機-- RDASS 4。

  RDASS 4具有8個模塊化機身組件,不同組合后可用于不同用途。復(fù)雜無人機的設(shè)計和測試需要承受迫降,采用一種迭代的方法,其中有200個設(shè)計變更,包括結(jié)構(gòu)加固和空氣動力學(xué)改進(jìn)。內(nèi)部3D打印減少了RDASS 4中60%以上的注塑成型開發(fā)成本。此外, 3D打印的無人機已在市場有6個月的良好開端,該項目在商業(yè)上極有前途。

  3D打印提供了在大量設(shè)計迭代中極具成本效益的方式,并在整個開發(fā)過程中的關(guān)鍵開始階段能獲得及時反饋??焖俑倪M(jìn)形狀、配合和功能的能力大大減少了生產(chǎn)成本和上市時間。這為那些把3D打印作為設(shè)計過程一部分的公司,建立了一個獨有的競爭優(yōu)勢。

  低成本將繼續(xù)擴(kuò)大3D打印的市場,特別是在中小型企業(yè)和學(xué)校。 這些打印機的速度、一致性、精確性和低成本將幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場的時間,保持競爭優(yōu)勢。

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