增材效益第1部分 — 增材制造将对市场产生深远影响

Marc Saunders
雷尼绍全球解决方案中心总监,负责增材制造(金属3D打印)应用的普及

人人都在谈论3D打印技术将如何改变目前的制造环境,这项技术也成为了工业4.0创新浪潮的一部分,人们希望它能够彻底变革现有的生产方式。这或许有点夸张,但增材制造 (AM) 确实昭示着生产力的巨大革新。

增材制造在每个行业的应用步伐取决于行业自身的特点 — 例如监管水平 — 以及现有及潜在的业界客户对创新和风险所持的态度。毫无疑问,制造业市场蕴含着巨大的变革机会。但问题是,当机遇来临时,您如何让自己的企业立于不败之地?

最好先思考一下,增材制造会给市场带来什么样的本质性改变,而您希望如何应用这技术来增强您的竞争力。阶梯模型简要介绍了应用增材制造的不同阶段:

增材制造的生产效益

应用增材制造可能获得的各种效益,包括在产品制造过程中累积的生产效益,以及在产品投入使用之后累积的长期效益。沿阶梯上行时,在新产品设计和验证方面的投入,及新制造工艺方面的投入都会上升,但获得的效益也会随之增加:

增材制造带来的效益会随着阶梯的爬升而提高,因为能够更多地利用到它所具有的独特功能。这些功能应用越多,增材制造产品就越具有创新性和突破性,价值也越大。

那么这有什么实践意义呢?您可以逐步应用哪些功能?接下来将重点介绍增材制造在阶梯模型的四级台阶您可以发挥的功能。本篇先介绍第一个台阶0。

台阶0—快速原型制造和加工

这通常是许多公司开始应用增材制造的起点,即快速制造模型和工具,此时的产品设计尚未定型。在这一级台阶,有两个增材制造功能可发挥作用:

a. 可重复的数控加工
增材制造是一种高度自动化的过程,在装填好粉仓并启动激光之后,整个加工过程便无需任何人工干预。因此,它可替代传统的加工流程,提高生产成本效益,而加工结果的精度和可预测性也更好。增材制造在口腔领域的应用就是很好的例子,手工制作的模型被采用数字化设计并自动加工出的植入体替代。这是增材制造的内在特性,在阶梯的所有阶段都能获得这些效益。

b. 随形冷却
这是一个可以成功应用于模具制造的复杂功能。随形冷却需要根据零件轮廓构建冷却液通道,确保快速均匀的热量传递。通道本身应设计成具有流畅的圆角,可避免冷却液滞留而导致腐蚀,同时确保冷却液能以较小压降顺畅流动。可将多条冷却液通道设计到一个复杂模具中,每条长度相同,确保均匀冷却。最终生产出的模具制造周期短、使用寿命长。

也可将随形冷却功能应用到产品本身,但这需要更改产品设计,在应用阶梯模型中属于最高一级台阶了。

台阶1 — 直接零件替换

我们在阶梯模型中向上移动一级,来到零件制造阶段,但这仅是对现有零件的复制。这里只有制造工序发生变化,而零件的几何形状并未发生改变。这个阶段可实现增材制造的另外两个功能:

a. 近净成型制造
相较于切削式加工方法,增材制造的一个重要特性是,材料浪费非常少。我们要考虑批量生产,那么单位浪费率就变得十分重要。

在航空航天领域,BTF比率(原材料与成品零件之间的重量比值)是衡量加工效率的一个关键指标 — 在生产过程中,有多少原材料成为了切屑?增材制造是一种“近净成型”工序,尽管通常仍需要一些后处理操作,用于确保成型体成功的必要支撑结构也属于一种材料浪费。增材制造并非完美无瑕,但它带来的优势却极具吸引力,GKN Aerospace就是一个例子:

b. 本地化生产
增材制造无需模具,能消除与模具制造相关的高昂固定成本,有助于提高小规模制造企业的经济效益 —即使是一家小型企业,也能获得成本竞争优势,同时凭借临近客户的便利性,可提供更优质的服务。可借此机会革新现有供应链,或改造现有供应链以提高响应速度。

上部曲总结

本部分介绍了在增材制造应用阶梯模型的前两级台阶中增材制造的一些基本功能。下一分将完整介绍阶梯模型的剩余台阶,深入探讨一些更加高级的增材制造特性。



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