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积层制造:帮助潜力发挥,实现最佳制造
[作者 達梭系統]   2020年09月04日 星期五 浏览人次: [6459]

目前许多领域都已采用积层制造技术。无论是医学工程、手工艺品还是时尚商品,3D列印产品都越来越受制造商和消费者的欢迎。这项技术的优势非常明显,特别是对于原型和单个零件的生产,因为它具备操作灵活、成本低廉以及速度快等优势。积层制造能够让公司迅速获得竞争优势。但是它在未来也将发生重大变化,尤其是在使用的材料方面。此外,也有人正努力将这项技术应用于批量生产中。


积层制造透过以数位结构资料为基础的逐层建构、添加,在3D印表机中生成产品和零件,这是透过与现代机器之间的最佳互动、奠基于云端平台上的智慧联网以及成熟的3D列印技术所实现的,而现今3D列印中使用的主要材料是金属,特殊塑胶和合成树脂。


最佳化零件,减轻重量

在注重于减轻零件重量的领域,例如汽车产业、航空产业、金属加工和医药业等领域,积层制造技术均已得到广泛的应用。例如,在航空产业中,人们采用积层制造技术来生产飞机零件,得以尽可能地减轻零件重量。最终在零件的制造中节省大量的材料。此外,总重量的降低也会直接影响飞机在空中的消耗值,进而产生更好的环境相容性。


多年来,空中巴士(Airbus)一直都在使用达梭系统的3DEXPERIENCE平台和CATIA设计与开发应用。此外,透过与达梭系统的合作,飞机制造商还开发了一种特殊的3D设计工具。 「MyShape」可用于制造客机A350(Airbus A350)的零组件。透过使用衍生设计(generative design)流程,空中巴士能创造新的零组件,这意谓新零组件不再根据原始形状进行开发,而是以功能为基础。


当工程师想要找到最能符合飞机要求的零件形状时,达梭系统软体会产生零组件的最佳设计。随后软体会对新零组件的使用进行模拟,以创造不同材料的组合可能性,或进一步将零组件最佳化。该过程大幅加快了新零组件的开发速度。



图1 : 达梭系统软体设计会对新零组件的使用进行模拟,以创造不同材料的组合可能性,或进一步将零组件最佳化。 (source:cindrebay)
图1 : 达梭系统软体设计会对新零组件的使用进行模拟,以创造不同材料的组合可能性,或进一步将零组件最佳化。 (source:cindrebay)

模拟的另一个优势是可将零组件的热变形情况直接纳入规划,其会在3D印表机创造期间和之后出现,具体取决于材料的属性,并且可能影响最终产品的功能。为了解决这个问题,CATIA提供了模拟热变形功能并使结果直接进行几何补偿,以确保最终零组件的形状完全符合要求。


降低材料成本

但在积层制造中发挥重要作用的不仅仅是材料的组合。另一个目标是尽可能地节约宝贵的材料。透过对拓扑(topology)进行最佳化,公司能集中精力协调并改进材料的使用。


这样能够显著减少材料的残留量,就像传统的制造业一样,比如金属零组件通常是从大块金属上铣削出来的。制造过程结束后,剩余材料不能按照原样再重复使用。相比之下,积层制造可以分层制造零组件并节省材料。


此外,积层制造能实现在一块材料上制造整个装配体。这并不意谓要花费很长时间来设置机器。相反地,整个装配体是逐层3D列印的,这不仅减少了制造时间,而且也减少了组装装配体的单个零组件所需的时间。公司不仅能缩短制造时间,而且还能持续降低其材料成本。



图2 : 积层制造能实现在一块材料上制造整个装配体。并不意谓要花费很长时间来设置机器。(source:Markforged)
图2 : 积层制造能实现在一块材料上制造整个装配体。并不意谓要花费很长时间来设置机器。(source:Markforged)

与传统制造的零组件相比,空中巴士透过积层制造能够将其「采购品质与飞行品质(Buy-to-Fly)」的比率降低至十分之一。 「采购品质与飞行品质(Buy-to-Fly)」是指购买的材料数量与实际使用的材料(即最终用于制造飞机的材料)之间的比率。同时,空中巴士在其A350飞机上使用了1000多种积层制造零组件。


灵活回应客制需求

积层制造的另一大优势是能够灵活地创造原型或单个零组件,与传统制造方式相比成本更低。公司能够最佳化其满足客户需求的方式。消费品产业尤其可以从这项技术中获利。鞋类品牌ECCO启动了一个名为「 QUANT-U」的个人化专案,该专案将3D扫描和3D列印进行了完美结合。在某些商店中,客户能够测量他们双脚的尺寸,选择合适的鞋码。然后,个人化的鞋子模型很快就能制作出来。


此外,制造复杂原型或零组件的公司也会从这种灵活性中获益良多。积层制造使其能够与客户紧密协作,以便快速、灵活地进行生产。例如,如果一家公司通常在欧洲进行生产,但印度那边需要零组件,则该组件可以很轻松地在现场透过3D制造出来。这不仅意谓与客户的距离更近,也有助于降低运输成本。


未来该何去何从?

目前,对积层制造的使用主要集中在希望生产原型、定制零组件或小批量生产的部门。不过,现在已经有人正努力在批量生产中采用3D列印。


在医疗领域中,研究人员正在进行深入的研究和开发,尤其是针对材料使用方面。积层制造使Otto Bock Healthcare能够在创纪录的短时间内完善其具创新性的「米开朗基罗」人工手的制作。透过达梭系统的3DEXPERIENCE平台和CATIA Imagine & Shape应用,这家医疗工程公司能够对其人工手的表面设计进行最佳化,进而使其成为「真实的」模型。如今,在器官重建领域的其他研究专案显示,积层制造技术将来可能会让更多人从中受益。


对于高科技和电子领域来说,这种可能性当然是非常有趣的,因为这些领域较注重尺寸的最小化。此时可以想像,感测器技术或电子装置可以直接整合到积层制造的结构中。例如,测量仪器的感测器将直接列印到电子装置中。目前,已经有第一批供应商在15小时内,而不是在50天内,透过3D列印来制造复杂的多层电路板。


总结

积层制造显然不仅仅是一种趋势,而是一项变革性技术,注定会在未来变得举足轻重。透过创新开发、灵活制造和持续降低成本,积层制造帮助公司提高营运敏捷性以实现竞争优势。


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