增材制造：带来制造业格局的改变

寂静天花板

增材制造，一个快速发展的技术，越来越为市场所接受，并受到大量行业和公共计划的支持。
& _5 N: E2 _" ^* m9 O9 b. u( U        用哪个术语都无所谓，增材制造（AM）和3D 打印（3D）可以互换。而理解这个市场：它将走向何方、怎么应用、对制造商意味着什么、向谁请教更多知识和寻求支持，则更为重要。
        AM/3D 打印在不断发展。据Wohlers Associates Inc 出版的第19 版Wohlers Report 称，企业正在不断拓展AM/3D 的边界，通过新的途径来应用这种技术。该报告预计，到2018 年，AM/3D 印刷产业将达到128 亿美元，比2013 年增长了30.7 亿美元。到2020 年，销售收入有望超过210 亿美元。
& |0 U1 @5 |" K7 e1 Q  H        “这一行业正在经历20 多年来从未见过的变革，”WohlersAssociates 高级咨询师、本报告两位主要作者之一的Tim Caffrey认为，“最令人兴奋的是，我们对于潜在可能性的认识还只是皮毛。”
/ ^1 \  i7 q" K/ [3 d        该机构的总裁兼另一位主要作者Terry Wohlers 表示，用于最终产品的零部件生产所创造的营收占到AM 和 3D 打印整个市场的34.7%。2013 年，AM 市场最终产品用零部件领域达到了10 亿美元，“航空、医疗、牙科及其它行业，正在寻求使用AM 技术的途径，来生产高品质产品。”
; |/ E% m3 K2 x% S# w' }7 \        金属部件生产越来越受欢迎，生产金属部件的AM/3D 设备急剧攀升，相应地，这种设备从2012 年的198 台增长到2013年的348 台，增长了75.8%。跟踪金属AM 设备市场14 年之久的Wohlers 指出，空客、通用电气等企业也在用这一技术来生产复杂的金属部件。
1 L' x8 C/ g9 _5 q        但如果你新入市场，该从何入手来加深认识呢？
  s  T( F+ U3 x2 {        在这份特别报告中，有材料、设备、工艺等内容，也有业内人士会为你提供新的或有经验的AM/3D 用户对于未来的看法。
        家庭和工业应用
* u9 N0 ^/ b  h" T! c8 J# e        据美国国际贸易委员会（USITC）最新报告《增材制造技术：对美国制造竞争力的潜在影响》的作者Sharon L.N. Ford介绍，AM/3D 打印为行业提供了各种独特的可能性。该技术可以在没有明显增加成本的前提下，生产几何形状几乎不受限制的三维产品。同时还有望降低、甚至消除型模和铸模的限制。由于AM/3D 打印在生产原型和部件方面的速度和效率的原因，该技术会对需要定制、设计复杂、小批量产品的生产产生巨大影响。
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带粉末喷嘴的激光沉积焊接机DMG MORI Lasertec 65 比粉床工艺速度快10 倍
) {* r5 v3 t9 c0 H        AM/3D 技术与医疗和航空应用联系最为紧密，最大的消费领域则是汽车工业。如2011 年，据USITC 称，这一领域占到了购买量的19.5%。医疗应用居其次，为15.1%，航空业占到市场的12%。
; y' p% a9 H, T# x+ f8 `        AM/3D 打印技术只占到所有汽车制造的0.01%，但在医疗（整个行业产出的0.04%）和航空业（整个行业产出的0.02%）则用的更多。
0 P6 B2 U0 Y$ O+ W        Ford 指出，由于构建时间长、物体尺寸受限、设备成本、大小、所用材料等方面的局限，AM/3D 打印还不适合大规模生产。如，工艺方面，每小时平均生产 1.5 立方英寸，注塑机则可以在不到一分钟内生产出几个部件。
* |; B" S/ S7 \, H) H* n        但是，技术在快速地变革，功能也受到来自创新中心，甚至机床生产商的支持。
        在美国生产
0 }! r7 `  U/ @) p6 r/ W6 R        位于俄亥俄州Youngstown 的America Makes（美国制造）是一家拥有横跨美国100 多家企业、非盈利性组织、学术机构和政府机构的网络。
" u: e  X- E5 o6 {, |) [5 O        创建于2012 年，作为制造创新国家网络的旗舰性机构（NNMI），它充分发挥了政府、行业、学术机构的技术能力，加速AM/3D 印刷技术在美国制造业的应用。
, K7 P- O* b  R8 A7 @        据运行总监Rob Gorham 介绍，他们的目标是：通过真正的协作环境，将技术优势从实验室带到工厂，从而创造工作机会，制造在全球层面上更具竞争力的产品，最终打造美国制造业的竞争优势。
# n% Z4 ^/ y) V3 `2 [) q0 O        但是，并不是所有行业都在作业中采用了AM/3D 打印，有些还不能确定如何下手。消除认知障碍也是这一机构提供帮助的一部分。
4 T0 q  M+ _( p0 U9 G" C3 j+ h( j        Gorham 介绍，他的团队在早期问题，如标准、设计方法、工具、材料、工艺控制、设备、非破坏性评估、达标、认证、供应链整合等方面开展工作。
        该机构的另一项计划是验证材料和技术。“America Makes（美国制造）正在做出努力，引导材料和中间供应链合作伙伴向多个航空OEM 的要求靠拢。”
        另一个项目则针对解决金属铸造行业、以及它对AM/3D 打印至少会带来什么样的机会这样的认识。金属铸造项目的结构是在几家顶级金属铸造供应商之间建立协作，展示、应用案例、验证AM、3D 打印在他们所在行业的优势。
        Gorham 指出：“这是一个真正协作的环境，将技术优势从实验室带到了工厂，创造工作机会，生产出更具竞争力的产品，最终重新确立我们在全球市场的地位。”
% y( G7 V1 L9 \        加法、减法、混合法
5 c# N, z: j7 T/ b1 n+ r/ O        在考虑新的工艺时，设计人员应确定备选部件。AM/3D 打印通常更适合形状难以加工的复杂部件，但缺点是，与CNC 机床相比，降低了速度。现在选择范围变宽了，机床制造商提供了从开始到结束这一过程的混合技术。

# n& ~. ~* b+ z% \: X        MC Machinery Systems 公司技术营销经理Greg Langenhorst提供了AM 很好适应型模- 铸模生产应用案例，在这一加工中，部件的有效冷却非常重要，以避免引起翘曲，并快速射出。“ A M 粉末- 金属烧结的一大优势是，可以在模具内构建符合要求的冷却通道。准确定位这一通道，使得部件冷却速度加快了20%-30%，而且部件精度更高，翘曲和收缩降低。”Langenhorst 指出，“问题是，单独使用激光- 烧结不能在这些通道内生产出光滑的表面，这就需要额外的铣削过程。但是AM 可以生产通常在生产完毕后不能再加工的复杂形状。该解决方案在AM 部件逐层构造完毕后，加进了铣削工序。”
5 K5 d! S8 O4 U1 B        一台LUMEX Avance-25 机床，将激光烧结和CNC 铣削整合到一个平台。400W 激光烧结机加工速度为5,000mm/ 秒，每添加一层的厚度为50μm （0.002"）。一旦添加了10 层后，有一个直径最少为0.6mm（0.024"）的铣刀开始加工表面，除去脊线。小至0.02" 的肋状也可以在最初完成的模芯内部完成建造。产品包括电钻塑料外壳、汽车连接器插头。
# _' a, }4 H0 i8 d6 ^$ r* O& w        “由于不再需要根据你的制造能力来设计，所以可以按照需要来进行优化设计。” Lagenhorst 说道，“你可以将冷却通道设置在任何想要的地方，而无需担心扭结、回转等。”
5 W! l+ \8 n/ O" B. A$ N        另一台混合机床是德马吉森精机（DMG MORI）的激光沉积焊接和铣削机床Lasertec 65 3D。它将增材制造和传统的切削方式结合起来，用于加工新的产品和几何形状。可从激光切换到对成品部件难以进入的部位进行直接铣削。DMG MORI 的工程师将该机床设计成可以在金属合金粉末喷射到激光焦点部位时，将其完全熔融。激光将粉末和基材一起融化，在两种介质之间实现完全结合。
5 U6 y+ D0 W5 W% D" W4 e: ?        专注于机床、计量和过程控制的全球制造技术企业雷尼绍，也积极参与了AM/3D 打印领域。雷尼绍的AM250 增材制造机床提供激光熔融加工，赋予注塑加工商更多优势。利用高功率光纤激光，雷尼绍的系统可以熔覆（钢、铝和其它材料）金属粉末颗粒。该机床可以将熔融的金属逐层构建为复杂部件。层厚范围介于20μm ~100μm，医疗企业、航空承包商以及赛车企业所需的小批量部件可以直接从激光机械加工完毕，到达客户手中。
2 I9 ^+ o9 v8 m% P" u3 h8 t        材料及更多
        除了设备外，需要考虑的是所用的材料。聚醚醚酮（PEEK）被广泛用于注塑件。但康涅狄格州南温莎的Oxford Performance Materials （牛津高性能材料-OPM）公司希望在激光烧结中利用高性能塑料来替代部件中的铝和镁。
* L7 }' P: q2 e. H/ F        OPM 有三个部门：生物医疗原料，利用PEEK 聚合物为基材的OXPEKK 材料；用OXPEEK 聚合物通过模塑和选择性激光烧结（SLS）工艺生产OsteoFab 医疗部件和植入器件的生物医疗器械部门；以及致力于航空零部件生产的工业部件小组。
2 e5 Q4 X; G' g- W( I# o. [        OPM 航空及工业项目副总裁Larry Varholak 指出，OPM 完全是一家服务提供商，而非服务机构。公司拥有的专门设计算法可以确定拟议部件结构的形式，使强度、柔韧性和重量最大化。然后，用3D 打印技术根据设计部件的数码文档直接通过SLS完成制造。公司可以用EOS P800 设备生产出对于传统生产方式太过昂贵的复杂部件。部件大小为16"×20"×22"。

        如果用PEEK 取代金属，必须先使性能特性达到要求。根据OPM 航空及工业总裁Paul Martin 的说法，OPM 的首要目标之一是利用增材制造来为PEEK 建立设计公差。
! K! k4 s# h, H% D+ k        “OPM 已经开发出材料强度表征数据库，以了解3400 多个测试元件的极限水平。我们认为自己的材料介于金属和尼龙之间。与铝加工商相比，我们可以以一小部分的成本，生产更复杂、价值更高的部件。”Martin 表示。
1 h4 @6 n4 ?9 w        未来
        可以说的故事很多，但必须看到一件事情：不管是从设备、到材料还是到工艺，AM/3D打印都改变了特定部件制造的方式，并为部件生产开辟了新的领域。

自动化小生103

感觉在自动化行业应用面很广啊。非标小批量加工。可以大大缩短加工时间。还可以直接利用3D模型而不需要2D图纸来完成加工。以后可能是3D设计好后，一切交给3D打印。打印完成后装上标准五金件就可以调试试车了。

机械蚊子

不错