關於積層製造的五大誤解

關於積層製造的五大誤解

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作者:EOS 新加坡公司亞太地區高級副總裁 Terrence Oh

 

3D列印技術於 20 世紀 80 年代首次面世時,很少有人能夠預想到 3D 列印具有在全球範圍掀起商業變革的潛力。這一技術快速發展至今,包括航空航太、汽車、醫療、模具甚至化妝品在內的諸多行業都因零部件生產進度更快、成本更低而受益良多。但是,這些優點並未被大多數人所熟知,始終蒙著一層神秘的面紗。此行業在業內被稱作積層製造,簡稱 AM。預計截至 2025 年,該行業在亞太地區的商業價值將突破 75 億新元(55 億美元)[1]。在亞太地區許多大型公司都組建了成熟的研發隊伍,然而對積層製造技術的吸納卻仍處於起步階段。 這很可能是由於企業對積層製造行業存在誤解。因此,我想澄清企業談論 3D 列印時常常聽到的五大誤解:

 

誤解1:積層製造適合所有企業

十年前,當 3D 列印剛剛流行起來時,該技術所提供的無限可能性毫無意外地讓許多人感到震撼。3D 印表機將成為家居用品,登上新聞頭條[2],並且無所不能列印。 Gartner公司將此稱為“技術成熟度曲線”(Hype Cycle) 的起點。當發生技術突破時,最初的期望就會飆升。不幸的是,隨著時間的流逝,隨之而來的是大眾對技術期待同樣迅速的幻滅,尤其是當現實與前期過高的期望不符時。危險之處在於人們對 3D 印表機的過分誇大描繪信以為真,誤以為只需按一下按鈕就可以列印出我們在家中需要的一切物品。現實情況是,AM 技術如今在專業工業應用中得到了蓬勃發展。該技術已經實現了製造工藝的變革,可生產輕量化、定制化的單個零部件。但是,企業仍需對是否應實施 AM 技術加以評定。首先,應就如何使用 AM 技術為組織機構進行充分講解。應該控制大家對該技術的期望值。需要考慮到諸多要素,例如成本、設計、交付週期和 AM 技術對製造工藝的影響等。對於採用傳統工藝製造的部件和 AM 部件,應該解決組裝方面的相容性問題。

 

誤解2:積層製造僅適用於原型製作

快速原型製作是 AM 技術最早的應用之一,如今仍廣泛使用。這一應用在研發領域中尤為實用,研發過程中可以對與成品具有相同材料屬性的原型執行測試。該技術作為一種無工具化工藝,可使更改變得尤為方便快捷,並能夠以最低的額外成本完成。 但 AM 技術只能用於快速原型製作則是一個常見誤解。實際上,早些年間,由於電腦和雷射器的性能有限,阻礙了 AM 技術發揮其應有的價值。我們的創始人 Hans J. Langer 博士一直希望 AM 技術可以開闢一個嶄新的製造世界,該技術將可用於製造功能性最終零部件。如今,顛覆以往設計和製造方式的願望正在不斷激發出更多的解決方案。例如,我們與密西根大學合作研發了積層製造氣管夾板,用於説明一群幼兒治療氣管支氣管軟化症,又稱為呼吸道塌陷的呼吸道疾病。AM 技術在製造過程中提供了出色的靈活性,以更少的材料實現了高度定制化的結構,有效避免了產品體積龐大的問題。

誤解3:積層製造十分昂貴

考量製造成本的方法有兩種。一種是著眼於短期的單位成本,另一種是著眼於大局並關注長期成本。 儘管 AM 技術在過去十年中取得了許多進步,但就某些行業而言,相比于傳統製造方法,AM 的確在零部件單位成本上仍有一定差距。儘管如此,隨著生產率的提高,我們有信心使單位成本得以降低。 但是,我們來看看更重要的方面。正如我之前提到的,我們正在尋求對製造業的顛覆性變革。傳統方法通常依賴於制模,就價格和時間而言,其成本可能很高。對於較小的生產數量而言該情況尤其突出,這使得“單件生產”幾乎成為無法滿足的需求。AM 技術通過消除對模具的需求扭轉了這一局面,從而為小批量製造定制化產品創了廣泛的可能性。曾被認為成本過高的解決方案現在值得再次研究。以 Premium AEROTEC、EOS 與戴姆勒共同合作的項目 NextGenAM 為例。該工藝使用積層製造技術生產用於汽車和航空航太行業的鋁制部件,成功降低了製造成本。製造流程是完全可擴縮的,生產線可以方便地複製以擴大車間產能。

 

誤解4:積層製造沒有設計限制“可以無限複雜”

事實是,AM 技術所能實現的設計“並非可以無限複雜”。AM 技術製造的零部件仍會遇到設計限制。使用 AM 技術的設計師需要接受培訓以充分瞭解技術的可行性和局限性,並學習如何成功設計、優化、構建和應用 AM 技術。

有 5 條 AM 設計規則需要遵循,包括需要注意壁厚和間隙尺寸。採用 AM 工藝製造的零部件在設計時應盡可能降低長寬比和表面解析度,以確保生產週期穩定。因此,設計時應儘量避免非必要的複雜化,並且應始終牢記 5 條設計規則。總之,與目前傳統製造技術所面臨的限制相比,AM 技術仍可對設計提供極高的自由度,可以實現諸多過去無法製造的應用。這形成了設計驅動型思維方式,即先將解決問題作為第一要務,然後再考慮基本的製造限制。

 

誤解5:積層製造僅適用於無需組裝的小型部件

人們對 AM 技術存在的這一普遍誤解是上述各項誤解所共同造成的結果。如果人們認為 AM 技術既昂貴又僅適用於原型製造,那麼他們誤以為 AM 技術僅適用於小型部件就不難理解了。 當然,事實是現在有用於大型零部件的 AM 設備。例如,EOS P 770 可生產成型空間體積超過 150 升 (700 x 380 x580mm) 的塑膠件,EOS M 400-4 則可生產成型空間體積最高達 64 升的高品質金屬零部件。
關於是否需要組裝這一問題,應該探討的問題是“組裝是否有必要,而非能不能組裝”。是的,AM 技術可以製造不需要組裝的零部件,這樣做的目的通常是為了使零部件更輕便或降低組裝成本。

結論

未來,AM 技術並不會取代所有傳統製造技術。AM 技術的作用是拓展了製造的可能性,讓製造商能夠創造出曾經無法實現的產品。由於這是一項新技術,因此剛剛涉足積層製造領域的公司應與值得信賴的積層製造合作夥伴攜手,為踏上全新征程做足準備。例如,借助 EOS 的“積層思維”,公司可以更全面地理解如何加強其內部的 AM 能力。這包括零部件的選擇和篩選以及如何使用 AM 設計,從而使公司能夠充分發揮 AM 技術的潛力並從中獲益。