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制造业3D打印机应用 从试制走向产品制造_1

发表于:2019-06-08 14:04 作者:新闻小编 来源:新闻小编

  对于制造业,能否利用3D打印机制造产品和部件意义重大。目前,3D打印机还主要是用来快速、低成本地制造试制品。其效果虽然不小,但是,如果制造范围进一步扩大到产品和部件,就有可能从设计阶段入手,通过优化等创造出更高的附加值。本文将与大家一道来探索3D打印机作为产品和部件制造手段的实力与活用情况。

  从试制装置发展为产品制造装置3D打印机正步入一个新阶段。

  在日本,某汽车企业正在考虑向市场投放能够轻松定制内饰件等的新概念汽车。《日经制造》的采访显示,该公司设想的制造方法正是3D打印机。该设想如果得以实现,意味着市售汽车将会配备3D打印机制造的部件。

  智能手机上也出现了相同的动态。美国谷歌公司推进新智能手机开发项目ProjectAra(图1)。其特点是把构成智能手机的各种功能模块化,用户可自由组合这些模块,做成符合自己喜好的智能手机。而设想用来制造这些模块的方法,就是3D打印机。实际上,该公司与大型3D打印机制造商美国3DSystems公司合作,开发出了生产效率高于以往的新型3D打印机。在未来,智能手机的功能模块等有望实现大量生产,利用3D打印机制造模块的时代正在一步步走近。

  设想是以模块为单位进行组合。该公司还在与美国3DSystems公司合作开发高生产效率的3D打印机。出处:3DSystems公司

  不只是汽车、智能手机,今后,利用3D打印机制造产品的企业估计还会越来越多*1。

  *1现在已经出现了销售利用3D打印机制造的产品实例。随着成型服务和低价格3D打印机的普及等,3D打印机作为个人制造方式,存在感正与日俱增。与此同时,在互联网上销售3D打印机制造的产品的市场也在扩大。3D打印机制造的饰品、办公用品等已经开始在市场上流通。与3D扫描相结合、为顾客制作肖像人偶的服务也在增加。

  为什么是3D打印机?

  提到3D打印机的运用,迄今为止试制是压倒性的首要目的。希望达到的效果主要是缩短产品开发周期、削减成本,以及增加实物的研究次数,以提高品质。

  但在今后,像开篇介绍的那样,利用3D打印机制造产品和部件将变得愈发普及。相对于试制用途,利用3D打印机制造产品和部件的优势略有不同(图2)。

  第一是缩短产品的交货期。在设计已经实现三维(3D)化的今天,3D打印机的优点之一是能够直接把设计数据作为制造数据使用。当然,在一次性大量生产形状相同的产品时,模具成型更有利于缩短交货期,但在数量少的情况下,3D打印机会占据优势。而且,对于维修部件等难以判断需求量和订购时间的产品,可以及时生产,无需准备库存。

  使用3D打印机(附加制造装置)进行制造和使用简易模具和金属模具进行成型的比较,随着数量的变化,经过天数(前置期)最短的方法各不相同。出处:《新制造业研究会报告》

  第二是产品定制容易。除去制作数据的工时,基本来说,无论是制作各不相同的物品、还是许多个一模一样的物品,生产时间都完全一样。这是因为成型时间主要取决于产品和部件的体积,或是沉积方向的高度,成型方法只起到很小的影响。也就是说,与现有的制造方法相比,3D打印机与定制产品的契合度要高得多*2。

  *2就定制简单而言,切削加工机也非常优秀,但3D打印机能够实现的形状的自由度明显更高。

  由此,即便是难以推测产量、可能只是少量(或单品)生产的产品,也可不必犹豫马上展开销售。如果利用3D打印具备的这些特点,可以做出前所未有的汽车和智能手机,不难想像,开篇提到的汽车企业和谷歌采用3D打印机,正是看中了这一点。

  而且,在汽车、智能手机之外,更适合利用3D打印机进行制造的用途是医疗。医疗用途有许多可以通过定制化大幅提高附加值的产品。用3D打印机制造这些产品,有望以低于以往的成本向客户提供最适合的功能。

  还要考虑间接运用

  把3D打印机作为产品和部件的制造装置大致有三个方法。(1)利用3D打印机直接造型;(2)利用3D打印机制作模具,(3)用3D打印机制作原型,然后通过转写获得产品。

  除了利用3D打印机直接成型外,还可以制造模具进行成型,或是制造原型进行转写。后二者选择材料的余地明显更大,但有时会限制形状的自由度。

  其中,(2)的模具,例如注塑成型使用的模具(型芯)是用树脂和金属制作的。这里,用3D打印机为试制品成型制作模具(试制模具)的方法是以前就有的*3。而最近,用3D打印机为实际产品成型制作树脂和金属模具的尝试已经开始出现。

  *3还有企业利用3D打印机制作吹塑成型和冲压加工的试制模具。

  以树脂模具为例,随着3D打印机能够使用的树脂材料的强度和精度的提高,在少量生产形状简单的产品的时候,已经可以使用3D打印机制作的树脂模具〔苏旺你(SWANY,总部:长野县伊那市)代表董事社长桥爪良博〕*4。金属模具方面,松下正在着手研究利用3D打印机进行制造。从能够直接成型模具这一点来说,能够制作砂型的3D打印机的利用也有望得到扩大*5。

  *4苏旺你为了减少修改量产模具的成本和次数,缩短交货期,使用3D打印机制作的树脂模具,再利用与产品一样的树脂成型试制品进行评价,这是该公司3D打印机的主要用途。

  *5比如说,现在已经有多家公司推出了利用粘合剂固定粉末材料的3D打印机,其采用的成型方法非常接近使用木模固定砂型。3D打印机的吸引力在于不仅可以应对制造木模的熟练工的减少,还能对木模无法制造的砂型进行一体成型。

  (3)利用3D打印机制造原型的方法已经实际应用到了珠宝饰品、牙科技工等领域。用来制作转写至模具的原型,例如利用失蜡法铸造金属的蜡模等。提供蜡制材料和高消失性材料的3D打印机企业也已经出现。

  实力还不够强大

  除了直接成型之外,通过活用包括在内的原型等模具,3D打印机作为制造装置的可能性将大大得到拓展。但多数观点认为,就目前而言,3D打印机的实力还不足以用来制造产品。必须要解决的课题还有不少。

  代表性课题有:①可以使用的材料种类有限;②成品的物理性质(如机械强度等)还达不到要求;③精度不够。目前的情况是,3D打印机是从这些课题攻克的部分开始,逐步开始在作制造装置之用的尝试。

  比方说,树脂类材料基本上局限于热可塑性树脂或是光硬化性树脂。热可塑性树脂中,ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚树脂)、PLA(聚乳酸)得到了低价位产品的广泛采用,在面向高功能产品的领域,PC(聚碳酸酯)、PPSF(聚亚苯基砜)等高强度、高耐热性树脂也已经粉墨登场。其中还不乏接受了飞机部件和医疗等认证的材料。纤维强化树脂(FRP)类材料也在开发之中。现在,虽然寿命有限,但利用3D打印机已经可以制作注塑成型模具,从而推动了上述树脂的进化。

  其实,3D打印机可以使用的材料的种类还并不足够。虽然出现了物理性质接近橡胶的成型材料,但其质地并非橡胶,因此存在弹性极限低、易发生断裂的课题。光硬化性树脂中虽然有透明、耐热的材料,但热可塑性树脂还达不到这样的水平。就连ABS的物理性质也不是与注塑成型使用的材料完全相同,这一点需要提起注意。

  解决用户方面的课题

  那么,除了等待材料、以及装置的改良,希望把3D打印机作为制造装置使用的用户难道就束手无策了吗?非也。当然,用户首先要准确把握3D打印机现在的实力,在此基础之上,还有几个可以主观努力的地方。凭借这些努力,用户或许可以领先其他公司,率先把3D打印机作为制造装置使用,或是进一步提高产品的附加值。

  具体可以设想到的努力有三个方面。

  有些课题可以通过改进3D打印机、成型材料的进化得到解决,用户可以通过自身努力解决的课题也不在少数。

  第一,把3D打印机视为种类繁多的制造装置中的一种,灵活思考与其他制造装置的用途划分和和组合。如上所述,使用3D打印机作为制造装置时,除了直接成型外,还可以使用3D打印机制作模具进行成型,使用3D打印机制作原型(主模型),待转写至模具后,再进行成型。企业需要从这些方法之中,选择最适合自己产品的方法。

  而且,在希望提升产品的表面性状的时候,还可以结合切削加工。其实,铸造与切削加工的结合是一种常识。为了方便理解,大家可以把铸造看作是使切削加工时间最小化的近终形成型。

  这一思路的进阶版,就是在3D打印机的成型过程中加入切削加工。实际上,松下已经开发出将烧结金属粉末的流程与切削加工的流程合二为一的装置*6,将其应用到了模具加工。3D打印机成型的大多是复杂的形状,在成型结束后,即使有意进行切削加工,能够加工的范围也非常有限。为了解决这个问题,沉积与切削加工要交替进行。DMG森精机也在Euromold2013展会上,展出了其他类型的金属3D打印机与切削加工组合而成的装置,今后,机床企业很可能会涉足这一领域。

  *6松浦机械制作所上市了金属光造型复合加工机LUMEXAvance-25。

  反观在结构材料等领域需求较高的金属3D打印机,借助粉末材料品质的提高、以及直接烧结技术等进化,材质(纯度)和密度近年来突飞猛进。近几年进展卓著(近畿大学教授、工学部长京极秀树)。在欧美,金属3D打印机已经运用到了航空航天领域,在日本国内,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)也在研究利用其制作火箭发动机等部件。

  关于金属粉末,现在,高耐热合金、耐腐蚀合金等新合金的需求大,粒径的微细化、粒径分布优化、添加防锈功能是亟待解决的课题。因为成型方法太过新颖,不少用户都担心成型品的质量稳定性和可靠性出现问题。

  树脂材料和金属材料虽然都存在着不少的课题,但是,3D打印机市场在未来有望实现快速增长,材料企业在今后估计也会增加对打印材料的涉足,扩大开发投资。使这些课题逐一得到解决。

  提高熟练运用的能力

  用户需要努力的第二点,是提高熟练运用成型条件等的能力。就像机床一样,用户即使购置了相同的装置,能够实现的精度也各不相同。要想提高熟练运用的能力,首先需要详细掌握装置的基本配置。除了目录规格之外,还要了解在不同的实际条件下,形状的重现性和精度会有怎样的变化。

  即便是自动化程度高的3D打印机,也并非没有用户可以干预的控制参数。比方说,在装置所处环境(温度等)的控制、沉积方向、添加支撑的方式、去除支撑等后处理等方面,用户可以积累到技术经验。

  把这些成型技术经验反映到数据后,接下来的重点将是数据格式。现在,STL是事实标准,但这种格式只能表现形状。为了消除这一缺点,AMF(AdditiveManufacturingFileFormat)标准目前正在制定。随着AMF标准的出台,用户或许将可以在更上游定义操作装置时的设置,或是实现成型条件设置作业的自动化。

  用户需要努力的第三点是天马行空地设计,也就是思考只有3D打印机才能实现的形状。这是一项以制作产品为前提条件的举措。

  以模具的冷却水管为例,只有使用3D打印机制造,才能使产品具备最佳的三维构造(图7)。在过去,用户只能对直线水管进行组合,而使用三维水管的话,冷却性能可以得到显著提高。

  模具结构的可视化模型。蓝色部分是冷却水管,呈现出复杂的三维路径。

  届时,在结构物的特性和精度方面,应当关注的重点是3D打印机的性能是否符合用途的需要,而不是拘泥于过去的成型和加工方式的水平。这样的话,就能够最大限度地发挥出3D打印机的长处。(作者:中山力,日经技术在线!供稿)

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