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增材制造的四级台阶你爬到哪了,独家解密各阶梯效益!

星之球科技 来源:MM现代制造2016-08-18 我要评论(0 )   

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...

编者按: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。
 
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。
 
 
 
台阶2-零件集成
 
这是开始改变产品设计的第一步,以便充分利用增材制造能够加工复杂形状的特性。在这种情况下,希望通过将多个零件集成到单一且完整的加工件中,精简产品中的零件数量。这一级台阶,有三个增材制造功能可发挥作用:
 
a多特征部件
 
增材制造允许为部件设计细节特征,然后只需一次操作便可完成加工,无需额外的流程步骤。可消除工艺的复杂性,转而将其注入到零件中。
将多个加工步骤合并为单一的增材制造操作,自动加工出的单一加工件便可替代复杂的装配流程,降低模具成本、缩短总加工时间以及缩短交货时间等。
 
 
 
b消除结合点
 
在产品设计中,对传统制造过程无法一次完成的复杂形状,需加入接合点。接合点是指配对特征、紧固件、插头、垫片和密封圈等。它们会增加产品的零件数量、重量、加工和装配时间,也会导致产品结构中出现薄弱环节,各部件之间匹配不佳,埋下故障和性能隐患。因此最好避免接合点!
增材制造可在一次操作中加工出复杂形状。例如下图所示的扭曲状波导管,有助于节省装配成本,提高长期使用效益。
 
 
c连环结构
 
可在一次增材制造过程中生产具有连环结构的部件,无需进一步装配操作。如此可制造出外观整洁、极具吸引力的多功能零件。
 
 
台阶3—DfAM优化
 
到达阶梯顶部可利用最为高级的增材制造功能。运用增材制造专用设计(DfAM)原理,充分利用其带来的设计自由,获得创新、定制的解决方案。
 
a空心/多孔结构
 
传统方法生产的许多零件为实心结构,尽管空心结构的强度并不逊色,但传统加工方法费时费力,成本昂贵。增材制造通过单一加工过程轻松加工出空心结构,材料使用少、加工时间短。例如网状结构在保持强度的同时,重量减轻50%。
 
 
b拓扑优化
 
拓扑优化也可减轻零件重量,原理是定义相邻结构的接触面及其所承受的载荷。考虑这些载荷对材料产生的应力,并去除应力最小区域中的材料,只保留能以最有效方式传输指定载荷的区域中的材料。
 
以下为空间探测设备使用的一支架,其重量是极为关键的因素。通过拓扑优化,支架变为空心结构,“命运之手指”—重量减少了三分之一,设计和生产时间也大大缩短。
 
 
c增强美观性
 
增材制造技术让我们能随心所欲地设计各种不寻常的天然形状,生产出创新且富有吸引力的产品,例如珠宝。
 
 
 
d增加表面积
 
承载接触面需较大的表面积,以确保良好的附着性。骨科植入体尤其如此,医生希望提高金属植入体和邻近骨骼间的相容性,确保二者稳固接合,尽量防止出现“应力遮挡效应”,避免后续手术修复治疗。大面积接触表面,还有利于提高金属与复合材料之间的接合强度。
 
 
e提高传热性
 
设计新型热交换器是增材制造技术的一个重要应用。为最大限度提高一种液体与另一种之间的换热效率,热交换器内部应具有大量复杂的微型薄壁管道和二次表面。增材制造能经济高效地加工出内外部细节特征,产品性能更高,重量更轻。对赛车、公路车辆及绿色能源产品设计具有明显优势。
 
 
f高强度合金
 
某些合金材料具有理想的热属性和机械属性,但加工难度大,实际应用受到限制。增材制造本质是熔接过程,只要能将合金“雾化”为粉末,就可使用激光技术加工材料。
 
 
g微型结构材料
 
增材制造可加工出精细的网状结构,为生产具有特定属性的金属“泡沫”创造了机会。此类微型结构材料经过设计可具有各向异性的属性,例如不同平面具有不同的刚性和导热性。标准和定制的微型结构材料为生产轻质、高性能产品开启新的机遇。
 
  
 
h按照物料清单进行生产
 
增材制造无需刀具、模具,可将不同产品组件的制造过程集成到单一的加工工序中,一次性制造所有主要组件,对其进行后处理并完成组装。有助于简化生产调度、减少库存。还可有选择地将其与本地化生产,大规模定制相结合雷尼绍为全球第一辆3D打印山地自行车制造的车架就是个应用典范。
 
 
i大规模定制
 
只要有想要制造零件的CAD模型,无论是制造与之前完全相同的零件,或有稍许差异,使用增材制造在成本和加工时间方面几乎没有差别,能以经济实惠的方式生产定制零件。雷尼绍的种植牙业务每天要根据不同口腔技工所的设计文件,制造形状各异的修复体。这些修复体可在一次加工过程中完成,降低成本。
 

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增材制造阶梯效益制造市场
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