硬件、材料和软件：3D 打印成功的三大支柱

增材制造业务成功的秘诀是什么？

这是许多行业利益相关者提出的问题，因为增材制造越来越多地转向终端部件生产。尽管 3D 打印取得了长足的进步，尤其是在过去 10 年中，但仍有一些核心挑战需要解决。

3D 打印成功的三大支柱

AM 运营成功的关键在于 3 个关键领域：

1.硬件
2.材料
3.软件

这些元素构成了我们所说的工业 3D 打印的三大支柱，因为该技术进入最终部件生产将取决于每个领域的持续进步。

话虽如此，让我们来看看每个领域面临的挑战，以及为解决这些挑战正在采取的步骤。

支柱 #1：硬件

毫无疑问，今天的工业 3D 打印机与 1980 年代的早期系统相去甚远。它们变得更快、更可靠，并且越来越多的制造商正在开发着眼于生产的工业 3D 打印机。

准确性和可重复性

但是，要使增材制造真正适用于终端零件生产，开发机器以确保 100% 的过程可重复性和准确性至关重要。

在增材制造方面，末端零件必须以相同的参数生产，以保持相同的零件特性。三个关键因素是：

• 方向
• 位置
• 部件的放置（相对于打印床中的其他部件）

然而，可靠性和准确性仍然是硬件制造商面临的持续挑战。就目前而言，许多工业 3D 打印机并没有经过微调，以至于它们可以 100% 地制造出可靠的零件，尤其是在金属的情况下。与既定的传统方法相比，这是一个需要解决的问题领域，AM 才能提供有价值的替代方案。

此外，3D 打印过程通常会导致零件具有不同的特性。这个问题主要归因于需要严格控制和监测的众多工艺参数。处理这种复杂性的一种方法是开发闭环反馈控制系统，以确保最终零件生产的质量和可重复性。

Velo3D 是一家将这种闭环系统集成到其 3D 打印机中的公司。这家总部位于美国的制造商最近推出了其金属粉末床蓝宝石机器，据说由于集成的原位工艺计量，该机器可提供卓越的部件间一致性。这实现了闭环熔池控制，减少了变形的机会和零件之间的可变性。

速度和可扩展性

与打印速度和可扩展性有关的问题限制了 3D 打印系统的大规模生产潜力。但在这里，硬件制造商也在努力克服这个问题。以惠普为例：该制造商去年推出了 Multi Jet Fusion 系统，旨在扩大塑料零件的增材制造生产。迄今为止，MJF 机器已经生产了大约 350 万个零件，其中一半用于最终用途。

HP 最近还宣布了进入金属最终零件生产的计划，其中包括今年早些时候推出了 Metal Jet 机器。与同类金属粘合剂喷射机和 SLM 机器相比，该机器有望提高 50 倍的生产率。而且，着眼于满足认证标准，据说该系统能够生产符合 ASTM 国际标准的不锈钢零件。

支柱 #2：材料

材料是工业3D打印的第二大支柱。同样，该领域已经取得了许多进步，AM 兼容材料的范围涵盖金属、聚合物甚至陶瓷。然而，与成本和标准化相关的关键挑战仍然需要克服。

成本高

与传统制造方法相比，确保增材制造保持成本竞争力的必要性至关重要。然而，高材料成本是制造商面临的主要挑战之一。

在这里，也许最需要的是更大的合作。 Ultimaker 就是一个例子；这家开源桌面 3D 打印机制造商宣布与多家全球材料公司合作。

在最近接受 AMFG 采访时，Ultimaker 北美总裁 John Kawola 重申需要更多竞争来降低成本：“当今 3D 打印的现实是 FDM 机器的灯丝成本是大约每磅 50 美元左右，而注塑成型为每磅 3 美元。这是一个数量级的下降。但随着时间的推移，随着竞争的加剧、更多的发展以及对生产的更多关注，这种差距将开始缩小。”

标准化

另一个挑战在于缺乏3D打印的标准。与此相关的是当前的 AM 特定材料组合。虽然塑料相对成熟，但该行业期待更大的材料多样性，尤其是金属和陶瓷。例如，许多金属合金等级要么不可用，要么尚未开发用于增材制造。扩大增材制造材料组合以适应不同的行业要求，最终将允许跨行业更广泛的应用。

ASTM International 是一家标准制定组织，是致力于解决此问题的多个组织之一。该组织已与许多主要行业参与者合作推出增材制造卓越中心，重点是制定金属粉末标准等举措。

进入增材制造领域的材料公司的增加也正在解决材料多样性的挑战。这些新参与者带来了新材料产品，特别是在高性能热塑性塑料和轻质金属方面。

支柱 #3：软件

最后但并非最不重要的是，3D 打印的第三个支柱：软件。一家公司可能拥有生产所需零件的 3D 打印机和材料——但您如何保证生产流程的管理是精简高效的？您如何确保跨设施、部门和团队的完全可见性？

管理工作流程

这是软件发挥作用的地方。事实上，作为一种数字技术，3D 打印在很大程度上依赖于软件来驱动生产过程的每个元素。

OEM 和服务机构面临的主要挑战之一在于缺乏能够处理增材生产所需特定要求的适当软件系统。由于 AM 生产涉及减材制造（CAD 设计、分析等）不需要的步骤，标准 PLM 或 ERP 系统将不足以处理请求、CAD 操作和其他必要活动。就目前而言，绝大多数公司都坚持使用单独的软件包，这些软件包是为最终无法相互通信的不同功能而构建的。这对效率和可见性都有负面影响。

幸运的是，随着工作流管理软件的关键发展，该领域正在取得巨大进步。就其最基本的功能而言，此类软件有助于自动执行手动、面向客户端的任务，例如传入请求管理。然而，在最大程度上，像 AMFG 这样的软件也可以自动化生产任务，如构建准备和机器调度，并提供实时生产指标和洞察力。

除了工作流管理之外，仿真软件还有助于解决当前行业面临的许多挑战。例如，通过模拟来预测和分析 3D 打印过程，通过确保所有参数第一次都是正确的，可以帮助防止代价高昂的试错方法。

机器控制

也许最大的问题之一在于能够直接传输到生产设施中的 AM 机器并与之通信。这样做的好处是显而易见的：能够远程控制机器、实时评估产能等等。然而，绝大多数机器的开发并没有考虑到直接通信。为了让 3D 打印成为最终部件生产的一种方法，硬件制造商必须与软件开发商合作，以确保他们的机器对这种集成开放。

克服 3D 打印中的挑战

在过去十年中，增材制造在硬件、材料和软件创新方面取得了重要的里程碑。然而，将 3D 打印确立为一种制造方法的关键不在于其中一个的成功，而在于所有三个支柱的成功。

我们已经在硬件和材料方面看到了这一点，宣布了新的 AM 系统和为生产开发的材料合作。在软件方面，AMFG 正在努力确保增材生产的项目和生产管理自动化。

目前很清楚的是，行业将需要更紧密地合作开发真正的解决方案，以确保技术转向生产。只有专注于全面克服挑战，我们才能确保该行业继续朝着主流采用的方向发展。