福特汽车公司如何为汽车行业创新 3D 打印：Harold Sears 专家访谈

汽车生产的未来是什么样的？ 福特汽车公司可能有答案。

2018 年夏天，这家汽车制造商在密歇根州开设了先进制造中心。该设施占地 135,000 平方英尺，据报道价值 4,500 万美元，汇集了一系列技术，包括协作机器人、虚拟现实和增强现实。

3D 打印也将成为该设施的核心重点。不出所料，福特是 3D 打印的早期拥护者——在 1988 年购买了第三台 3D 打印机。

今天，该公司现在广泛使用 3D 打印作为其产品开发的一部分，并正在探索将技术集成到其生产线中的方法。先进制造中心将发挥关键作用，已经拥有 23 台工业 3D 打印机。

拥有 25 年的行业经验，Harold Sears 是福特增材制造技术的技术负责人。我们最近与西尔斯进行了交谈，以详细了解该公司如何为汽车行业创新 3D 打印。

在增材制造领域拥有如此广泛的职业生涯，您如何看待这些年来行业和技术的发展？

在早期，增材制造只是被视为生产人们可以查看的概念模型的一种方式。就是这样。

从那时起，它演变为提供更耐用的材料，可以制作和测试功能原型。

从那时起，多年来被称为快速原型制作的技术现在已经演变成我们所说的增材制造，其中 3D 打印技术不仅仅用于原型制作。

随着材料和工艺的进步和发展，增材制造现在正成为辅助生产应用和支持主流生产的工具。我们也开始看到一些正在生产的零件用于消费车辆的首批示例，因此现在生产零件来自这些 AM 系统。

这个行业从早期开始就取得了很大的进步。我什至可以说，过去五年的技术发展速度比前 10 到 15 年要快得多。 AM 已经变得更加实用，并且更多地成为日常工程和制造过程的一部分。

福特汽车公司是增材制造的早期采用者。公司今天如何使用 AM？该技术提供什么价值？

增材制造无疑已成为我们产品开发周期中的关键组成部分，支持原型零件的生产和围绕产品工程的开发练习。

虽然我们仍在继续支持产品开发和原型设计——我们每年生产数以万计的零件——但最近，我们一直在研究如何使用该技术来支持生产环境。

我们很高兴探索 3D 打印如何影响制造运营。我们的活动主要集中在两个关键领域：一是通过更高效的工具、夹具和固定装置支持当前的生产流程，并在制造领域实际使用这些流程。

此外，我们热衷于通过开发更符合我们需求的产品来推动 3D 打印行业更多地认识汽车。

总的来说，我们今天在增材制造领域看到的很多东西都是由航空航天和医疗行业驱动的。他们的需求与汽车的需求非常不同，因此我们希望引领行业朝着对汽车更有意义的方向发展。

这意味着推动更多的材料升级，为与我们感兴趣的零件类型匹配的机器创建构建包络，并大大提高流程速度。

您能否详细说明汽车行业的具体需求？

一个例子是拥有更多以汽车为中心的材料。

例如，许多 3D 打印工艺使用紫外线固化材料，汽车中的紫外线照射是一个需要考虑的严重问题。很难将在紫外线下固化的材料放入汽车中，在那里它会暴露在几乎恒定的紫外线下。

那么有没有办法控制曝光或在某个时间点后将其关闭？最终，至少对于汽车应用而言，承受日常紫外线照射的能力至关重要。

温度波动是另一回事。当材料持续暴露在大的温度波动中时，它们非常容易分解，这在汽车应用中非常典型。

我们有一套如今在汽车领域广为接受的材料。因此，我们真正希望看到的是该行业开始采用其中一些材料。这将使我们的测试和验证以及我们的应用程序使用更适合 3D 打印。

第二个要素是系统构建范围的大小。

任何车辆都由许多小部件组成，这些部件非常适合当今机器的构建外壳。但也有许多较大的组件在今天不太适合。所以我们真的很希望看到制造商考虑其他具有更大构建范围的系统。

最后一部分是机器的吞吐量或速度。

我们的产量与航空航天或医疗的产量有很大不同。因此，我们必须着眼于能够在几分钟或几秒钟内而不是几天和几小时内生产零件的系统。我们可以做的任何事情来推动技术进入更快的构建速度，这肯定也会对我们有所帮助。

对于解决这些汽车行业关注的领域需要多长时间，您有什么想法吗？例如，我们距离汽车零部件的大批量生产还有多远？

如果你在五年前问及 AM 机器的批量生产能力，答案可能是几百个，也许只是几千个零件。

但如果你和大约对于当今行业中的任何人来说，答案都会高得多——包含数以万计的零件。

我怀疑随着技术的发展，在三到五年内，答案将接近四百或五十万零件量。

虽然我无法给出我们正在努力的任何具体数字，但当谈到技术和批量能力的增长时，这些是目前业界普遍接受的感受。

您在福特期间有哪些 3D 打印成功案例？

我们将继续通过原型支持产品开发。这涉及生产数十万个零件，以帮助产品开发和加速测试和开发。

当你单独看那个空间时，公司已经获得了巨大的好处。例如，一个组件将在开发和工程阶段经历多次迭代。

传统上，工程师会设计一个组件，将该设计发送出去，制作工具并使用用于测试的工具。基于这些结果，设计或工具将被修改或以非常大的成本制造全新的工具。这个漫长的过程会一遍又一遍地重复。

但今天它几乎是产品开发过程的一部分。

工程师现在可以一次将一个组件的多个设计发送到 3D 打印店。这意味着它们可以同时生产并同时交给工程师。然后工程师可以离开并对它们进行并行测试。

所以最终我们看到的是一个非常快速迭代的过程，你可以通过一个非常快速的过程从七个设计减少到三个，再到一个。

这本身就提供了巨大的效率，既可以通过不必对工具进行多次迭代来节省成本，也可以在将产品推向市场时节省大量时间。

然后，当我们开始在制造环境中应用这些技术时，我们也看到了这里的高效率。

例如，通过为操作员制造更符合人体工程学的工具来帮助人们完成工作。这可能是一种软性好处，但如果操作员在工作时更快乐、更自在，那肯定会有所帮助。他们也会做得更好，这只会提高质量。

我们还在开发一些我们已经暗示但没有提供大量细节的应用程序。一个是在我们的制造环境中的应用程序，它将使我们能够节省超过 200 万美元。

因此，就将 AM 集成到制造环境而言，我们确实为能够利用该技术做一些重要的事情来帮助我们的流程做好准备。

您如何看待 AM 在未来 5 年的发展？

一年前，我曾说过金属增材制造会受到很多关注，现在仍然如此。然而，在聚合物或塑料方面也发生了一些重大的技术进步。我相信这两种技术会一起成长。

此外，对于这项技术来说，重要的事情之一就是了解它不能做什么。我永远不会将 AM 宣传为一种无所不能的技术，因为它不是。

因此，该行业正在认识到增材制造不能做的事情，以及它可以做的事情比今天大多数人使用的要多得多。

在福特，我们的重点是尝试探索它目前的功能，并随着技术的发展从中获得一些好处，并帮助将其引导到我们想要的地方将来去。

我们还应该注意哪些其他因素？

我认为就技术和机器而言，我们主要讨论了增材制造和 3D 打印。但除此之外还有两个额外的因素：软件和培训。

为了将所有这些部分组合在一起，像福特和其他公司这样的公司将集中精力培训员工使用增材制造设计 (DfAM) 方法——一种思考你的方法的不同方式设计。

总的来说，我们受过工程学校的培训，可以思考可以用传统工艺进行的设计。 DfAM 将要求人们开始以不同的方式思考他们的工作以及他们如何处理他们的设计。

软件将是其中的重要组成部分。像拓扑优化软件这样的工具传统上很难使用，所以问题是它们将如何发展成为未来使用更简单的产品。

衍生式设计软件正在受到很多关注。行业现在也是如此。但是，我们如何利用衍生式设计软件的功能，至少生成一个工程师可以开始将其变为现实的初始概念？未来需要解决这些问题以及更多问题。

因此，当您查看培训、软件和硬件演进时，这三者都需要紧密联系在一起，才能充分发挥这些技术的优势。

福特最近开设了其先进制造中心。您能否让我们深入了解该设施背后的愿景以及福特希望实现的目标？

至于设施的附加部分，我们专注于我提到的许多事情。这真的是关于推动技术，关于与供应商和供应商接触——并与我们一起踏上这段旅程。

例如，我们最近有几个一级供应商，并讨论了我们在技术方面的发展方向以及我们计划做什么。

因此，该设施是我们可以将许多这些互动结合在一起的地方：我们可以与 3D 打印供应商合作开发新工艺、设备和材料。

我们拥有灵活的场地空间，因此我们可以在 6 个月或一年的寄售基础上引进机器。我们可以设置并运行它，并提供有关该技术的应用程序使用的直接反馈。我们能够这样做来支持材料开发、工艺开发甚至全新的技术。

与此同时，我们真正将其开放为一个协作空间。如果我们有需要参与这些技术的供应商，而他们还没有，我们愿意将他们带到这个领域并说，“这是机器，让我们继续并开始制造零件更适用于您的业务以及我们需要您使用该技术做什么。”

福特 2019 年的下一步计划是什么？

我们对这个设施进行了大量投资，您会看到我们开始利用这项投资。

你会在未来看到更多关于将用于生产车辆的 3D 打印产品的公告，以及更多关于应用的公告，以及我们如何在制造领域使用它来提高我们的效率，帮助加快我们的产品开发周期、提高质量和推出新产品。

增材制造将继续越来越深入地融入我们企业的日常工作中。它不会成为常态的例外，而是会被更多人接受。