增材制造超越桌面 3D 打印走向工业化生产

3D 打印正在长大。它如承诺般革命性，还是只是工具箱中另一件有价值工具 —— 或两者皆是？我们与 MakerBot 和铁锈带 3D 打印顾问对话，看看现状与走向。

3D 打印在专业和制造导向环境尚未发挥全部潜力，但增材制造工程师、顾问和学者表示那里有巨大健康成长空间。利用金属粉末创新的新技术和机器不断涌现。最大问题之一：技术能否从零件设计和原型制作宠儿，转为车间主力？能在更高产量级发力吗？阻碍其大规模应用的障碍是什么？

业内人士称各规模车间以多种巧妙方式使用这些 3D 工艺 —— 从定制工装夹具和模具到仅靠增材制造才能实现几何形状的功能性最终用途零件。

“CNC 车间用 MakerBot 等 3D 打印复杂结构，在铣床上以所需角度夹持装置以便加工零件，”3DDirections 总裁 Chris Barrett 说。“所以车间在用它做治具、夹具和一些工装。”

Barrett 受过化学家和物理学家训练，厌倦试管 —— 找到材料科学和工程。因在俄亥俄州，他接触传统制造和新兴增材/3D 打印技术。他凭借对两个世界的深刻理解创办咨询公司，专注于帮助企业在最合适处利用该技术。

注：Barrett 作为 Tooling U-SME 讲师，于 6 月 27 日在 Better MRO 举办增材制造网络研讨会，概述 3D 打印七大类别并讨论各类优缺点。回放见上方视频链接。主题含：

• 槽光聚合
  • 含光固化成型 (SLA) 和数字光处理 (DLP)
• 粉末床熔融 (PBF)
  • 含 SLS、直接金属激光烧结 (DMLS)、SLM、电子束熔融 (EBM)
• 粘结剂喷射打印 (BJP)
• 材料喷射打印 (MJP)
• 片材层压 (LOM)
• 材料挤出
  • 含熔融沉积建模 (FDM)

• 定向能量沉积 (DED)

“制造商和职能车间今天用专业 3D 打印机有多个关键方式，”MakerBot 工程副总裁 Dave Veisz 说。“企业用于工作场所组织 —— 帮助车间落地 5S 精益制造的零件、装配和测量夹具、零件夹持器、量规，高强度塑料足够的场景……您不会用于烤箱夹具等极高力或高温应用，但许多夹具工装应用效果良好。”

3D 打印关键优势：几何复杂度“免费”，Veisz 说。例如，设计夹取铸件的夹具，形状复杂。可在 CAD 中生成铸件几何逆模，修改适配应用，打印完美匹配。因 3D 打印成本和时间主要由零件体积驱动，传统制造难实现的复杂几何无额外成本。

金属 3D 打印、增材制造：谁在用？

使用金属粉末或高温热塑性塑料的增材制造主要用于航空航天国防领域 —— 理由充分：这些公司能负担研发投入，针对更小、有时复杂零件，有潜力降成本或缩交期。零件包括：环控系统复杂管道、风洞和无人机组件、燃料及其他液体罐、替代件、复合材料铺层。

“主要航空航天国防 OEM，波音、洛马、GE、诺格等大营收基数企业全在布局，”Barrett 说。“开始用的其他公司是生物医疗企业，今做钛髋植入物。但遇到的是成本。”

OEM 想招标外包给小制造商。挑战是标准未跟上金属打印件。FAA 航空航天零件标准，特别是大型客机，理应严格。需大量研究理解可接受微小异常与不可接受的区别。

目前，小职能车间或许能为 OEM 打印金属零件，但如 Barrett 所言，按标准每台机器只能用一种金属粉末 —— 限制昂贵。职能车间需灵活获利。

看一家航天国防制造商如何在 3D 增材领域找到利基。读“如何将 3D 打印零件推向航空航天市场”。

“好消息是未来 5 至 10 年标准将开始产生影响，”Barrett 说。“目前 NIST (国家标准技术研究院) 在此做大量研究。”

不限航天或植入物。其他医疗器械也在制造，如手持设备、医疗推车、手术导板工具，以及能源、交通、消费品类零件。油气领域生产转子定子零件。汽车业做面板、定制内饰、格栅。消费端想形式适配：眼镜框、预生产设计。

需要技术解答？在论坛问 MSC 金属加工技术团队。

MakerBot Method 瞄准专业市场和职能车间

首轮消费级 3D 打印采用期获得大量关注和牵引力的公司之一是 MakerBot。2013 年被 Stratasys 收购，近几年专注于超越爱好者和教育市场的研发。Stratasys 2015 年起为空客制造 3D 零件。

去年 12 月，MakerBot 发布面向专业市场的更先进 3D 打印机 Method，成本约入门级工业 3D 打印机三分之一。MakerBot 与 Stratasys 合作开发新机技术。Method 是 MakerBot 约三年来首个新硬件平台。

“这真正是我们作为 Stratasys 附属从零开发的首个平台，”Veisz 说。“结合 Stratasys 知识产权和深厚知识与 MakerBot 设计工程 DNA……缺一不可。”

Method 功能集完全不同，比桌面 3D 打印机更强健，官方称。功能集含：固体模型材料与可溶 PVA（水溶性塑料）双喷挤、金属 CNC 加工机身、干密封材料仓、循环加热腔创造温暖气垫以建立受控环境。每层添加见同一环境。

观看此集成网络研讨会看 3D 打印与 CNC 加工实战 [来源：MakerBot]

“这是数万美元起步工业 3D 打印机才有的，桌面界不见此，”Veisz 说。桌面 3D 打印机用爱好者架构，不提供可重复尺寸精度，不适合许多紧公差制造应用。

因桌面 3D 打印机打印环境不如工业级受控，精度和机器正常运行时间也受影响。大多数桌面 3D 打印机随 Z 方向升高，零件暴露于更冷环境，导致层弱化、零件变形不同。

Method 声称成品零件公差 ±0.2mm（前 100mm X/Y/Z 轴），超 100mm 尺寸按同比例缩放，即每毫米 0.002mm。

“虽非精密 CNC 加工公差，但对大多数治具、夹具、工装和原型工作足够，”Veisz 说。“且与生产级塑料注塑公差一致。大多数桌面 3D 打印无成品零件尺寸精度声明，MakerBot 过往机型也无此声明……多数桌面 3D 打印真无零件尺寸精度声明……值得注意的是这是我们首款真能因可溶支撑打印任意几何、且因机器功能和控制实现一致零件精度的打印机。”

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