制造业中的 3D 打印案例

近年来，围绕增材制造（和 3D 打印）进行了大量炒作。但这项技术真的适用于所有制造商吗？视情况而定。

从身体部件到房屋，3D 打印（也称为制造业的增材制造）已迅速从对消费者来说值得头条新闻的技术时尚转变为可行的、可访问的制造方式，例如医疗植入物、汽车和航空零件，和工业设计师的塑料原型。

究竟什么是增材制造？麻省理工学院技术评论将其描述为 3D 打印的工业版，其中机器“通过一层一层添加超薄材料来构建物体”。不同于从现有材料中减去或去除元素的传统加工工作（如传统的金属加工、铣削和 CNC 加工），增材制造从头开始构建。

增材制造有什么好处？它为公司提供了更广泛的选择来创新和定制制造以满足内部工具和客户零件和材料的需求，并通过“减少制造过程中的材料损失量、提高产品产量和/或减少劳动力投入”来降低成本。德勤大学出版社在一篇文章中详细介绍了工具的 3D 应用。

3D 打印：增材制造的采用率正在上升

根据普华永道和制造研究所的一项研究，大约三分之二的制造商已经以某种形式采用了该技术，超过一半的制造商已经将其用于原型设计——与两年前相比有了显着增长，这一比例为 35%尝试这项技术的制造商。

正如调查继续表明的那样，制造商认为围绕添加剂的快速增长只会加快速度。超过一半的制造商预计增材制造将在未来五年内用于大批量生产，而两年前这一比例仅为 38%。

金属增材制造市场支持这些发现。根据 SmarTech Publishing 的“2017 年金属粉末增材制造”研究，2016 年增材制造系统和金属粉末材料的市场规模超过 9.5 亿美元，预计到 2026 年将增长到 66 亿美元。

3D 打印、增材制造挑战：时间和成本

尽管围绕增材制造进行了巨大的炒作，但仍有一些局限性需要理解。首先，增材制造的生产速度可能很慢。在金属上通过 CNC 加工实现的产量并不是苹果对苹果的比较。

“对于金属来说，这是一个不同的问题，”Star Rapid 的创始人兼总裁 Gordon Styles 在接受 Engineering.com 采访时说。 “3D 打印任何专为 CNC 加工而设计的东西是没有意义的；打印自然会慢很多，因为打印时间是相对于材料的体积而言的。大多数为 CNC 设计的金属零件体积庞大，因此在 3D 打印机上需要很长时间。”

Styles 指出，有几家公司正在努力加快这一进程。但这种改进的技术将为企业带来另一个巨大的挑战：成本。增材制造价格昂贵，因此了解所有“成本杠杆”非常重要，高级制造产业战略顾问 Jason T. Ray 认为。

“由于 AM [增材制造] 的新颖性和购买机器所需的高昂前期投资成本，用例通常会变成寻找钉子的锤子，而不是成本效益驱动的过程，”Ray 在文章中指出“为 Disruptive 杂志计算增材制造成本”。 “当这种情况发生时，重新设计的重点就会减少，公司最终会生产最初为传统制造方法设计的组件，因此只能获得与增材制造相关的最终使用收益的一小部分。”

但正如诺丁汉大学的一份报告所发现的那样，情况可能不会永远如此。他们的理论：随着机器技术变得更加先进，在生产中采用添加剂的经济案例变得更加可行。但是，只要机器保持不变，成本就会继续居高不下。

“虽然我们今天受到限制，但 10 年后我们将看到数百种可用材料，”Styles 告诉 Engineering.com。 “问题不在于材料的可用性，而在于转换材料所需的时间和精力。今天大约需要 24 小时才能将机器转为一种新材料。”

然而，在某些情况下，CNC 加工可能比增材制造成本更高。但只有一种万无一失的方法可以找出答案。

“最好的方法是简单地从您的快速原型制作服务提供商处获取这两个流程的报价，”Styles 解释道。 “不过，一个经验法则是：如果零件可以进行 CNC 加工，那么 CNC 加工它可能更便宜——而且在 90% 的情况下，这是正确的。”

最重要的是，Styles 还强调了一些附加材料可能需要 CNC 加工的进一步工作，其中包括移除支撑。更重要的是，热量可能是所有问题中最严重的问题，从字面上看，它可能会撕裂产品。

工厂 3D 打印：塑料、零件、工具、混合

除了挑战之外，在塑料中进行原型设计时，增材制造可以带来一些主要的好处。在使用塑料进行原型制作的 CNC 加工时，问题在于其圆柱形刀具，这使得加工这些类型设计中常见的内部方角变得困难。借助 3D 打印，定制机会以及原型设计中的反复试验对产品、零件和工具设计师来说意义重大。

增材制造“非常适合需要快速周转并受益于节省设置、工具和类似准备时间的小批量生产，即使实际的每个零件时间可能比纯减材工艺高得多，”首席执行官 Bob Warfield 和CNC Cookbook 的创始人，在一篇关于混合加工（增材和减材工艺并存）的文章中。

零件和工具的增材制造案例

增材制造的实际用例值得关注。几家主要的工业制造商正在充分利用添加剂的潜力。以下是主要工业参与者的几个例子。

GE 希望通过多种方式为其每年生产的 LEAP 喷气发动机的 25,000 个燃料喷嘴节省资金。首先，添加剂技术在生产过程中使用的材料更少。麻省理工科技评论指出，传统技术需要对 20 个零件进行精心焊接，并且会产生大量报废和浪费的材料。

“[T]决定大规模生产用于数千架喷气发动机的关键金属合金部件是该技术的一个重要里程碑，”麻省理工学院技术评论的 Martin LaMonica 写道。 “虽然面向消费者和小企业家的 3D 打印得到了大量宣传，但在制造业中，该技术可能会产生最显着的商业影响。”

这里的增材工艺使用混合金属粉末，通过激光喷涂成型，从而使部件更轻，从而为航空公司节省燃料。对于制造商而言，该工艺的生产成本更低，而且新部件降低了客户的成本，从而实现了真正的双赢。

在模具方面，德勤为增材的使用提供了令人信服的案例——详细说明了通过增材工艺进行快速原型制作的实际示例，显着缩短了铸件和内部模具制造的交货时间。德勤介绍了福特汽车公司如何在其 EcoBoost 发动机、转子支架、变速箱盖和福特 Explorer 制动转子中主要利用添加剂。

“该公司使用增材制造快速制造用于铸造原型零件的砂型和型芯，”德勤指出。 “这帮助福特将交货时间缩短了四个月，并为公司节省了数百万美元。”

混合加工案例：加法和减法

说到混合，增材制造工具的制造商已经开始开发具有增材和减材能力的混合机器——而且它们非常引人注目。这些“混合”机器将 3D 打印的几何自由度与 CNC 加工的精确性结合在一起。

Warfield 写道：“想象一下，您需要生产极少量极其复杂的零件，例如维修设施中涡轮机的更换零件。” “像这样的 [混合] 机器可能是理想的选择。”

然而，使用这些新工具中的许多，制造商仅限于生产单个零件，而且通常不能直接从数字文件中生产——这是他们仅通过添加策略就能完成的。

“人们必须将金属 3D 打印视为一种解放技术 ，”斯泰尔斯强调。 “你现在可以设计看似不可能的零件，并且仍然可以制造它们，但关键是要将材料的体积保持在最低限度。”

对于大型制造商来说，添加剂正在产生影响。但正如德勤指出的那样，这种影响需要放在正确的创新背景中：

“目前，用于制造工具的增材制造并没有彻底改变供应链或产品设计，而是提高了供应链和产品的效率和有效性。然而，随着增材制造技术的不断改进以及增材制造在工具中的使用不断增加，它可能会通过提高公司的创新能力来更直接地影响公司的供应链和产品。”

您的商店是否已全面采用增材制造？您对这项技术的最大挑战是什么？请在下面的评论中告诉我们。