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大唐盛世增材制造:金属3D打印从工艺到生产应用的最新发展趋势

Time: 2022-12-17 15:24:37

Author: Metal3dprinting - DTSS-3D printing one-stop servic

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3D金属打印实现了制造从等材、减材到增材的重大转变。3D金属打印则是增材制造技术,以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术,可以一次制造任意复杂的零部件。由于改变了切削、组装等加工模式,减少了加工工序,3D打印能大大缩短新产品、新工艺的开发成本与周期。3D打印体现了信息技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合,是我国制造业升级发展的重要方向。

今天小编为大家汇总一下,3D金属打印技术最新发展趋势、最新发展突破口及3D打印企业最新案例和资讯。



3D打印在航空航天中的应用案例

1. 3D打印静子件、转子件、叶轮

应用背景: 某型号涡喷发动机静子件、转子件试制; 某型号铝合金叶轮试制困难挑战: 采用传统工艺加工时,静子件转子件7~8万转/分钟爆裂; 叶轮结构复杂,采用传统工艺难加工解决方案: 采用金属3D打印设备进行打印材 料: 铝合金,镍基合金应用结果: 10万转/分钟时台架试验无明显变形,正在改装16万转/分钟试验平台; 叶轮性能符合测试要求。2. 3D打印芯片散热器固定件

应用背景: 航空航天领域芯片散热器 热交换量很大,导致散热器变形严重,影响散热效果和芯片的使用寿命。目前的解决方案是用热膨胀系数极低的钨将铜基散热器固定。困难挑战: 传统方法工艺流程复杂(原料→模具成型→烧结→机加后处理 ),加工周期长,多孔结构开模困难,成本高,后期机加工困难。解决方案: 采用金属3D打印设备进行打印材 料: 钨应用结果: 孔道结构设计更加灵活,加工周期大大缩短,无需后期机加工3. 3D打印无人机、定位导航外壳

应用背景: 国防科技大学 无人机、定位导航外壳困难挑战: 产品形状复杂,若采用传统工艺制造,成型困难、生产时间长、成本高解决方案: 采用尼龙3D打印设备,直接制造终端产品应用结果: 产品一次成型,轻量化,缩短生产周期4. 3D打印辅助研发设计:战斗机异形风管

应用背景: 美国Harvest, F18、F22战斗机异形风管困难挑战: 若采用传统工艺加工,形状复杂、成型困难,生产时间长,成本高解决方案: 采用尼龙3D打印设备应用结果: 产品一次成型,更加轻量化5.3D打印辅助研发设计:导弹部件、鱼雷等

应用背景: 图(1),某型号导弹部件,采用SLM技术3D打印,用于工艺、结构验证 图(2),某型号鱼雷模型,采用SLS技术3D打印,用于前期设计验证 图(3)、图(4),某型号固体火箭发动机点火装置,采用SLS技术3D打印壳体结构,用于前期设计验证困难挑战: 传统方法难加工复杂结构;加工周期长解决方案: 图(1),青铜材料,SLM打印 图(2)、图(3)、图(4),SLS打印应用结果: 实现复杂结构制造,加快航空航天、军工产品开发速度6. 3D打印离子推进器筛网

应用背景: 某型号火箭离子推进器 离子推进器,又称离子发动机,采用钛合金、钼合金制成。每个离子推进器有两个筛网,其主要作用是加速带电粒子困难挑战: 离子推进器的网孔通过光催化腐蚀法加工,存在的主要问题是工艺流程复杂,污染大解决方案: 采用金属3D打印设备,Ti64钛合金; 结构设计可控性强、工艺简单、材料利用率高、环境友好应用结果: 采用3D打印技术,将加工时间从传统腐蚀法的20h缩短至2h7. 3D打印发动机喷嘴

应用背景: NASA以降低未来发动机的制造复杂性、节约时间、减少制造组装成本的目的,不断测试越来越复杂的喷嘴、火箭喷管及其他零件。困难挑战: 传统方法难加工复杂结构;,须组装零件繁多。解决方案: 3D打印整体成型。应用结果:两个喷嘴分别进行了5秒钟点火试飞,产生了2万磅的推力。设计的氢氧旋混几何流型使燃烧产生的推力达到每英寸1400磅,温度达到6000华氏度。传统方法要制造163个单独零件然后再组装起来,但3D打印只需两个零件,不仅节约了时间金钱,而且造出的部件能提高火箭发动机性能,减少失败可能性。8. 3D打印热交换器

应用背景:用于换热器设计研究制造特点:重复的子单元可以形成几乎任何形状,冷却管内湍流冷却液可实现高效换热。材质:铝优势:紧凑可扩展设计可实现最大的热传递

航空巨头波音的一个新系统最近获得专利批准,该系统可实现按需3D打印飞机零件。波音及其客户可以使用该系统来订购飞机零件的替换件,由于3D打印技术的使用,替换零件的制造将更快、成本更低。新系统会在一个虚拟库中储存零件设计,客户可以据此打印。

3D技术为这个问题提供了一个有效的解决方案。波音的新系统将包括一个大型3D零件设计虚拟库、一个技术信息数据库和一个零件管理系统,管理系统负责记录客户提起的零件设计和打印方法申请。任何有权访问这个系统和规定3D打印机的客户都可以制造出所需要的波音飞机零件。

3D金属打印与大数据会碰撞出什么样的火花?

现如今,投资界纷纷将目光聚焦在移动互联网应用、互联网金融以及智能穿戴设备等项目,似乎它们将是一批风口上的“猪”。而小编将要阐述和挖掘的这座金矿,就是一头能真正能飞起来的“猪”--以3D打印和大数据为基础的分布式制造。这种制造模式将彻底打通互联网业和制造业,给人类带来深刻的社会变革。

新技术下的争议
3D打印技术,是先在计算机上设计好CAD三维模型,然后3D打印机将材料逐层叠加,最终生成产品。3D打印技术具有按需制造、减少废弃副产品、材料多种组合、精确实体复制、便携制造等多种优势。这些优势可以降低约50%制造费用,缩短加工周期70%,实现设计制造一体化和复杂制造。
目前3D打印技术已广泛应用于国防军工、航空航天、船舶汽车等工业领域,在建筑行业、医疗卫生、人偶玩具、服装服饰、食品加工等民用级行业则刚刚起步。
2012年4月,英国《经济学人》刊文认为,3D打印技术是第三次工业革命最具标志性的生产工具,该技术与其他数字化生产模式结合,将会推动第三次工业革命的实现。此论一出,反对的声音层出不穷。
最让业界耳熟能详的事例,莫过于富士康科技集团董事长郭台铭的“倒写论”。这位制造业的大鳄尖锐地指出,3D打印只是噱头,如果真的能颠覆产业,“那我的‘郭’字倒过来写”。
TCL董事长李东生认为,关于3D打印大部分说法言过其实,他不相信用3D打印技术能够做出一台电视机来,从哪个角度来看都没有可能性,这只是神话色彩。
比较温和一点的观点则认为,3D打印技术是现有制造业的补充和创新,而非完全颠覆性的革命。例如塞富亚洲投资基金合伙人阎炎说:“我不认为马上对产业会有革命性、风暴般的影响,但会逐步改变。它不像互联网技术、干细胞技术,深刻改变整个人类生存方式。
为什么《经济学人》与这些专家学者的观点有着如此大的反差?
单从产生制造工具的角度来看,3D打印技术的确只是制造业的补充,目前还存在一些技术上的缺点。
首先是精度不够高。在逐层制造过程中,虽然每个层次会被计算机软件切得很薄,但在一定微观尺度下,仍会形成一定厚度的一级级“台阶”,这就是所谓台阶效应。
其次是打印速度慢。3D打印受制于“三次方定律”,即随着体积的增加,打印时间、材料数量都会成三次方增长。如果想要打印两倍于原体积的物体,就需要花费8倍的时间和成本。
第三是机械强度差。受材料和成形技术的影响,一些产品的耐久性和可靠性还存问题,在长期应用、耐疲劳等方面是弱项。用于航空航天业、汽车制造业的金属3D打印除外。
除了上述主要缺点之外,目前3D打印技术还存在材料种类较少、材料昂贵、机器无法通用等问题。
沃顿商学院教授卡尔.乌尔里希(KarlUlrich)在《华尔街日报》撰写的一篇专栏文章中指出,“3D打印每个材料单位都必须层层叠加。所以,3D打印的速度很慢。”根据乌尔里希的说法,工厂中一台注塑机每15秒就可生产100个完美无缺的塑料勺子,但性能最强大的3D打印机每10分钟只能生产一个勺子,“这样使生产效率降低了4000倍。”由此看来,3D打印技术在批量制造中的确不占优势。

3D打印真正的颠覆性力量
那么,3D打印技术的优势倒底在哪里呢?为什么《经济学人》会认为“3D打印技术是第三次工业革命最具标志性的生产工具”呢?我们先来看看传统制造业的产生、销售模式是怎样的。
传统的制造和销售模式,是在工厂里通过流水线作业,将产品生产制造出来,然后通过线上的电商平台、线下的销售渠道(批发商、零售商)将产品发送到世界各地的消费者手中。主要缺点如下:
一是在设计阶段,存在大量设计作品浪费。厂家难以准确把握市场的具体需求,但又因为昂贵的开模费用,只得从众多的设计作品中挑选一个来生产,很多优秀的设计作品无法通过生产来实现价值。
二是在产品生产与流通过程中,会消耗大量的资源。在生产之前,原材料要通过物流环节运送到工厂;在生产过程中,主要采取模具铸造和机械加工等方法,其造型能力受制于所使用的工具,物体形状越复杂,制造成本越高;产品生产出之后,需要将产品运送到各地,会占用能源、交通、仓储、人力等很多资源。
三是在消费端,产品不一定能真正受到用户的喜欢。通过传统制造方式生产的产品,一般具有一定的刚性需求,但在创意、设计方面,却未必受到用户的欢迎。用户能接受,是因为没有更多的选择。特别是用户需要的个性化定制的产品,传统制造方式因为本成原因很难现实。
而解决传统制造业这些痼疾的最好方式,就是建立以大数据为支撑的设计师平台,结合3D打印“个性化定制”的优点,打造出遍布世界各地的分布式制造点。其主要思想如下:
3D打印目前存在的“打印速度慢、难以批量成品”的问题,可以通过分布式制造来解决。分布式的概念,在《第三次工业革命》的作者,美国经济学家杰里米.里夫金的思想中已有体现,只不过他提出第三次工业革命的代表是分布式能源。笔者认为,分布式制造与分布式能源并不矛盾,只不过一个是未来工业的生产方式,另一个是工来生产的原动力。幂派mip.ai,这个区块链3D打印平台,链接了全球的3D打印机,变成一个个制造节点。
在分布式制造的基础上,产品生产的单位时间消耗变得无足轻重,1万个分布式制造点生产出单个成品,与1万个成品在1个加工厂制造,其产能一样。而且前者无需仓储、物流的环节。
要打造分式制造点,要解决的核心问题之一,就是必须拥有以庞大的设计作品为基础的设计师平台。
在这个平台上,任何人即使不具备建模的知识,但只要有产品设计的创意,就可以和设计师及时进行沟通,设计出自己想要的数字模型,然后通过3D打印机来实现;另一方面,这个平台必须能够确保证设计师赢利,设计师的创造力、创意思维才能源源不断地发挥出来。
一旦解决了这些问题,互联网与制造业就可以彻底打通。有了完善的设计师平台,在人群聚集的互联网上,创新创新思想就可以得到实现;有了以3D打印机为工具的分布式制造点,可以为制造点周边的普通用户提供个性化定制的产品。
这些分布式制造点如何去打造,笔者认为有三种可能。
一是传统的小商品店、零售店,就是分布式制造点,比如文具店、灯具店、饰品店、眼镜店、蛋糕店等等,在当下和未来,都可以结合3D打印技术和传统制造方式,完成一些产品的实现,比如创意U盘、笔筒、灯罩等等;
二是具有创新能力的“创客”,他们将是未来分布式制造点的一个分支,他们可以完成一些新产品的实现;
三是具有一定经济实力的企业,他们能购置价格昂贵的工业级3D打印机,能生产制造出材料多样的汽车配件、建筑、装修、服装、鞋类等产品。
这种以创意设计平台与分布式制造的方式,将会形成一种全新的D2U(DesignertoUser)的商业模式。即线上的设计师直接与用户对接,从而省去大量的中间环节。

而3D打印产品本身,如果与大数据平台相对接,会产生更大的价值。下面以笔者团队研发的三维定制鞋为例,简单介绍一下这种产品的优势。
以大数据平台为基础的三维定制鞋是3D打印技术在垂直商业领域中的具体落地项目之一。通过对广泛人群的足部特征扫描、采样,将信息汇聚到云计算中心,形成规模庞大、可详尽分析的抽象数据,再结合3D打印定制化生产的特点和传统制造批量生产的优势,将虚拟的数据对象转化为实体成品。
精确的市场定位。人类的足部三维数据因地域、人种、个体特征等因素差异较大。传统的制鞋模式只能以尺码进行估计,无法对各类足部疾病,如平足、高足弓、先天性足部缺陷等进行长期的数据跟踪。而三维定制鞋加上大数据的模式,前端精确地对个体的足部形态进行数据采集,后端的分布式存储集群对海量数据进行汇总。用户可以利用大数据平台的查询检索功能,找到真正适合自己的鞋类,实现个性化定制;鞋类厂商则可以根据特殊人群的脚型数据,更加精确地批量生产。
良好的用户黏度。传统电商的优势主要体现在交易的便捷性,但用户在交易完成后,很少因为平台本身而产生依赖,同样服务质量的电商,用户的选择余地很大。而对于以人体大数据为支撑的平台,比如三维鞋类电商,则可以根据人的足部生长发育变化随时进行调整;不仅如此,一旦提供某个阶段的足部数据,用户就可以适应不同品牌、不同类型的鞋子。这两方面的特点,会使用户在线上线下不断地参与交互,所产生的用户黏度远远超过传统电商。
平台的垄断优势。大数据实施的对象是人,当某家公司掌握了足够多的人类数据时,也就意味掌握了足够多的变现可能,“谁掌握了大数据,谁就掌握了人类”。三维定制鞋与大数据平台的结合,是大数据落地的优良的入口。未来不论是鞋类厂商还是其他传统电商,想要获得用户的足部数据,都要依赖以大数据为支撑的三维鞋类电商提供支持;谁率先将这种平台推向市场,谁就拥有数据垄断的先机。
综上所述,一旦形成以大数据平台为基础的3D打印分布式制造模式,将会产生颠覆性力量:
冲击传统电商。现在的电商运营模式是,在网上促成用户交易,通过物流将产品发售到用户手中。而未来,分布式制造方式,虽然不能达到人手一台3D打印机的程度,但人们居住周围的分布式制造点,可以就近提供相应的产品。人们无需在网上下单,就可以在分布式制造点的电脑里选择数字模型,然后打印出来。按照目前美国的“每4公里范围内有一台”3D打印的普及程度,在中国这种人口众多的地方,分布式制造点的辐射范围,会大大缩短。可以预见,这种制造方式的影响下,未来电商的作用会大大缩减,只能销售3D打印技术无法完成的产品,而物流的作用,更多的体现在对3D打印耗材的配送上。
改变制造模式和就业模式。从政治经济学的角度来看,现有的资本主义生产关系的实质是以生产资料私有制为基础的雇佣劳动制度。资本家占有生产资料,包括土地、厂房、机器设备、工具、原料等等,由被雇佣的劳动者付出劳动获得薪酬。分布式制造方式的重要意义在于:生产工具(3D打印机)不再被少数资本家独占,每一个个体劳者拥有极大的生产工业化产品的能力,并且会极大地提升他们的创新创意能力,这种模式是对传统工业化大生产、特别是劳动密集型制造业的重要破突,将会极大的提升人类社会的生产力,会改变当前的产业结构,甚至社会结构。
3D打印技术的未来与前景
我们可以想象一下,未来的服装店,将会把顾客的身材数据扫描之后传输到云端数据库,配合设计师的设计方案,以最贴身、最舒服的结果,将产品打印出来。这种在家里就可以完成的服装设计、生产方式,值得各界广泛关注和思考。
当然,现有的3D打印技术,特别是桌面级的技术,还不能达到无所不能的程度,但同样也是遵守摩尔定律的,相信在未来5至10年,3D打印技术将会有巨大的突破。

增材制造技术:如何提高产品质量的一致性和可靠性

3D打印技术属于快速原型制造技术中的一种,是以数字化模型文件为基础,利用工程塑料、金属粉末等材料的可粘合特性,通过层层打印的方式来制造物体的快速成型技术。该技术是集CAD/CAM技术、数控技术、激光加工技术和新材料等技术领域的最新成果于一体的零件原型制造技术;属于一种新型加工工艺,与传统“减材制造”的机械加工方法不同,其采用逐层“材料累积”的创新加工方法,能够快速精确的将三维模型图转化为三维实体。

该技术能够大大简化产品的制造程序,缩短产品研发周期,提高研发效率同时降低成本,一度被认为是近二十年制造领域内的一个重大技术成果。本文主要基于一种利用激光烧结的金属粉末床熔合工艺,概述了一些必须实施的基本步骤,以确保产品/部件能够可靠地符合相关规范要求。

前期需要注意的事项

在激光熔化过程中可能存在150多个变量,因此,为了保证打印产品质量的一致性和可靠性,非常重要的一个方面就是检查这些可能存在的变量并考虑到最易控制的一些变量。

变量的来源包括但不限于:设备的光学部件机器所使用的成型材料;打印零部件的位置、方向;打印环境等。

以下是您在整个成型过程中的不同阶段应该考虑到的一些因素。推荐的最佳做法是保存一份清单以记录所有可能的潜在问题。

1原料

原材料(金属粉末)对成型的成功与否以及最终打印部件的质量具有重大影响。设备操作员需要确保所使用的原材料性能能够满足增材制造工艺的相关要求,例如材料的粒度分布,密度,化学成分和流动性等。

零部件制造商通常从打印机原始设备制造商处购买金属粉末,因为只有这样,零部件制造商和设备厂商才能建立更好的维修/维护合作关系。但一些金属打印粉末也可以从第三方供应商处购买以减少部分经济成本。

如果您更愿意与第三方粉末供应商合作,请确保在出现操作事故时机器保修不会被设备厂商单方面宣布无效(因为有些打印机设备厂商要求用户只能使用由他们提供的打印材料,否则一旦设备出现任何故障,则全部责任由用户承担,设备厂商不再提供免费维修服务,即使设备仍在保修期内)。

因此,在使用任何第三方材料之前,请咨询并获得设备制造商的批准。他们将帮助您确定第三方打印粉末材料是否符合机器的要求并具有增材制造工艺所需的特性。

一旦你收到材料,请务必审查并记录打印材料的细节信息,例如合金名称,材料供应商,材料一致性/分析证书或相关的测试报告等。详细记录整个成型过程中的细节信息将帮助您提高整个流程的一致性

2粉末材料的存储和处理

一旦从供应商处接收到金属打印粉末材料,需要妥善处理和储存。正确的处理包括记录粉末的名称,批次等重要信息,然后将粉末储存在湿度适宜并可控的条件下,值得一提的是,最好将粉末保存在其原始容器中。

你还应该记录原始盛装容器打开的日期。准确的记录这些信息并妥善保存在整个过程中至关重要,因为它有助于确保材料信息具有高度的可追溯性。粉末应在干净无潮的环境中处理,以避免污染和意外吸收氧气和氢气等杂质气体。

在处理粉末时请遵守所有的安全要求,因为它不仅会对操作人员造成伤害,而且还可能会造成由于超细颗粒引起颗粒云而引发爆炸的情况。材料安全资料表(SDS)是一份为每种粉末材料提供详细安全处理要求的文档,对于任何可能涉及到危险操作的工作人员来说,都是一个不错的参考标准。

3原材料的特性表征

对于原材料的性能特征,请仔细参阅供应?

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