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制造業3D打印機應用 從試制走向產品制造_0

未知 2019-06-09 14:04

  對于制造業,能否利用3D打印機制造產品和部件意義重大。目前,3D打印機還主要是用來快速、低成本地制造試制品。其效果雖然不小,但是,如果制造范圍進一步擴大到產品和部件,就有可能從設計階段入手,通過優化等創造出更高的附加值。本文將與大家一道來探索3D打印機作為產品和部件制造手段的實力與活用情況。

  從試制裝置發展為產品制造裝置3D打印機正步入一個新階段。

  在日本,某汽車企業正在考慮向市場投放能夠輕松定制內飾件等的新概念汽車。《日經制造》的采訪顯示,該公司設想的制造方法正是3D打印機。該設想如果得以實現,意味著市售汽車將會配備3D打印機制造的部件。

  智能手機上也出現了相同的動態。美國谷歌公司推進新智能手機開發項目ProjectAra(圖1)。其特點是把構成智能手機的各種功能模塊化,用戶可自由組合這些模塊,做成符合自己喜好的智能手機。而設想用來制造這些模塊的方法,就是3D打印機。實際上,該公司與大型3D打印機制造商美國3DSystems公司合作,開發出了生產效率高于以往的新型3D打印機。在未來,智能手機的功能模塊等有望實現大量生產,利用3D打印機制造模塊的時代正在一步步走近。

  設想是以模塊為單位進行組合。該公司還在與美國3DSystems公司合作開發高生產效率的3D打印機。出處:3DSystems公司

  不只是汽車、智能手機,今后,利用3D打印機制造產品的企業估計還會越來越多*1。

  *1現在已經出現了銷售利用3D打印機制造的產品實例。隨著成型服務和低價格3D打印機的普及等,3D打印機作為個人制造方式,存在感正與日俱增。與此同時,在互聯網上銷售3D打印機制造的產品的市場也在擴大。3D打印機制造的飾品、辦公用品等已經開始在市場上流通。與3D掃描相結合、為顧客制作肖像人偶的服務也在增加。

  為什么是3D打印機?

  提到3D打印機的運用,迄今為止試制是壓倒性的首要目的。希望達到的效果主要是縮短產品開發周期、削減成本,以及增加實物的研究次數,以提高品質。

  但在今后,像開篇介紹的那樣,利用3D打印機制造產品和部件將變得愈發普及。相對于試制用途,利用3D打印機制造產品和部件的優勢略有不同(圖2)。

  第一是縮短產品的交貨期。在設計已經實現三維(3D)化的今天,3D打印機的優點之一是能夠直接把設計數據作為制造數據使用。當然,在一次性大量生產形狀相同的產品時,模具成型更有利于縮短交貨期,但在數量少的情況下,3D打印機會占據優勢。而且,對于維修部件等難以判斷需求量和訂購時間的產品,可以及時生產,無需準備庫存。

  使用3D打印機(附加制造裝置)進行制造和使用簡易模具和金屬模具進行成型的比較,隨著數量的變化,經過天數(前置期)最短的方法各不相同。出處:《新制造業研究會報告》

  第二是產品定制容易。除去制作數據的工時,基本來說,無論是制作各不相同的物品、還是許多個一模一樣的物品,生產時間都完全一樣。這是因為成型時間主要取決于產品和部件的體積,或是沉積方向的高度,成型方法只起到很小的影響。也就是說,與現有的制造方法相比,3D打印機與定制產品的契合度要高得多*2。

  *2就定制簡單而言,切削加工機也非常優秀,但3D打印機能夠實現的形狀的自由度明顯更高。

  由此,即便是難以推測產量、可能只是少量(或單品)生產的產品,也可不必猶豫馬上展開銷售。如果利用3D打印具備的這些特點,可以做出前所未有的汽車和智能手機,不難想像,開篇提到的汽車企業和谷歌采用3D打印機,正是看中了這一點。

  而且,在汽車、智能手機之外,更適合利用3D打印機進行制造的用途是醫療。醫療用途有許多可以通過定制化大幅提高附加值的產品。用3D打印機制造這些產品,有望以低于以往的成本向客戶提供最適合的功能。

  還要考慮間接運用

  把3D打印機作為產品和部件的制造裝置大致有三個方法。(1)利用3D打印機直接造型;(2)利用3D打印機制作模具,(3)用3D打印機制作原型,然后通過轉寫獲得產品。

  除了利用3D打印機直接成型外,還可以制造模具進行成型,或是制造原型進行轉寫。后二者選擇材料的余地明顯更大,但有時會限制形狀的自由度。

  其中,(2)的模具,例如注塑成型使用的模具(型芯)是用樹脂和金屬制作的。這里,用3D打印機為試制品成型制作模具(試制模具)的方法是以前就有的*3。而最近,用3D打印機為實際產品成型制作樹脂和金屬模具的嘗試已經開始出現。

  *3還有企業利用3D打印機制作吹塑成型和沖壓加工的試制模具。

  以樹脂模具為例,隨著3D打印機能夠使用的樹脂材料的強度和精度的提高,在少量生產形狀簡單的產品的時候,已經可以使用3D打印機制作的樹脂模具〔蘇旺你(SWANY,總部:長野縣伊那市)代表董事社長橋爪良博〕*4。金屬模具方面,松下正在著手研究利用3D打印機進行制造。從能夠直接成型模具這一點來說,能夠制作砂型的3D打印機的利用也有望得到擴大*5。

  *4蘇旺你為了減少修改量產模具的成本和次數,縮短交貨期,使用3D打印機制作的樹脂模具,再利用與產品一樣的樹脂成型試制品進行評價,這是該公司3D打印機的主要用途。

  *5比如說,現在已經有多家公司推出了利用粘合劑固定粉末材料的3D打印機,其采用的成型方法非常接近使用木模固定砂型。3D打印機的吸引力在于不僅可以應對制造木模的熟練工的減少,還能對木模無法制造的砂型進行一體成型。

  (3)利用3D打印機制造原型的方法已經實際應用到了珠寶飾品、牙科技工等領域。用來制作轉寫至模具的原型,例如利用失蠟法鑄造金屬的蠟模等。提供蠟制材料和高消失性材料的3D打印機企業也已經出現。

  實力還不夠強大

  除了直接成型之外,通過活用包括在內的原型等模具,3D打印機作為制造裝置的可能性將大大得到拓展。但多數觀點認為,就目前而言,3D打印機的實力還不足以用來制造產品。必須要解決的課題還有不少。

  代表性課題有:①可以使用的材料種類有限;②成品的物理性質(如機械強度等)還達不到要求;③精度不夠。目前的情況是,3D打印機是從這些課題攻克的部分開始,逐步開始在作制造裝置之用的嘗試。

  比方說,樹脂類材料基本上局限于熱可塑性樹脂或是光硬化性樹脂。熱可塑性樹脂中,ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚樹脂)、PLA(聚乳酸)得到了低價位產品的廣泛采用,在面向高功能產品的領域,PC(聚碳酸酯)、PPSF(聚亞苯基砜)等高強度、高耐熱性樹脂也已經粉墨登場。其中還不乏接受了飛機部件和醫療等認證的材料。纖維強化樹脂(FRP)類材料也在開發之中。現在,雖然壽命有限,但利用3D打印機已經可以制作注塑成型模具,從而推動了上述樹脂的進化。

  其實,3D打印機可以使用的材料的種類還并不足夠。雖然出現了物理性質接近橡膠的成型材料,但其質地并非橡膠,因此存在彈性極限低、易發生斷裂的課題。光硬化性樹脂中雖然有透明、耐熱的材料,但熱可塑性樹脂還達不到這樣的水平。就連ABS的物理性質也不是與注塑成型使用的材料完全相同,這一點需要提起注意。

  解決用戶方面的課題

  那么,除了等待材料、以及裝置的改良,希望把3D打印機作為制造裝置使用的用戶難道就束手無策了嗎?非也。當然,用戶首先要準確把握3D打印機現在的實力,在此基礎之上,還有幾個可以主觀努力的地方。憑借這些努力,用戶或許可以領先其他公司,率先把3D打印機作為制造裝置使用,或是進一步提高產品的附加值。

  具體可以設想到的努力有三個方面。

  有些課題可以通過改進3D打印機、成型材料的進化得到解決,用戶可以通過自身努力解決的課題也不在少數。

  第一,把3D打印機視為種類繁多的制造裝置中的一種,靈活思考與其他制造裝置的用途劃分和和組合。如上所述,使用3D打印機作為制造裝置時,除了直接成型外,還可以使用3D打印機制作模具進行成型,使用3D打印機制作原型(主模型),待轉寫至模具后,再進行成型。企業需要從這些方法之中,選擇最適合自己產品的方法。

  而且,在希望提升產品的表面性狀的時候,還可以結合切削加工。其實,鑄造與切削加工的結合是一種常識。為了方便理解,大家可以把鑄造看作是使切削加工時間最小化的近終形成型。

  這一思路的進階版,就是在3D打印機的成型過程中加入切削加工。實際上,松下已經開發出將燒結金屬粉末的流程與切削加工的流程合二為一的裝置*6,將其應用到了模具加工。3D打印機成型的大多是復雜的形狀,在成型結束后,即使有意進行切削加工,能夠加工的范圍也非常有限。為了解決這個問題,沉積與切削加工要交替進行。DMG森精機也在Euromold2013展會上,展出了其他類型的金屬3D打印機與切削加工組合而成的裝置,今后,機床企業很可能會涉足這一領域。

  *6松浦機械制作所上市了金屬光造型復合加工機LUMEXAvance-25。

  反觀在結構材料等領域需求較高的金屬3D打印機,借助粉末材料品質的提高、以及直接燒結技術等進化,材質(純度)和密度近年來突飛猛進。近幾年進展卓著(近畿大學教授、工學部長京極秀樹)。在歐美,金屬3D打印機已經運用到了航空航天領域,在日本國內,日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)也在研究利用其制作火箭發動機等部件。

  關于金屬粉末,現在,高耐熱合金、耐腐蝕合金等新合金的需求大,粒徑的微細化、粒徑分布優化、添加防銹功能是亟待解決的課題。因為成型方法太過新穎,不少用戶都擔心成型品的質量穩定性和可靠性出現問題。

  樹脂材料和金屬材料雖然都存在著不少的課題,但是,3D打印機市場在未來有望實現快速增長,材料企業在今后估計也會增加對打印材料的涉足,擴大開發投資。使這些課題逐一得到解決。

  提高熟練運用的能力

  用戶需要努力的第二點,是提高熟練運用成型條件等的能力。就像機床一樣,用戶即使購置了相同的裝置,能夠實現的精度也各不相同。要想提高熟練運用的能力,首先需要詳細掌握裝置的基本配置。除了目錄規格之外,還要了解在不同的實際條件下,形狀的重現性和精度會有怎樣的變化。

  即便是自動化程度高的3D打印機,也并非沒有用戶可以干預的控制參數。比方說,在裝置所處環境(溫度等)的控制、沉積方向、添加支撐的方式、去除支撐等后處理等方面,用戶可以積累到技術經驗。

  把這些成型技術經驗反映到數據后,接下來的重點將是數據格式。現在,STL是事實標準,但這種格式只能表現形狀。為了消除這一缺點,AMF(AdditiveManufacturingFileFormat)標準目前正在制定。隨著AMF標準的出臺,用戶或許將可以在更上游定義操作裝置時的設置,或是實現成型條件設置作業的自動化。

  用戶需要努力的第三點是天馬行空地設計,也就是思考只有3D打印機才能實現的形狀。這是一項以制作產品為前提條件的舉措。

  以模具的冷卻水管為例,只有使用3D打印機制造,才能使產品具備最佳的三維構造(圖7)。在過去,用戶只能對直線水管進行組合,而使用三維水管的話,冷卻性能可以得到顯著提高。

  模具結構的可視化模型。藍色部分是冷卻水管,呈現出復雜的三維路徑。

  屆時,在結構物的特性和精度方面,應當關注的重點是3D打印機的性能是否符合用途的需要,而不是拘泥于過去的成型和加工方式的水平。這樣的話,就能夠最大限度地發揮出3D打印機的長處。(作者:中山力,日經技術在線!供稿)

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