3D打印的未來：疫情下透視增材制造新進展

魔猴君  行業(yè)資訊   1615天前

盡管全球聚焦在與COVID-19病毒的流行斗爭中，3D打印技術(shù)仍在繼續(xù)其工業(yè)化進程。除外部因素外，新參與者繼續(xù)進入增材制造市場，而收購和投融資也在整個行業(yè)繼續(xù)發(fā)展。

AMFG在其2020年增材制造數(shù)字會議上召集了眾多3D打印專業(yè)人士和專家，根據(jù)專家的分享，3D科學谷與大家一起來感受3D打印的未來：疫情下透視全球范圍內(nèi)的增材制造新進展與行業(yè)努力方向。

卡特彼勒增材制造中心。來源：卡特彼勒

 疫情下的風云變幻

 材料與仿真的結(jié)合

高分子塑料為航空航天，醫(yī)療和汽車等行業(yè)的高級3D打印應用創(chuàng)造了眾多機會。在AMFG的2020年增材制造數(shù)字會議上，索爾維分享了用于3D打印的高性能塑料及其解鎖新技術(shù)應用的方式。

開發(fā)高性能材料的過程“并非易事”，這需要在各個方面進行合作。因此，索爾維在過去的三到四年中一直致力于將過程理解和設(shè)備知識相結(jié)合，以便能夠?qū)⑦m合3D打印的高分子材料推向市場。如今，索爾維已被認為是PEEK長絲市場的領(lǐng)導者，索爾維還在開發(fā)用于粉末床熔融工藝（例如SLS）的粉末材料。

由于了解如何處理材料非常重要，因此了解如何最有效地利用AM的設(shè)計也至關(guān)重要。在這一點上，仿真對材料開發(fā)十分關(guān)鍵，仿真使工程師可以預測材料在打印后的性能表現(xiàn)。仿真有助于優(yōu)化零件的設(shè)計，最終目的是改善其機械性能并防止零件出現(xiàn)故障。

只有結(jié)合材料，工藝和設(shè)計方面的知識，才能為產(chǎn)品生命周期的不同階段更可靠地使用3D打印打開大門。在這方面，?？怂箍灯煜碌膹秃喜牧虾徒Y(jié)構(gòu)多尺度建模的仿真專家e-Xstream Engineering與全球性能工程熱塑性解決方案供應商DSM合作攜手打造“First time right”的目標：通過仿真結(jié)合材料特征對增材制造過程進行模擬和零件性能預測，從而實現(xiàn)塑料3D打印領(lǐng)域更加可控的加工結(jié)果。DSM的高性能熱塑性解決方案和疲勞破壞機制的建模方法，以及e-Xstream的精確，便捷的仿真手段的結(jié)合，使用戶有機會在Digimat中快速迭代建模結(jié)果。通過預測增強塑料部件的耐久性及其他性能，用戶免除了之前需要幾個月的迭代過程，而僅僅需要幾個小時，通過仿真手段減少試錯過程，從而避免了數(shù)百次的反復測試所帶來的時間、財力的浪費。

仿真的主要價值包括：使最終用戶獲得輕量化的產(chǎn)品，降低成本并縮短產(chǎn)品上市時間，同時減少材料測試和原型制作要求。

l 軟件和自動化對于實現(xiàn)3D打印大規(guī)模定制應用至關(guān)重要

大規(guī)模定制使得制造商能夠經(jīng)濟高效地生產(chǎn)數(shù)十個批次的產(chǎn)品，而批量生產(chǎn)通常要生產(chǎn)數(shù)千萬個產(chǎn)品。這本身就是一個具有挑戰(zhàn)性的轉(zhuǎn)變，使用3D打印生產(chǎn)定制零件時出現(xiàn)的一個挑戰(zhàn)是如何識別在一個版本中打印的非常相似的零件。在這方面，先進的軟件和工作流程自動化對于成功使用3D打印進行零件定制至關(guān)重要。解決方案包括3D掃描、增強現(xiàn)實、使用QR碼和MES軟件來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和可追溯性。

隨著國內(nèi)對5G等新基礎(chǔ)建設(shè)的投入，5G對于高通量高密度數(shù)據(jù)的傳輸打開了大門，從工業(yè)4.0的角度來看，將云集成到生產(chǎn)中可以實現(xiàn)新的，更智能的和網(wǎng)絡(luò)化的制造流程鏈。5G可在工廠云系統(tǒng)中實現(xiàn)可靠且實時的通信，這就呼喚為制造行業(yè)設(shè)計實時計算平臺和應用程序。 

在這方面，可以參考的案例是Fraunhofer IPT弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究所IPT和瑞典移動網(wǎng)絡(luò)供應商愛立信共同開發(fā)的“歐洲5G工業(yè)園區(qū)”的概念，這實際上是第一個全面的5G研究網(wǎng)絡(luò)，在亞琛園區(qū)測試新移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在生產(chǎn)控制與物流方面的應用。

疫情絲毫沒有影響Fraunhofer前進的步伐，歐洲5G工業(yè)園區(qū)于2020年5月12日啟動了其無線5G網(wǎng)絡(luò)。歐洲5G工業(yè)園區(qū)正在創(chuàng)建一個全球范圍內(nèi)獨特的生態(tài)系統(tǒng)，以研究、開發(fā)適應5G的工業(yè)4.0技術(shù)。在這里，項目合作伙伴重點研究七個子項目中的不同應用場景-包括監(jiān)視和控制高度復雜制造過程的5G傳感器，移動機器人，物流和多站點生產(chǎn)鏈，分布式制造控制，區(qū)塊鏈，邊緣云等。

l 從3D打印到增材生產(chǎn)的四大支柱

3D打印進入到生產(chǎn)領(lǐng)域，必須要符合制造對產(chǎn)品質(zhì)量一致性的嚴格眼球，這取決于四個支柱：可追溯性、可重復性、準確性和驗證性。關(guān)于可追溯性，零件上需要具有序列號可使制造商追溯零件的制造時間，裝入零件的批次，并可以檢查零件以及加工過程中涉及的參數(shù)。關(guān)于可重復性，同樣重要的是要有一個可重復的系統(tǒng)，如果不使用可重復的系統(tǒng)進行構(gòu)建，那么就不確定在構(gòu)建過程中所做的更改是什么，這意味著這個層面的3D打印僅僅在構(gòu)建模型，而不是在生產(chǎn)零件。

在這方面，國際上，面向生產(chǎn)的需求，Velo3D開發(fā)了新的智能熔化粉末床金屬增材制造系統(tǒng)。該系統(tǒng)從的設(shè)計目的是為了用于生產(chǎn)工作，從零件加工過程模擬開始，到生成加工策略，然后，通過各種過程控制，以確保在多個零件加工中保持質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。確保提供機器運轉(zhuǎn)正常，零件完整性和構(gòu)建過程的可追溯性，Velo3D開發(fā)的Assure質(zhì)量控制系統(tǒng)面臨生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)τ谛?、質(zhì)量一致性以及加工穩(wěn)定性的需求，確保提供批量生產(chǎn)所需的零件質(zhì)量。它可以檢測過程異常，對其進行標記，并顯示所需的糾正措施，從而避免重復出現(xiàn)錯誤。

國內(nèi)，安世亞太新一代3D打印金屬機DLM-280基于SLM技術(shù)（選區(qū)激光熔化技術(shù)）利用數(shù)字孿生和模擬仿真建立虛擬（數(shù)字化）打印系統(tǒng)，可模擬DLM-280真實樣件生產(chǎn)過程，提前預判可能出現(xiàn)的問題，并對其進行優(yōu)化。

關(guān)于準確性，意味著需要完整的工藝鏈（包括后處理工藝）以滿足嚴格的公差。在更高的速度和更復雜的零件上，需要更好的過程控制來始終如一地生產(chǎn)高質(zhì)量的零件，同時減少后處理或返工。

關(guān)于可驗證性，使用增材制造進行生產(chǎn)的制造商必須能夠驗證構(gòu)建參數(shù)。在這方面，根據(jù)3D科學谷的市場觀察，國際上，Fraunhofer IPT的“高性能加工”部門的“ IDEA-數(shù)字工程和增材制造的工業(yè)化”項目為了解決用于增材制造的部件的制造過程仍然非常耗時且昂貴的痛點，針對當前各個加工過程步驟在很大程度上彼此隔離并且涉及大量的人工干預。因此，將增材制造中的工藝步驟聯(lián)系起來，具有節(jié)省時間和降低制造成本的巨大潛力。Fraunhofer IPT的“高性能加工”部門通過整個生產(chǎn)線的數(shù)字孿生體技術(shù)，通過過程仿真，目的將制造過程的產(chǎn)品成本以及開發(fā)和生產(chǎn)時間將減少約50％。最重要的是，通過有效地耦合硬件和軟件激發(fā)過程巨大的潛力。

Fraunhofer IPT的努力是必要的，如果將產(chǎn)品投入汽車，航空航天，軍事，矯正術(shù)，假肢的制造中時，用戶必須能夠驗證自己的工作。如果不能的話，那就是在制作模型。類似于Fraunhofer IPT的IDEA項目的努力不僅僅帶來了可驗證的制造過程，還提高了不同工藝之間的銜接與自動化能力，如果不考慮后續(xù)加工，3D打印完成的零件通常仍然經(jīng)常無法交付給客戶。由于效率低下，高度手動的后處理管理，因此容易產(chǎn)生在后處理步驟中堆積大量零件的現(xiàn)象，即使完成了后處理加工，通常會發(fā)生在質(zhì)量檢驗站中等待檢查的滯留，然后再獲得批準并運送給客戶。

l 大幅面3D打印持續(xù)成熟

大幅面3D打印作為制造大型零件的經(jīng)濟高效且靈活的解決方案而備受關(guān)注，國際上，BigRep是一家致力于開發(fā)大幅面塑料3D打印機的公司。大幅面3D打印使得3D打印適合制造的零件范圍極大的擴寬了，通過提供本地生產(chǎn)能力解決按需制造的挑戰(zhàn)。這意味著可以按需制造零件，并且交貨時間可以從幾周縮短到幾天。

大幅面3D打印的顯著進步，不僅僅體現(xiàn)在BigRep這樣的公司上。在鑄造領(lǐng)域體現(xiàn)得尤為明顯，根據(jù)魔猴網(wǎng)的市場觀察，工業(yè)領(lǐng)域的高速大幅面3D打印設(shè)備與服務供應商voxeljet-維捷是面向工業(yè)制造的代表性企業(yè)，在voxeljet的高效大幅面3D打印系統(tǒng)的幫助下，用戶可以提高從設(shè)計到制造的速度，為工業(yè)生產(chǎn)提供設(shè)計、3D打印、鑄造、熱處理、加工和檢測等各個階段的制造服務。

另一個典型的案例是美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的大幅面3D打印技術(shù)，在這方面ORNL曾與美國設(shè)備制造協(xié)會、國家流體協(xié)會等機構(gòu)共同開發(fā)了全球首臺3D打印挖掘機。挖掘機動臂長約2.1米，重量約為181千克，是由ORNL新開發(fā)的大型金屬零件3D打印設(shè)備制造的，打印材料為低成本的金屬，動臂在設(shè)計時已經(jīng)為液壓零件預留好內(nèi)置的通道。

l 融資及新試驗持續(xù)活躍

融資：Velo3D

盡管在全球冠狀病毒流行中全球大部分制造業(yè)處于半關(guān)閉狀態(tài)，但金屬3D打印技術(shù)的開發(fā)商Velo3D卻成功新增籌集了2800萬美元的資金，目前共計募集1.38億美元（近10億元人民幣）。Velo3D的發(fā)展非常迅速，近日他們又宣布成為SpaceX的3D打印機供應商，從2014年至今短短成立6年間，成為主流航空航天業(yè)領(lǐng)導企業(yè)的供應商，Velo3D開辟了一條針對金屬3D打印走向產(chǎn)業(yè)化的痛點來開發(fā)設(shè)備與軟件解決方案的道路。

融資：Arris Composites

4月的疫情期間，來自美國加州的企業(yè)Arris Composites獲得了4850萬美金（約人民幣3.4億）的B輪融資，其目的是實現(xiàn)下一代大眾市場的連續(xù)纖維復合材料3D打印生產(chǎn)級應用。

Arris Composites通過其專有的Additive Molding?制造技術(shù)實現(xiàn)了高強度和輕量化復合零件的批量生產(chǎn)。通過這種新工藝，可以以與塑料成型產(chǎn)品相同的速度生產(chǎn)高級碳纖維材料。為了釋放應用端的潛力，Arris Composites為企業(yè)內(nèi)部設(shè)計協(xié)作和應用工程團隊開發(fā)了獨特的軟件工具。應用端可以通過Arris Composites的設(shè)備和軟件設(shè)計和生產(chǎn)以前不可能的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品具有高度集成性，比金屬更堅固、更輕。

新試驗：微重力打印

5月5日, 長征五號B（以下簡稱“長五B”）遙一運載火箭在海南文昌航天發(fā)射場將我國新一代載人飛船試驗船成功送入預定軌道。試驗船上搭載了一臺我國自主研制的“復合材料空間3D打印系統(tǒng)”，科研人員將這臺“3D打印機”安裝在了試驗船返回艙之中，飛行期間該系統(tǒng)自主完成了連續(xù)纖維增強復合材料的樣件打印，并驗證了微重力環(huán)境下復合材料3D打印的科學實驗目標。連續(xù)纖維增強復合材料是當前國內(nèi)外航天器結(jié)構(gòu)的主要材料，密度低、強度高，開展復合材料空間3D打印技術(shù)研究，對于未來空間站長期在軌運行、發(fā)展空間超大型結(jié)構(gòu)在軌制造，具有重要意義。

來源：3D科學谷