3D打印技术的最新进展

发布时间：2017-02-25 来源：控制工程网

　　还记得在2014年芝加哥国际制造技术展览会（IMTS）上，由3D打印零部件组装的汽车，从众多展品中脱颖而出，吸引了很多人的目光，这一切都得益于3D打印技术所取得的成果，所使用的机器和运动控制技术、以及材料科学所取得的进步。汽车车身材料为碳纤维增强聚合物，车轮和轮毂则由金属材料直接打印而成。整个过程花费44小时，包括40个部件。当打印完成后，首台3D打印汽车的试驾活动，吸引了众多媒体的关注和报道。
　　从此以后，随着技术的不断发展进步，3D打印持续成为制造业的讨论热点，获得了工业设计人员、生产制造商和工程教育人员的关注。
　　3D打印汽车的微工厂
　　在2014年的IMTS展览期间，辛辛那提公司的大面积增材制造（BAAM）系统，主要用于生产3D打印汽车。最近，他们出售了其中两套系统给总部位于美国菲尼克斯的Local Motors汽车设计公司，用于“微工厂”的生产。BAAM系统的工作范围最大可达 2.4 × 6× 2 米，大规模增材设备使用底盘、驱动器和激光切削系统的控制作为基础。BAAM由线性马达驱动，挤压融化的热塑材料，层层打印部件，相较于现有的增材设备，其速度可提高200到500倍，尺寸则提高10倍。
　　在占地不到4000平方米的厂区内，Local Motor的“微工厂”可以生产在高速路行驶的3D打印车、在公路上行驶的高档越野车以及社区电动车，每年的生产能力高达250辆。客户可以亲临微工厂，设计并采购汽车，然后现场就可以“打印”出来。Local Motor公司计划在下一个十年，在全世界建设100个这样的“微工厂”。
　　航空和医疗产业的3D打印
　　据IDTechEx的一份报告中指出，金属行业的3D打印市场增速最快，其销售额增速高达50%，材料销售增速超过30%。在高价值、低产量行业尤其是航空航天、生物医学，由于需要考虑如何快速制造不同的高精度零部件以及各种物料，目前更是充分利用3D打印技术的重点领域。因此，无论是医疗行业还是航空航天工业，都在投资诸如钴、镍和铝等合金，以便提供可生产和打印的多样性材料。
　　最近，GE航空集团和法国斯奈克玛公司向空中客车公司交付了首批装有3D打印燃油喷嘴的LEAP发动机。据悉，GE公司在阿拉巴马州投资了5000万美元建设新工厂，其主要任务就是使用3D打印技术生产新一代LEAP喷气发动机的燃料喷嘴，以及制造发动机的涡轮叶片。该发动机所使用的燃料喷嘴，由高温合金打印而成，而叶片则由钕碳复合材料编织而成。发动机还采用了部分轻、耐热陶瓷基复合材料（CMC）。通过这种途径制造的发动机，可以减少碳排放量，提高燃油效率。
　　“增材制造正在趋向为发电机涡轮叶片这类的更大尺寸金属件提供制造可能性，这一趋势可以在IMTS 展会现场一览无遗。”美国机械制造协会（AMT）副总裁Peter Eelman 先生说道。在2016年美国芝加哥国际制造展（IMTS）的AMT新兴技术中心设置了增材制造展示专区，共有19家企业带来包括金属、塑料等多种材料零部件的增材制造解决方案。

在新泽西自由科学中心，举办了一个名叫SARA的机器人展，这些机器人是由位于新泽西霍博肯的史蒂文斯理工学院的学生开发制造的。图片来源：史蒂文斯理工学院

　　在医疗行业中，3D打印被用于静态应用，如骨科植入物。它们也被用来打印牙齿、骨骼、复杂的结构，甚至用于教学的人类心脏模型。该模型旨在提供CT扫描无法提供的信息，帮助医生准备复杂的外科手术。在教学环境中，它们也大显身手，可以为医生提供具体的工作和实验，而不仅仅是抽象的概念。
　　面向教育的3D打印机器人
　　想象一下，遇到一个机器人，可以播放“西蒙说”、可以响应指令、甚至可以自拍的情景吧。在美国新泽西州的自由科学中心，通过一款名为SARA的机器人，任何人都可以做上述事情，甚至更多。SARA是由3D打印而成的机器人，具有完整的人形上半身，可以进行互动的。新泽西州霍博肯的史蒂文斯理工学院的学生开发了该机器人，它可以移动、旋转、举手臂，拾取物品和摆动手指。
　　LSC公司总裁兼首席执行官Paul Hoffman说，“我们的很多客人，都是初中生和高中生，年龄与史蒂文斯学院的学生相差不大。这尤其令我们兴奋，激发着我们年轻的客户，在社区内与史蒂文斯团队分享他们令人震惊的作品。”
　　基于法国设计师Gael Langevin和他的InMoov开源项目工作，SARA机器人是由计算机辅助设计（CAD）设计而成的。大约由100个部件组成，包括关节、“骨头”和其它用聚氯乙烯（PVC）塑料打印而成的机器人机械部件。
　　史蒂文斯原型对象制作（PROOF）实验室主任Kishore Pochiraju教授，与自由科学中心协调，举办了该项展览，吸引了大批年轻人参观该中心。
　　“我们非常高兴，能够把史蒂文斯学生的聪明才智，与我们自己的技术结合起来实现的一个有趣的应用，展现给不同的观众。”Pochiraju说，“我们希望它能吸引一些年轻人来参观科学中心，并让他们对科学和工程教育职业感兴趣。”
　　3D打印的制造业前景
　　随着3D打印越来越具经济性，制造业对3D打印的潜在商业收益也越来越感兴趣。2016年5月18日，西门子公司宣布与惠普公司结成了一项重要的合作关系。这两家公司将共同致力于推动将3D打印从原型应用到可用于完整生产的可行性研究。
　　此前一天，惠普正式推出了备受市场期待的3D打印解决方案，分别是HP Jet Fusion 3D 3200和HP Jet Fusion 3D 4200。据悉，这两款产品都在体素（voxel）的基础上实现了精度、细节和热力学方面的控制，3D打印速度提升了十倍，而每个打印对象的成本降至最低，材料的可重用性也大幅提升。其中4200被设置为具备更高的制造能力水平，可以满足从原型到短期制造等各方面的需求，甚至可以满足同日交付的业务需要。

在2014年度的IMTS 展览上，辛辛那提公司的大面积增材制造（BAAM）系统，被用于生产3D打印汽车。图片来源：辛辛那提公司

　　西门子的3D打印软件可以在惠普新的Jet Fusion 3D打印机上实现多种材料和多种颜色的3D打印。另外，西门子公司开发的软件可以最大限度的提高惠普3D打印机的成型精度，其软件能够进行打印控制，并将对于打印对象颜色和材料的控制延伸到体素水平。这些优势以及惠普3D打印机更快的速度和更低的打印成本，将使3D打印成为最终产品制造和研发的一个非常好的选择。
　　“3D打印正在为制造业带来一场工业革命，企业可以利用3D打印来实现创造性和创新型产品的开发。”西门子PLM软件的总裁兼首席执行官Chuck Grindstaff说道。
　　工业增材制造技术要想超越现有细分制造方式的状态，变成一种大面积普及的主流制造应用，就必须具备降低其成本和复杂性，并保持其较高产品稳定性的特质。以金属3D打印为例，打印出来的部件不仅需要广泛的后处理，而且在此之后还需要进行测试，以确保没有缺陷或者错误，避免在使用的时候出现问题。
　　为了更高效的解决上述问题，金属增材制造公司Sciaky最近开发了一种被称之为层间实时成像与传感系统（IRISS）的金属3D打印技术。IRISS可以对零件外形、机械性能、微观组织以及大型3D打印部件的金属化学性能提供一致的过程监控。该技术可以实时监测金属沉积过程，及时调整过程参数，以弥补在整个打印过程中的波动，从而减少制造后的检测时间，并能通过实时打印调整来改进最终产品的质量。通过IRISS技术将使电子束增材制造（EBAM）用户在打印大尺寸金属部件过程中，实现对几何形状、机械性能、微结构构建和金属化学等方面稳定、可靠地控制。
　　“增材制造已然成为未来制造业发展的重要趋势之一，虽然它并不完全成熟，但是技术发展之快，如果你忽略了3D打印，那么你可能就犯了一个大错误。”全球商业咨询服务公司的创始人David Burns说。
　　例如，Burns引用了3D打印对航空部件的重新设计，其中3D打印将每个部件的重量从7磅减小到2磅，并且提供更好的机械性能。每个部件节省5磅的重量，对航空公司来说，可能意味着每年节省上百万美元的燃油成本。
　　在另一个示例中，3D打印能够在用于注塑成型部件的工具中集成共形冷却通道。新设计减少了循环时间，减少了与变形相关的废品率，并且能讲生产率提高20％至70％。 此外，3D打印使设计团队能够将18个零件组合成1个单一组件，减轻了25％的重量，更重要的是，减少了维护问题。
　　“将3D打印的设计理念集成到工业应用中，需要完全不同的方法。你需要扩展你的思维，以充分利用3D打印的力量。” Burns说， “成本节约和生产效率的提高将来自于你还没有想象到的方式。”  
　　“将3D打印的设计理念集成到工业应用中，需要完全不同的方法。你需要扩展你的思维，已充分利用3D打印的力量。”
　　关键概念
　　■ 制造业将成为未来3D打印技术应用的重要领域之一。
　　■ 实时监控和反馈系统，将帮助用户提高大型金属3D打印的产品质量。
　　思考一下
　　增材制造是否正在“扰乱”传统的制造业市场或为你创造更多机会？
　　（作者：Chris Vavra）