3D打印的未來(lái)：疫情下透視增材制造新進(jìn)展

魔猴君  行業(yè)資訊   1683天前

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

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

卡特彼勒增材制造中心。來(lái)源：卡特彼勒

 疫情下的風(fēng)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(chē)等行業(yè)的高級(jí)3D打印應(yīng)用創(chuàng)造了眾多機(jī)會(huì)。在AMFG的2020年增材制造數(shù)字會(huì)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(yīng)用的方式。

開(kāi)發(fā)高性能材料的過(guò)程“并非易事”，這需要在各個(gè)方面進(jìn)行合作。因此，索爾維在過(guò)去的三到四年中一直致力于將過(guò)程理解和設(shè)備知識(shí)相結(jié)合，以便能夠?qū)⑦m合3D打印的高分子材料推向市場(chǎng)。如今，索爾維已被認(rèn)為是PEEK長(zhǎng)絲市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者，索爾維還在開(kāi)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(jì)也至關(guān)重要。在這一點(diǎn)上，仿真對(duì)材料開(kāi)發(fā)十分關(guān)鍵，仿真使工程師可以預(yù)測(cè)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(jì)，最終目的是改善其機(jī)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(jì)方面的知識(shí)，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(kāi)大門(mén)。在這方面，海克斯康旗下的復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)多尺度建模的仿真專(zhuān)家e-Xstream Engineering與全球性能工程熱塑性解決方案供應(yīng)商DSM合作攜手打造“First time right”的目標(biāo)：通過(guò)仿真結(jié)合材料特征對(duì)增材制造過(guò)程進(jìn)行模擬和零件性能預(yù)測(cè)，從而實(shí)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(jī)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(hù)有機(jī)會(huì)在Digimat中快速迭代建模結(jié)果。通過(guò)預(yù)測(cè)增強(qiáng)塑料部件的耐久性及其他性能，用戶(hù)免除了之前需要幾個(gè)月的迭代過(guò)程，而僅僅需要幾個(gè)小時(shí)，通過(guò)仿真手段減少試錯(cuò)過(guò)程，從而避免了數(shù)百次的反復(fù)測(cè)試所帶來(lái)的時(shí)間、財(cái)力的浪費(fèi)。

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

l 軟件和自動(dòng)化對(duì)于實(shí)現(xiàn)3D打印大規(guī)模定制應(yīng)用至關(guān)重要

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

隨著國(guó)內(nèi)對(duì)5G等新基礎(chǔ)建設(shè)的投入，5G對(duì)于高通量高密度數(shù)據(jù)的傳輸打開(kāi)了大門(mén)，從工業(yè)4.0的角度來(lái)看，將云集成到生產(chǎn)中可以實(shí)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(chǎng)云系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可靠且實(shí)時(shí)的通信，這就呼喚為制造行業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)計(jì)算平臺(tái)和應(yīng)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商愛(ài)立信共同開(kāi)發(fā)的“歐洲5G工業(yè)園區(qū)”的概念，這實(shí)際上是第一個(gè)全面的5G研究網(wǎng)絡(luò)，在亞琛園區(qū)測(cè)試新移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在生產(chǎn)控制與物流方面的應(yīng)用。

疫情絲毫沒(méi)有影響Fraunhofer前進(jìn)的步伐，歐洲5G工業(yè)園區(qū)于2020年5月12日啟動(dòng)了其無(wú)線(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)。歐洲5G工業(yè)園區(qū)正在創(chuàng)建一個(gè)全球范圍內(nèi)獨(dú)特的生態(tài)系統(tǒng)，以研究、開(kāi)發(fā)適應(yīng)5G的工業(yè)4.0技術(shù)。在這里，項(xiàng)目合作伙伴重點(diǎn)研究七個(gè)子項(xiàng)目中的不同應(yīng)用場(chǎng)景-包括監(jiān)視和控制高度復(fù)雜制造過(guò)程的5G傳感器，移動(dòng)機(jī)器人，物流和多站點(diǎn)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(jìn)入到生產(chǎn)領(lǐng)域，必須要符合制造對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量一致性的嚴(yán)格眼球，這取決于四個(gè)支柱：可追溯性、可重復(fù)性、準(zhǔn)確性和驗(yàn)證性。關(guān)于可追溯性，零件上需要具有序列號(hào)可使制造商追溯零件的制造時(shí)間，裝入零件的批次，并可以檢查零件以及加工過(guò)程中涉及的參數(shù)。關(guān)于可重復(fù)性，同樣重要的是要有一個(gè)可重復(fù)的系統(tǒng)，如果不使用可重復(fù)的系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，那么就不確定在構(gòu)建過(guò)程中所做的更改是什么，這意味著這個(gè)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(guó)際上，面向生產(chǎn)的需求，Velo3D開(kāi)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(jì)目的是為了用于生產(chǎn)工作，從零件加工過(guò)程模擬開(kāi)始，到生成加工策略，然后，通過(guò)各種過(guò)程控制，以確保在多個(gè)零件加工中保持質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性。確保提供機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)正常，零件完整性和構(gòu)建過(guò)程的可追溯性，Velo3D開(kāi)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(cè)過(guò)程異常，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)記，并顯示所需的糾正措施，從而避免重復(fù)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

國(guó)內(nèi)，安世亞太新一代3D打印金屬機(jī)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(shí)樣件生產(chǎn)過(guò)程，提前預(yù)判可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

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

關(guān)于可驗(yàn)證性，使用增材制造進(jìn)行生產(chǎn)的制造商必須能夠驗(yàn)證構(gòu)建參數(shù)。在這方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀(guān)察，國(guó)際上，Fraunhofer IPT的“高性能加工”部門(mén)的“ IDEA-數(shù)字工程和增材制造的工業(yè)化”項(xiàng)目為了解決用于增材制造的部件的制造過(guò)程仍然非常耗時(shí)且昂貴的痛點(diǎn)，針對(duì)當(dāng)前各個(gè)加工過(guò)程步驟在很大程度上彼此隔離并且涉及大量的人工干預(yù)。因此，將增材制造中的工藝步驟聯(lián)系起來(lái)，具有節(jié)省時(shí)間和降低制造成本的巨大潛力。Fraunhofer IPT的“高性能加工”部門(mén)通過(guò)整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)的數(shù)字孿生體技術(shù)，通過(guò)過(guò)程仿真，目的將制造過(guò)程的產(chǎn)品成本以及開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)時(shí)間將減少約50％。最重要的是，通過(guò)有效地耦合硬件和軟件激發(fā)過(guò)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(chē)，航空航天，軍事，矯正術(shù)，假肢的制造中時(shí)，用戶(hù)必須能夠驗(yàn)證自己的工作。如果不能的話(huà)，那就是在制作模型。類(lèi)似于Fraunhofer IPT的IDEA項(xiàng)目的努力不僅僅帶來(lái)了可驗(yàn)證的制造過(guò)程，還提高了不同工藝之間的銜接與自動(dòng)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(wú)法交付給客戶(hù)。由于效率低下，高度手動(dòng)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(huì)發(fā)生在質(zhì)量檢驗(yàn)站中等待檢查的滯留，然后再獲得批準(zhǔn)并運(yùn)送給客戶(hù)。

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(jì)高效且靈活的解決方案而備受關(guān)注，國(guó)際上，BigRep是一家致力于開(kāi)發(fā)大幅面塑料3D打印機(jī)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(kuò)寬了，通過(guò)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(shí)間可以從幾周縮短到幾天。

大幅面3D打印的顯著進(jìn)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(chǎng)觀(guān)察，工業(yè)領(lǐng)域的高速大幅面3D打印設(shè)備與服務(wù)供應(yīng)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(hù)可以提高從設(shè)計(jì)到制造的速度，為工業(yè)生產(chǎn)提供設(shè)計(jì)、3D打印、鑄造、熱處理、加工和檢測(cè)等各個(gè)階段的制造服務(wù)。

另一個(gè)典型的案例是美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的大幅面3D打印技術(shù)，在這方面ORNL曾與美國(guó)設(shè)備制造協(xié)會(huì)、國(guó)家流體協(xié)會(huì)等機(jī)構(gòu)共同開(kāi)發(fā)了全球首臺(tái)3D打印挖掘機(jī)。挖掘機(jī)動(dòng)臂長(zhǎng)約2.1米，重量約為181千克，是由ORNL新開(kāi)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(dòng)臂在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)為液壓零件預(yù)留好內(nèi)置的通道。

l 融資及新試驗(yàn)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(kāi)發(fā)商Velo3D卻成功新增籌集了2800萬(wàn)美元的資金，目前共計(jì)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(jī)供應(yīng)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(dǎo)企業(yè)的供應(yīng)商，Velo3D開(kāi)辟了一條針對(duì)金屬3D打印走向產(chǎn)業(yè)化的痛點(diǎn)來(lái)開(kāi)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(lái)自美國(guó)加州的企業(yè)Arris Composites獲得了4850萬(wàn)美金（約人民幣3.4億）的B輪融資，其目的是實(shí)現(xiàn)下一代大眾市場(chǎng)的連續(xù)纖維復(fù)合材料3D打印生產(chǎn)級(jí)應(yīng)用。

Arris Composites通過(guò)其專(zhuān)有的Additive Molding?制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度和輕量化復(fù)合零件的批量生產(chǎn)。通過(guò)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(jí)碳纖維材料。為了釋放應(yīng)用端的潛力，Arris Composites為企業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)協(xié)作和應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的軟件工具。應(yīng)用端可以通過(guò)Arris Composites的設(shè)備和軟件設(shè)計(jì)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(jiān)固、更輕。

新試驗(yàn)：微重力打印

5月5日, 長(zhǎng)征五號(hào)B（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“長(zhǎng)五B”）遙一運(yùn)載火箭在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)將我國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船成功送入預(yù)定軌道。試驗(yàn)船上搭載了一臺(tái)我國(guó)自主研制的“復(fù)合材料空間3D打印系統(tǒng)”，科研人員將這臺(tái)“3D打印機(jī)”安裝在了試驗(yàn)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(qiáng)復(fù)合材料的樣件打印，并驗(yàn)證了微重力環(huán)境下復(fù)合材料3D打印的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外航天器結(jié)構(gòu)的主要材料，密度低、強(qiáng)度高，開(kāi)展復(fù)合材料空間3D打印技術(shù)研究，對(duì)于未來(lái)空間站長(zhǎng)期在軌運(yùn)行、發(fā)展空間超大型結(jié)構(gòu)在軌制造，具有重要意義。

來(lái)源：3D科學(xué)谷