用于零件整合的3D打印–終極指南

魔猴君  知識堂   394天前

如果算上每個螺母和螺栓，Acar大約有30,000個零件。每個部件都由世界各地的制造商分別制造，然后運(yùn)到一個地方進(jìn)行組裝。這是一個費(fèi)時費(fèi)力的過程，自汽車發(fā)明以來一直沒有太大變化。

Divergent 3D公司設(shè)計并制造的3D打印電動Czinger 21C超級跑車就是如此。通過將數(shù)千個零件整合為數(shù)百個零件，包括前后防撞結(jié)構(gòu)、整個前部結(jié)構(gòu)總成和排氣部件，Czinger 21C不僅減少了零件數(shù)量，還加快了生產(chǎn)速度，降低了重量，提高了功能性--0至65英里/小時加速僅需1.8秒。

只有3D打印技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)這種程度的部件整合。

從汽車和火箭到液壓系統(tǒng)和熱交換器，工程師們正在利用3D打印技術(shù)制造功能更強(qiáng)、效率更高、重量更輕、體積更小的部件，以取代多件式部件。讓我們來看看原因和方法。

一、什么是零件合并

這款鈦合金汽車排氣裝置經(jīng)過重新設(shè)計，從原來的20個零件（左）改為3D打印的一個零件（右）

從而節(jié)省了75%的生產(chǎn)時間（來源：3D Systems）

制造過程中的部件整合是指重新設(shè)計和想象，將組裝好的部件拆分成更少但更復(fù)雜的部件，然后作為一個整體進(jìn)行制造，無需組裝。

由于3D打印（也稱為增材制造(AM)）是逐層制造的，因此幾乎可以制造出任何形狀，以及形狀中的形狀，如內(nèi)部通道和格子填充壁。該技術(shù)讓工程師可以在制造過程中自由設(shè)計部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部輪廓，而無需額外的鉆孔和加工步驟。

通過利用金屬和聚合物AM技術(shù)的優(yōu)勢，并應(yīng)用專門針對3D打印技術(shù)的設(shè)計，可以生產(chǎn)出新的綜合產(chǎn)品。

Aidro的3D打印綜合液壓和閥門組件（來源：Aidro）

二、工作中的合并零件

具有內(nèi)部通道和外部輪廓的3D打印熱交換器，可實(shí)現(xiàn)更好的功能（來源：Conflux Technology）

火箭公司Relativity Space對其發(fā)動機(jī)和其他部件采用部件整合和增材制造技術(shù)，使制造火箭的部件數(shù)量比傳統(tǒng)制造的火箭少100倍，并且只需60天即可完成制造。該公司表示，"通過減少發(fā)動機(jī)燃燒室、點(diǎn)火器、渦輪泵、反作用力控制推進(jìn)器和飛行器增壓系統(tǒng)的零件數(shù)量，提高了任務(wù)的可靠性"。

該公司在設(shè)計火箭部件時，從一開始就考慮到了3D打印技術(shù)，利用機(jī)械、熱和其他優(yōu)化方法，制造出以前無法制造的復(fù)雜部件。Relativity Space公司在其整體部件中加入了內(nèi)部特征，如燃燒室內(nèi)的保形冷卻通道。

部分整合的阿麗亞娜6火箭噴射頭和Aeon火箭發(fā)動機(jī)（來源：EOS/Relativity Space）

航空航天領(lǐng)域的另一個著名例子是阿麗亞娜6號火箭噴射器噴射頭的3D打印，在減少噴射器噴射頭質(zhì)量的同時，實(shí)現(xiàn)了248個單個組件的部件整合。

EOS 3D打印機(jī)采用的快速成型制造工藝還意味著創(chuàng)新周期加快了。工程師可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)、設(shè)計修改和部件3D測試，而無需像鑄造部件那樣制作新的模具或工具。

航空航天領(lǐng)域有數(shù)十個零件合并的例子，因?yàn)檫@些高價值部件的制造非常專業(yè)化，產(chǎn)量低，而且需要昂貴的材料，如鈦合金。但是，日常制造商也可以利用3D打印實(shí)現(xiàn)的部件整合。

利樂冰淇淋公司是世界上最大的冰淇淋加工商和包裝商之一，該公司通過3D打印技術(shù)進(jìn)行部件整合，重新設(shè)計了用于擠出冰淇淋的噴嘴。以前，該公司將許多小型不銹鋼部件焊接在一起來制造新的噴嘴設(shè)計，這樣做既昂貴又耗時?，F(xiàn)在，噴嘴是用尼龍3D打印出來的，成本更低，速度更快。總體而言，噴嘴的零件從30個減少到3個，制造時間從8周減少到4周，而成本卻降低了60%。

利樂冰淇淋公司的產(chǎn)品組合經(jīng)理Elsebeth Baungaard說："像這樣采用3D打印技術(shù)的部件為我們帶來了競爭優(yōu)勢。""因?yàn)閮r格大大降低，而且我們的衛(wèi)生水平很高，我們的客戶可以在很短的時間內(nèi)生產(chǎn)出新產(chǎn)品。"

利樂的3D打印固結(jié)冰淇淋擠出歧管現(xiàn)在由30塊改為三塊，沒有可能積聚細(xì)菌的接頭或焊縫（來源：丹麥技術(shù)研究所）

部件整合的另一個應(yīng)用領(lǐng)域是幾乎所有需要熱交換器的部件。由于現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，3D打印技術(shù)改變了這些部件的設(shè)計。

據(jù)專門從事熱交換器和歧管制造的增材制造公司Conflux Technology稱，3D打印的部件整合使該公司能夠生產(chǎn)出重量和尺寸都大幅減小的整體結(jié)構(gòu)，從而使它們能夠適應(yīng)可用空間。這一創(chuàng)新技術(shù)已在電動汽車和電子產(chǎn)品中得到應(yīng)用。

另一家專業(yè)的液壓添加劑制造商制造的部件突破了傳統(tǒng)制造部件的限制。桌面金屬公司（Desktop Metal）旗下的Aidro公司生產(chǎn)的3D打印閥門和歧管將多個部件整合為一體，實(shí)現(xiàn)了更快的生產(chǎn)和更好的性能。

Aidro對圖中的旋轉(zhuǎn)閥閥蓋進(jìn)行了重新設(shè)計，通過增材制造改進(jìn)了內(nèi)部路徑和流量優(yōu)化，從而在減輕重量的同時提高了性能。在這種情況下，為了降低運(yùn)輸和裝卸成本，減輕重量對于海底應(yīng)用尤為重要。在下面的3D打印液壓閥體中，內(nèi)部設(shè)計得到了改進(jìn)，以獲得更好的流動路徑。

整合和3D打印液壓閥體（來源：Aidro）

三、零件合并的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

這個使用nTop軟件進(jìn)行零件整合的示例采用了42件組件并將其優(yōu)化為單個零件（來源：nTop）

將零件制作成一個整體有一些明顯的好處，也有一些隱藏的好處，還有一些潛在的缺點(diǎn)。

合并組件可以省去裝配過程中的時間、人力和潛在的人為錯誤。它們省去了螺栓連接、螺絲擰緊、焊接或其他可能給整體結(jié)構(gòu)帶來弱點(diǎn)的連接方法，并消除了部件之間可能出現(xiàn)的對齊問題或公差不一致。

通過快速成型制造進(jìn)行零件整合，可以集中生產(chǎn)，消除零件供應(yīng)鏈和企業(yè)需要應(yīng)付的生產(chǎn)合作伙伴數(shù)量。

在快速成型制造中整合部件的總體效果是提高安全性和性能、加快制造速度、減少浪費(fèi)和降低成本。

優(yōu)點(diǎn)

減少材料用量

消除接縫和接縫故障風(fēng)險

降低生產(chǎn)成本

減少對焊接等熟練工的需求

簡化了制造流程，因?yàn)橐慌_機(jī)器可以制造多個零件

產(chǎn)品上市速度更快，因?yàn)榭梢钥焖俚a(chǎn)而無需重新加工

減少庫存，因?yàn)榱慵梢园葱璐蛴?/span>

在現(xiàn)場或技術(shù)服務(wù)局進(jìn)行本地化生產(chǎn)

降低供應(yīng)鏈風(fēng)險，因?yàn)榱慵稍诂F(xiàn)場或?qū)I(yè)服務(wù)機(jī)構(gòu)制造

缺點(diǎn)

為增材制造重新設(shè)計需要大量時間和投資

制造復(fù)雜形狀需要更長的時間

某些快速成型技術(shù)的后處理步驟較長

某些零件可能需要冗長的支撐拆除步驟

零件尺寸受限于3D打印機(jī)的構(gòu)建腔尺寸

需要新的零件檢測流程

整合后的零件可能仍需要進(jìn)行一些機(jī)加工

編譯整理：ALL3DP