?“革命高潮尚未到來(lái)”是由德國(guó)機(jī)床制造商協(xié)會(huì)（VDW）在Metav展會(huì)期間舉辦增材制造研討會(huì)中的摘錄標(biāo)語(yǔ)，未來(lái)5～7年不會(huì)產(chǎn)生巨大的變化。基于對(duì)于增材制造（AM）需求的推延，涉及到整個(gè)金屬切削機(jī)床，其總需求量應(yīng)該明顯＜１%。
阻礙3D打印技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)的主要原因是成本和加工時(shí)間，增材制造優(yōu)勢(shì)是小批量加工以及復(fù)雜個(gè)性化和小型零部件的加工實(shí)現(xiàn)了無(wú)模具制造。除此之外，AM 技術(shù)還可以自動(dòng)生成孔槽，如飛機(jī)工業(yè)的輕型結(jié)構(gòu)件、內(nèi)冷卻通道等。由此，這些零部件在中等和大批量加工中的費(fèi)用可以相互抵消。
無(wú)工具、快速、低成本制造
“在談到工具或者金屬切削工藝，AM與傳統(tǒng)工藝相比，如果涉及到復(fù)雜零部件。增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了零件的無(wú)工具制造，具有加工時(shí)間短、生產(chǎn)成本低、制造周期短的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于復(fù)雜零部件，如渦輪的加工，可無(wú)關(guān)地與幾何形體對(duì)‘零件’進(jìn)行加工。”Voxeljet公司市場(chǎng)&應(yīng)用經(jīng)理Tobias King說(shuō)道。
該企業(yè)不僅是構(gòu)建體積達(dá)8?m3的工業(yè)級(jí)打印機(jī)生產(chǎn)商也是服務(wù)商，他們根據(jù)需求為客戶打印單件直至中等批量，造型的獨(dú)立性幾乎無(wú)極限。AM的設(shè)計(jì)自由性只是引人注意諸多方面中的一個(gè)因素。
飛機(jī)座艙扶手要盡可能少地使用材料，只有采用增材制造才能減輕重量
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“增材制造在加工過(guò)程中的柔性化和個(gè)性化具有很大的潛力，基于一個(gè)CAD模型便可以直接通過(guò)AM工藝生成零部件。與傳統(tǒng)工藝相比，由于放棄了專用貴重的刀具或者費(fèi)力的裝配作業(yè)，大大縮短了小批量的加工時(shí)間和減少了成本。AM排除了傳統(tǒng)工藝在造型方面的限制，使具有復(fù)雜外幾何形體和內(nèi)幾何形狀的零部件的加工成為可能。”IWFT工具和生產(chǎn)技術(shù)學(xué)院院長(zhǎng)Martin Reuber教授解釋說(shuō)道。增材制造還可以在如下方面發(fā)掘新的潛力：
● ?輕量制造：在保持相同或者甚至零部件的性能得到改善的前提下減輕內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重量；
● ?功能性：由于AM具有造型和設(shè)計(jì)的自由性，可以生產(chǎn)出更好的功能性零部件，如冷卻通道可直接集成到零部件之中；
● ?生產(chǎn)：由于具有高的柔性化和個(gè)性化，AM適用于原型制造和小批量制造，亦即個(gè)性化的批量加工。
采用AM可降低生產(chǎn)成本，比如在Bosch Rexroth鑄造廠，通過(guò)采用3D打印定制化的鑄芯，使個(gè)性化的小批量供貨時(shí)間明顯得到了縮短。“用戶僅需要將所希望部件的CAD數(shù)據(jù)傳輸過(guò)來(lái)，3D打印機(jī)將按照增材制造原理加工出所需的砂芯或者具有復(fù)雜幾何形狀的砂型。如果客戶不能提供數(shù)據(jù)也可以通過(guò)光電測(cè)量系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槿∠顺尚椭圃斓膫€(gè)性化模具生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)過(guò)程。由此，明顯降低了原型樣機(jī)和小批量的單件成本，縮短了從CAD數(shù)據(jù)組的收集到澆注成成品的流程時(shí)間。”Bosch Rexroth鑄造廠技術(shù)經(jīng)理Thomas Kuhn說(shuō)道。
“為此，我們認(rèn)為，未來(lái)幾年增材制造的費(fèi)用將可以得到明顯的改善，直至實(shí)現(xiàn)小批量的高效率生產(chǎn)，到那時(shí)從開(kāi)發(fā)和加工過(guò)程直至整個(gè)價(jià)值鏈才能確定采用全新的技術(shù)。”Bosch Rexroth制造工藝和工藝過(guò)程開(kāi)發(fā)工業(yè)應(yīng)用部門(mén)經(jīng)理Stefan Hoevel補(bǔ)充說(shuō)道。
盡管具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)與現(xiàn)代相比較還是沒(méi)有那么簡(jiǎn)單：傳統(tǒng)的加工，通過(guò)加工工件的數(shù)量可降低單件成本，零部件的復(fù)雜程度又會(huì)增加成本，而增材制造只需要通過(guò)相應(yīng)的曲線便可完成。正如Aachen Fraunhofer-ILT高級(jí)工程師和精英集群的Christian Hinke在2016鋼材論壇“高薪國(guó)家的集成生產(chǎn)技術(shù)”說(shuō)道：“目前增材制造的成本約為3歐元/cm3，這種加工價(jià)格還是很高的。”
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經(jīng)濟(jì)性有待改善
只有增材制造的經(jīng)濟(jì)性得到改善，增材加工技術(shù)才能得以推廣。按照Hinke的介紹，目前有兩項(xiàng)措施可以提高經(jīng)濟(jì)性：一是提高激光的功率；二是多個(gè)激光頭平行作業(yè)，即將多個(gè)二極管激光器平行設(shè)計(jì)放置。按照他的話講，這樣可以產(chǎn)生無(wú)限量的效率。
當(dāng)然，不僅研究院所還有企業(yè)工程師們都在為改善其經(jīng)濟(jì)性而努力地工作著。Concept Laser有限公司開(kāi)發(fā)了一種新型增材制造的質(zhì)量保障系統(tǒng)，用QM模塊Meltpool 3D監(jiān)測(cè)熔池的整個(gè)過(guò)程。在紅外線范圍內(nèi)熔化時(shí)，產(chǎn)生的熔池輻射通過(guò)傳感器同軸檢測(cè)，由此實(shí)現(xiàn)了用3D圖像直觀熔池輻射的大小和強(qiáng)度。該系統(tǒng)的掃描速度為10?kHz，3D顯示的分辨率為35?μm，將可能出現(xiàn)的誤差位點(diǎn)過(guò)程排列顯示。
增材制造使擁有大散熱面換熱器的生產(chǎn)成為可能
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選擇性激光燒結(jié)（熔化）金屬粉末
SLM Solution有限公司是一家知名的金屬3D打印設(shè)備制造商，他們專為大型零部件研發(fā)生產(chǎn)了激光熔化設(shè)備SLM500 HL，其結(jié)構(gòu)尺寸為500?mm×280?mm×365?mm。借助于選擇性激光燒結(jié)熔化設(shè)備可打印，如鈦、鉻鎳鐵合金、不銹鋼或者鋁金屬粉末材料，該設(shè)備擁有4臺(tái)700?W的激光器，可以模擬加工很多零部件。金屬粉末的顆粒直徑為10～45?μm之間，更確切地說(shuō)鋁材為20～60?μm之間，在最大掃描速度為10?m/s時(shí)，金屬粉末厚度為20?μm和75?μm。
德國(guó)著名激光設(shè)備制造商通快（TRUMPF）公司將產(chǎn)品定位在3D金屬打印機(jī)Truprint1000,通過(guò)一個(gè)200?W的激光器照射粉末層，金屬粉末厚度為20?μm，整個(gè)過(guò)程借助于實(shí)時(shí)圖像跟蹤控制系統(tǒng)。除此之外，通快還提供在線視覺(jué)支持系統(tǒng)，通過(guò)圖像、聲音和視屏即時(shí)與客戶交流。?
客戶往往出于各種原因選用增材制造，正如空客子公司Apworks總裁Joachim Zettler在鋼材論壇中說(shuō)道：“AM設(shè)計(jì)和制造工藝相比于傳統(tǒng)工藝使結(jié)構(gòu)更強(qiáng)、重量更輕、功能集成、耗材少、備件無(wú)時(shí)間拖延，無(wú)需倉(cāng)儲(chǔ)管理以及復(fù)雜幾何形狀零部件的生產(chǎn)。”這是他們使用3D打印機(jī)的依據(jù)。
“增材制造的設(shè)計(jì)采用自動(dòng)拓樸最佳化法，這在今天不算什么特殊的。”Zettler繼續(xù)解釋說(shuō)道。但是3D打印的設(shè)計(jì)能力成為了應(yīng)用的障礙，Apworks的客戶缺少掌握這種技術(shù)的員工。“與傳統(tǒng)工藝相比，這完全是另外一回事，為此人們還需要其他的工具。”Zettler說(shuō)道。
為了增材制造技術(shù)，Apworks與空客集團(tuán)共同開(kāi)發(fā)了被稱為Scalmalloy的合金，Scalmalloy是專門(mén)為3D打印而設(shè)計(jì)的材料，具有杰出的機(jī)械性能，其抗腐蝕性能強(qiáng)、重量輕，其強(qiáng)度與鈦相近，而在增材制造廣泛應(yīng)用的鋁硅粉末AlSi10Mg只有其一半的強(qiáng)度。另外，Scalmalloy合金具有很高的韌性，特別適用于具有安全極限的領(lǐng)域。
據(jù)Apworks稱，Scalmalloy合金是機(jī)器人、汽車和航天領(lǐng)域高效率金屬打印材料，加之與設(shè)計(jì)自由化的完美組合，通過(guò)金屬3D打印出意想不到的功能零部件，Apworks目的是提供符合航空業(yè)包括工業(yè)領(lǐng)域的質(zhì)量要求的產(chǎn)品。
增材制造生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)鋼材試件
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隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展及技術(shù)的不斷突破，除了這種技術(shù)的可能性和局限性還可以創(chuàng)造出完全不同的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，其可能性是無(wú)止境的，如果設(shè)計(jì)師還沒(méi)有體驗(yàn)到新的自由性，那說(shuō)明還不夠好奇，也就是說(shuō)AM的潛力還沒(méi)有被充分挖掘出來(lái)。“打印需要CAD數(shù)據(jù)，而客戶提供給我們的往往只是技術(shù)圖紙，借助于設(shè)計(jì)師的幫助再將圖紙轉(zhuǎn)化成3D數(shù)據(jù)，這樣常使設(shè)計(jì)師陷入設(shè)計(jì)局限性，沒(méi)有充分發(fā)揮AM的設(shè)計(jì)自由性。”按照TobiasKing更具體化的經(jīng)驗(yàn)，“以往是設(shè)計(jì)引導(dǎo)制造，還沒(méi)有做到功能優(yōu)先設(shè)計(jì)，如果開(kāi)發(fā)增材技術(shù)造形的自由創(chuàng)造性，我們就可以看到全新復(fù)合結(jié)構(gòu)的零部件。”
無(wú)論是技術(shù)還是人的因素，其發(fā)展結(jié)果都令人緊張期待著。迄今為止，專家的出發(fā)點(diǎn)是將生成式制造作為傳統(tǒng)制造的補(bǔ)充。
“目前媒體過(guò)度夸大了3D打印技術(shù)，媒體將3D打印稱之為下一次工業(yè)革命，我們不要把這種技術(shù)看作萬(wàn)能的，更多是將它比作為一個(gè)工具箱，把它應(yīng)用到正確的項(xiàng)目中，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。”King強(qiáng)調(diào)說(shuō)道。
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預(yù)測(cè)AM將出現(xiàn)小規(guī)模的革命
IWFT的Reuber接著說(shuō)道，對(duì)于不同的要求：“AM技術(shù)全部取代傳統(tǒng)的加工技術(shù)是不可行的，因?yàn)橐环N技術(shù)的適合性要通過(guò)符合應(yīng)用要求而體現(xiàn)出來(lái)，傳統(tǒng)的加工技術(shù)在一定應(yīng)用范圍內(nèi)仍然優(yōu)于增材制造。”他繼續(xù)說(shuō)道，“如設(shè)備技術(shù)不斷優(yōu)化進(jìn)步，AM的流程時(shí)間繼續(xù)減少，預(yù)測(cè)AM的大批量加工的經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)的工藝鏈，只要傳統(tǒng)工藝鏈還具有幾何形體零部件的可加工性。
一場(chǎng)未知曉的革命可能會(huì)出現(xiàn)，AM行業(yè)市場(chǎng)波瀾起伏、變幻莫測(cè)，3D打印機(jī)的前景正變得越來(lái)越不確定，市場(chǎng)和技術(shù)均未到成熟地步。人們需要在未知之處充分挖掘其潛力，即金屬打印材料在航空航天和醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。用以加工對(duì)于功能、重量或者幾何形體有很高要求的復(fù)雜設(shè)計(jì)的單件和小批量加工，其相對(duì)于費(fèi)用和加工時(shí)間的缺點(diǎn)相比可以抵消。?
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