企业如何判断该不该用增材制造来生产零件?

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发布时间:2018-10-29下载次数:65 次

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近年来,增材制造的工艺流程不断优化,适用材料品种不断增加,设备加工检测能力不断提升,制造效率、产品精度及质量获得稳步提升,随之相应的应用范围也在迅速拓展。

 

世界许多国家均在纷纷通过制定制造业发展战略、技术路线图等多种措施,来促进增材制造技术的发展与应用。

 

那么,对企业而言,是否所有的零件设计工作都应“积极响应号召”,“大刀阔斧”地采用增材制造技术来进行呢?

 

其实不然!

 

常言道“鞋合不合适,只有脚知道”,只有适合自己的才是的,切忌盲目跟风。

 

尽管增材制造引发的轰动与关注不容小觑,但与机械加工和注塑成型一样,增材制造也有其适用范围,采用之前也需要权衡利弊。

 

因此,为了满足独特的生产需求,企业须在增材制造、机械加工及注塑成型三者之间做出抉择。但前提是,要先搞清楚以下八个点:


八大要点

 

1. 待设计零件的用途是什么?

 

设计零件时,增材制造、机械加工及注塑成型之间应该作何抉择,这主要取决于待设计零件的用途。

 

RPM Fast总裁Jim Niekamp表示:“了解零件的用途非常重要。不管是出于简单的适配(Fit)、外形(Form)或功能(Function)考虑,还是作为生产零件,其用途不仅决定了其设计过程是否应该采用增材制造技术,还决定了应该采用的3D打印机技术类型。”

 

2. 待设计零件是否拥有重要特性?

 

壁厚、公差、零件尺寸、零件复杂度、零件数量削减、定制化等一系列因素,都会对是否采用增材制造产生影响。同时,任何一种增材制造技术也都会对零件特征产生不同影响。

 

例如,各种增材制造技术对壁厚和精度的控制能力不同,因此,如果壁厚或公差是待设计零件的关键特性,那么该零件就可能不太适合采用增材制造技术来设计。

 

倘若某部件是由多个零件组成,那么该部件就有可能非常适合通过增材制造技术来制造。

“一体化”散热器

 

Stratasys Direct Manufacturing解决方案工程合作伙伴Jesse Marin表示:“某些零部件现在确实难以采购,因此,设计师也会考虑进行零件整合。”

 

零件整合如果可行,就意味着生产商无须再通过多种渠道从提供商那里采购各种零件。其实,仅仅通过零件整合或组装整合就能精简的流程有很多。

 

Niekamp表示:“不过,将‘多零件’部件变成‘单零件’部件需要额外成本。”测试成本就是其中一项。

 

因为,若要确保新的“少零件”部件与之前的“多零件”部件具备同样的性能,就必须对它进行测试,具体测试要求视行业而定。不过,企业可以通过采购、精简流程、缩短生产周期等各种方法来抵消测试成本。

 

增材制造能够满足的另一个零件特征就是定制化需求。

 

Marin补充道:“还需要考虑的一个情况,就是有些零件的设计必须进行微调。”例如,高端飞机内饰部件或定制化医疗应用(患者因特殊性而无法选择特定的标准化产品)。

 

3. 采用其他方式设计是否非常复杂?

 

如果通过机械加工或热成型等传统制造方法进行制造时的零件设计极其复杂,那么就应该采用增材制造。从本质上讲,增材制造实现了设计自由。

 

Marin补充道:“当然,这并不是说增材制造能够实现绝对的设计自由,但它的确使得迅速进行更加复杂的人体工程学设计变得更加容易了。”

 

4. 待设计零件需要何种材料?

 

GE Additive的Addworks设计工程负责人Dave Chapin表示:“基于零件功能进行材料选择,是设计过程中的关键环节。此外,材料的选择也可以基于零件的基本作业要求,如作业温度、环境条件、机械(或物理)性能需求或成本目标等。”

 

“事实证明,就设计自由度而言,增材制造才是真正的赋能者,它能够真正颠覆性地解决设计问题。能够通过增材制造思维来解决设计问题的设计工程师,将具备惊人的设计灵活性。一旦设计获得成功,‘从设计到制造的优异路径’商业案例也就诞生了。”

 

虽然增材制造的一系列材料的可用性均在不断提升,但当前仍有局限性。

材料选择是决定是否采用增材制造的关键因素。并且,材料选择往往基于零件的使用功能。

 

Niekamp说:“材料规格表所指定的高温、刚性或柔韧性需求等各种特性指标都必须精确匹配,这势必会压缩可采用增材制造的部件范围。”

 

有人说,“ABS类”或“PLA类”增材制造材料不会满足所需的机械性能。这种观点往往是品牌营销的结果,并非都是正确的。

 

Niekamp说:“专有材料的特性确实非常优异,但很多提供商往往都蓄意保留其专有性。而‘类似’材料并不意味着它‘不行’或不合适。”

 

如今的材料技术高歌猛进,增材制造材料也取得了长足的进步。

 

Marin说,其实,有些增材制造系统是利用生产级热塑性材料进行3D打印的。不是“ABS类”,而是实实在在的ABS,只不过是以长丝的形式加工而已,这样的话,机器就可以为制造过程提供这种材料。

 

“我们利用聚碳酸酯、PC-ABS混合材料、ULTM 9085和1010材料都能进行3D打印,它们也都是CNC材料。如今,我们已进入了实际材料的时代。”

 

5. 您希望通过AM来降低哪些成本?

 

许多人都说,采用增材制造技术能够降低零件成本制作。采用增材制造工艺进行设计工作,能够减少生产、供应链、装配、检查等方面的成本。先确定哪一项成本是你的关注焦点,这样才能确定增材制造技术。

 

RPM Fast总裁Jim Niekamp表示:“采用增材制造时,建议各企业先把资源放在一边,然后再来考虑是否采用增材制造,或急于将产品推向市场。投资研发,抓住机遇,才能以独特的零件设计方法将竞争对手远远甩在后面,这一点最为重要。”

 

需要考虑清楚的是,零件的设计工作是否存在传统生产方式无法处理的方面。通常情况下,复杂的设计通过增材制造技术来处理。

 

另外,与功能相结合的设计,也采用增材制造技术。

 

6. 您需要制造多少零件?

 

增材制造技术生产零件的速度更快,但它们的“快”与传统生产技术不太一样。

 

对于小批量生产(常指≤10,000)而言,增材制造极具成本效益,尤其是涉及夹具和工装的生产。

 

7. 应采用哪种增材制造技术?

 

如今,增材制造已经发展出了光固化成型(stereolithography)、喷涂成型(material jetting)、选择性激光烧结(selective laser sintering)、电子束熔融成型(electron beam technology)等七种不同的制造技术,而新的增材制造技术也在不断地产生。

 

Chapin表示:“要想充分发挥各种增材制造工艺的设计优势,就必须深入了解每一种增材制造工艺的设计规则。”

 

一般来说,设计师所需要的并不是某种单一的增材制造技术,他们可能同时需要光固化成型和材料喷涂成型技术,甚至可能还需要第三种增材制造技术。

 

Marin说:“在那些对温度、能量转移或工作负载存在极高要求的极端情况下,增材制造技术的选择或许非常清晰、明朗,但大多数情况下,好的增材制造工艺选择往往都是技术组合。”

一旦设计师成功地开发出设计,“从制造业角度出发的路径’的商业案例也就诞生了。

 

8. 向服务提供商求助,or自给自足?

 

服务提供商可以快速交付原型或零件,但“自给自足”的增材制造却可以提高整个团队的设计能力。

 

二者各有利弊,究竟怎样抉择?

 

对着这个问题,答案越来越倾向于“两者兼而有之”。

 

需要考虑清楚以下几点:

 

你们公司需要采用增材制造技术的部门多吗?

 

你们公司需要采用增材制造技术的工作量大吗?

 

Neikamp说:“如果你们公司有一系列的产品都需使用增材制造技术,且你门在未来三年里能够通过增材制造技术来生产它们,而你又能保证3D打印机获得足够的工作负荷——即,使3D打印机的产能使用率达到75%,那么自建式增材制造将会是一个不错的选择。那么,你就需要部署足够多的设备,以充分发挥你的创造力。”

 

你们公司是否具备部署相应增材制造技术的资源?

 

Marin指出:“例如,部署一个完整的DMLS系统系统可能需要50多万美元,不仅需要购买硬件,还需要材料、系统必备、安装、培训、软件,以及确保机器能够正常启动并运行的资格建设,并且,每2-5个月就能够根据自己的系统部署专业知识随地进行轻松扩展,那么问题来了:你们有那么多的时间吗?”

 

还有一个因素就是,你想开发面向未来的自建式增材制造专业知识吗?

 

一旦设计师掌握了增材制造技术,就能够开发出独特的零件,从而使企业在行业竞争中立于不败之地。

 

Chapin表示:“供应链策略、设施可用性和适用性、零件数量、现有基础设施等诸多因素都会对此造成影响。话虽如此,但我们还是强烈建议企业能够与我们的服务中心联络,来打印零件样品并测试零件质量。”