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什么是增材制造?

增材制造是一种先进的制造解决方案,在许多工业应用中呈上升趋势。但是你知道这项技术到底是什么吗?

增材制造 (AM) 不仅仅是一种工艺。这是一个完整的工作流程,可以影响从设计到制造的产品开发。让我们深入了解增材制造的工作原理、可以在哪里使用以及未来可能带来什么。

增材制造如何工作?

在我们了解增材制造的工作原理之前,我们首先必须了解增材制造是什么。

增材制造通常的工作流程包括几个步骤:

  • 设计/印前准备
  • 3D打印
  • 后期处理

这些步骤中的每一个本身都包含一个工作流程,但这些一般步骤列出了基础知识。要充分考虑增材制造,我们必须考虑将决定结果的三个因素:硬件、软件和材料。

在这些领域中的每一个领域进行正确的选择对于确保应用程序的成功都是必不可少的——而且这些选择通常会在不同的用例之间发生变化,即使在同一家公司内也是如此。这可能就像有时选择 PLA 材料和有时选择 PA6/66 一样简单,但调整材料需要调整软件以对 3D 打印机进行编程并调整其打印参数,等等贯穿整个过程的每一步。
本质上,3D CAD 文件与要创建的设计一起创建。然后将该文件发送到3D 打印机以进行实际打印作业。打印作业完成后,从 3D 打印机中移除构建并开始后处理,包括移除支撑材料或平滑表面,以及任何其他所需的整理工作(例如,烧结、染色、组装)。

增材制造和 3D 打印有什么区别?

虽然“增材制造”和“3D 打印”经常互换使用,但这些术语具有不同的含义。有两种方法可以理解差异:
从技术上讲,3D 打印是增材制造工作流程的一部分,如上所述。AM 还涉及端到端制造的设计和后处理步骤。通俗地说,“增材制造”用于指代这些技术的更多工业用途。
实际上,尽管这些术语之间存在差异,但只要与您交流的任何人都理解参考,就可以使用其中任何一个。

3D打印技术

几个不同的过程属于“3D打印”的范畴。所有这些都是构建零件的增材技术,通常是在逐层过程中。
标准机构 ASTM International 正式认可 ISO/ASTM 52900 标准中的七种增材制造工艺。Terry Wohlers 列出了这些包括:

  • 材料挤出:一种增材制造工艺,其中材料通过喷嘴或孔有选择地分配
  • 材料喷射:一种增材制造工艺,其中有选择地沉积构建材料的液滴
  • 粘合剂喷射:一种增材制造工艺,其中选择性地沉积液体粘合剂以接合粉末材料
  • 片材层压:一种增材制造工艺,其中将片材粘合形成零件
  • 桶光聚合:一种增材制造工艺,桶中的液体光聚合物通过光活化聚合选择性固化
  • 粉末床融合:一种增材制造工艺,其中热能选择性地融合粉末床的区域
  • 定向能量沉积:一种增材制造工艺,其中集中的热能用于在沉积材料时通过熔化来熔化材料

当今可用的大多数 3D 打印机,以及几乎所有市售和最常用的 3D 打印机都属于这些类别之一。研究人员不断开发新方法,ASTM F42.91 术语小组委员会定期审查他们的分类,以在出现新的可行工艺时考虑任何潜在的补充。

增材制造与传统制造

传统的制造技术包括成型、CNC 铣削、焊接、车削、成型和许多其他众所周知的工艺。了解传统减材制造工艺和增材制造工艺之间差异的最简单方法非常简单:它们实际上是相反的。
CNC 铣削等减材工艺从一块材料开始,然后去除材料,直到获得所需的几何形状。相反,在增材制造中,材料被构建并添加以创建该几何形状。AM 能够产生比以前更复杂的内部结构。例如,虽然传统技术必须在多个部件中创建复杂的对象以供以后组装,但 3D 打印机可以将复杂的对象创建为单件。
应用领域为决定使用增材、减材或两种制造技术类型的混合方法提供依据。例如,增材制造非常适合生产高价值、小批量的零件。另一方面,注塑成型等传统技术在低价值、大批量生产中更为可行。

增材制造设计

与传统技术设计相比,3D 打印的设计考虑不同。增材制造设计(DfAM) 考虑了构建零件的需要,而不是减去材料或创建模具。

简单地将现有零件的设计文件转换为 3D 可打印格式并不能保证可打印性。即便如此,这部分的传统制造方式可能仍然会更好,因为它还没有针对 3D 打印进行优化。优化 3D 打印设计是更好地利用 AM 所提供的优势的有效途径。
在许多情况下,现有软件已更新能够特定用于 DfAM 的方法。这种必要性体现在例如确保 3D 模型是无懈可击的上面。其他考虑因素包括创建支持、构建板上的方向以及整体可打印性等。

从一开始就专门用于DfAM的新的软件产品也出现了。DfAM的方法越来越常用于人工智能(AI)和增强现实(AR)齿轮软件中。这些技术包括参数化建模、拓扑优化和/或衍生式设计。通过这样的设计方法,软件能够实现输入参数的自动化。

从一开始就专门用于DfAM的新的软件产品也出现了。DfAM的方法越来越常用于人工智能(AI)和增强现实(AR)齿轮软件中。这些技术包括参数化建模、拓扑优化和/或衍生式设计。通过这样的设计方法,软件能够实现输入参数的自动化。

不同行业的增材制造

增材制造在全球越来越多的行业中得到更为广泛地使用。

汽车

从原型设计开始,主要汽车供应商几十年来一直在使用 3D 打印技术。这一技术正作为汽车原始设备制造商 (OEM) 的 3D 打印原型、夹具和固定装置、工具和最终用途零件,金属和聚合物技术等发挥作用。

航天

由于该技术的一些关键优势,航空航天非常适合 AM 和 3D 打印。其中包括减少零件数量、轻量化现有设计、创建更复杂的内部结构和优化性能的能力。特别是金属 3D 打印在航空航天工业的零件生产中呈上升趋势。

消费品

原型、成品和备件都越来越多地在消费品领域进行 3D 打印。从玩具和游戏到小家电,当它进入消费者手中,增材制造很可能在生产流程中占有一席之地。

研究和教育

“3D 打印”一词最早出现于 1980 年代的麻省理工学院。这项技术的根源在于研究和教育。研究人员经常尝试从纳米级到外层空间结构的新工艺、独特材料和尖端应用领域。教育机构领导了许多研发计划,甚至幼儿园的学生教室里也能找到 3D 打印机。

承包制造行业

在承包制造业务中,增材制造的工业用途也在增加。服务提供商提供对工业 3D 打印机的即时访问和操作它们的专业知识。当仅偶尔需要增材制造或需要使用更高价值的系统或材料时,这些操作可能具有很大的价值。承包制造商通常还提供补充技术,包括 CNC 铣床和其他传统制造设备。

建筑业

使用挤压水泥或定制模板进行 3D 打印可以加快建筑结构的施工过程。可以在大型结构 3D 打印机上制作新的住宅形状。建筑物、桥梁和其他结构可以用水泥、塑料、金属甚至泥土进行 3D 打印。用于混凝土浇筑的 3D 打印范式提供了另一种将先进制造能力引入更传统的施工工作流程的方法。

增材制造应用

3D 打印最初是作为一种原型制作技术出现的。随着工艺的成熟和材料科学的加速发展,增材制造现常用于整个生产周期。

快速原型产品开发

3D 打印是快速原型制作的代名词,以至于“RP”是制造操作中该技术的第一个常用术语之一。经验丰富的团队可以在一天之内尽快重新设计和 3D 打印下一次迭代。这大大缩短了传统的原型制造的几周甚至几个月的交货时间。

从概念验证到功能原型的迭代都可以 3D 打印,这种应用在整个产品设计周期中节省成本和时间。快速原型制作也可以越来越多地使用与最终产品相同的 3D 打印技术来完成。

快速模具制造

增材制造可以显著加快制造周期。消除对工具的需求、降低劳动时间和成本以及为本地化生产提供了更快速的制造过程。

由于 3D 打印机可以单独处理其构建平台上的每个设计文件,因此也可以进行大规模定制。为适应尺寸或形状的需要,通过大规模定制,每个部件都可以稍微不同。这在制作鞋垫、正畸矫正器或助听器等物品时很有用,这些物品在为佩戴者定制时最能发挥其作用。

快速制造和大规模定制

增材制造可以显著加快制造周期。消除对工具的需求、降低劳动时间和成本以及为本地化生产提供了更快速的制造过程。

由于 3D 打印机可以单独处理其构建平台上的每个设计文件,因此也可以进行大规模定制。为适应尺寸或形状的需要,通过大规模定制,每个部件都可以稍微不同。这在制作鞋垫、正畸矫正器或助听器等物品时很有用,这些物品在为佩戴者定制时最能发挥其作用。

增材制造优势

与传统制造工艺相比,增材制造具有许多优势。虽然这些好处不是肉眼可见的,但却可以显着改善工作流程和最终产品。

设计自由

适当地利用 DfAM 时,可以在设计上自由度更高。传统上需要制作成完美圆形的孔现在可以是任何形状。内部结构可以根据需要进行复杂设计,而无需组装多个零件。针对复杂的几何形状,例如优化的晶格,不仅可以提供新的形状,还可以增强性能。多材料 3D 打印机还可以在单个构建中实现不同的颜色或材料属性。拓扑优化和仿生学经常齐头并进,提供独特的设计,使用最少的材料提供高抗拉强度。

优化生产

产品可以以全新的方式、全新的设计制造。消除设计和制造的限制允许出现最佳的生产工作流程。

上市速度

快速原型制作、本地化生产和新的设计周期可以显着加快新产品的上市时间。增材制造不仅消除了对工具的需求,还消除了对离岸外包的需求,从而提高了上市速度。通过简化产品开发周期的每个步骤,可以提高整体生产时间线的效率。

安全的供应链

凭借分散的生产能力,增材制造缩短并保护了供应链。离岸生产可能导致物流不稳定,例如在全球大流行期间。本地化生产意味着可以在一个地方创建数字设计文件,并通过适当的 3D 打印安装将其发送到任何地方进行生产。软件的进步也在确保专有设计的知识产权 (IP) 安全。

增材制造的未来

增材制造目前在全球约 12 万亿美元的制造业中只占相对较小的一部分。不过,这一比例每年都在扩大。3D 打印硬件、软件和材料支出的年增长率通常为两位数。

随着增材制造作为整个制造业的一部分不断成熟,它作为技术套件也越来越成熟。更多材料,例如高温、医疗级和熟悉的金属和聚合物,正在变得可用。软件集成允许实时原位 3D 打印监控,减少打印作业失败的发生。3D 打印机本身在准确性和可靠性方面的质量正在不断提高。

推动增材制造未来的力量包括投资和培训。对增材制造业务的投资仍在增加。获得资金可以增强公司实现下一代改进和技术改进的能力。从小学到职业技能提升的培训正在各个层面正式化。专注于对 DfAM 和增材制造工作流程等技能的认识和培训,将使更多公司的员工配备下一代生产技术。

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