增材制造（3d打印）技術(shù)已然成為未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。隨著產(chǎn)品精度的提高和成本的的降低，3d打印技術(shù)在汽車(chē)、航空以及醫(yī)療等行業(yè)取得了越來(lái)越多的應(yīng)用和進(jìn)展。

還記得在2014年芝加哥國(guó)際制造技術(shù)展覽會(huì)（IMTS）上，由3D打印零部件組裝的汽車(chē)，從眾多展品中脫穎而出，吸引了很多人的目光，這一切都得益于3D打印技術(shù)所取得的成果，所使用的機(jī)器和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、以及材料科學(xué)所取得的進(jìn)步。汽車(chē)車(chē)身材料為碳纖維增強(qiáng)聚合物，車(chē)輪和輪轂則由金屬材料直接打印而成。整個(gè)過(guò)程花費(fèi)44小時(shí)，包括40個(gè)部件。當(dāng)打印完成后，首臺(tái)3D打印汽車(chē)的試駕活動(dòng)，吸引了眾多媒體的關(guān)注和報(bào)道。

在2014年度的IMTS 展覽上，辛辛那提公司的大面積增材制造（BAAM）系統(tǒng)，被用于生產(chǎn)3D打印汽

從此以后，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，3D打印持續(xù)成為制造業(yè)的討論熱點(diǎn)，獲得了工業(yè)設(shè)計(jì)人員、生產(chǎn)制造商和工程教育人員的關(guān)注。

1、3D打印汽車(chē)的微工廠

在2014年的IMTS展覽期間，辛辛那提公司的大面積增材制造（BAAM）系統(tǒng)，主要用于生產(chǎn)3D打印汽車(chē)。最近，他們出售了其中兩套系統(tǒng)給總部位于美國(guó)菲尼克斯的Local Motors汽車(chē)設(shè)計(jì)公司，用于“微工廠”的生產(chǎn)。BAAM系統(tǒng)的工作范圍最大可達(dá) 2.4 × 6× 2 米，大規(guī)模增材設(shè)備使用底盤(pán)、驅(qū)動(dòng)器和激光切削系統(tǒng)的控制作為基礎(chǔ)。BAAM由線(xiàn)性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，擠壓融化的熱塑材料，層層打印部件，相較于現(xiàn)有的增材設(shè)備，其速度可提高200到500倍，尺寸則提高10倍。

在占地不到4000平方米的廠區(qū)內(nèi)，Local Motor的“微工廠”可以生產(chǎn)在高速路行駛的3D打印車(chē)、在公路上行駛的高檔越野車(chē)以及社區(qū)電動(dòng)車(chē)，每年的生產(chǎn)能力高達(dá)250輛。客戶(hù)可以親臨微工廠，設(shè)計(jì)并采購(gòu)汽車(chē)，然后現(xiàn)場(chǎng)就可以“打印”出來(lái)。Local Motor公司計(jì)劃在下一個(gè)十年，在全世界建設(shè)100個(gè)這樣的“微工廠”。

2、航空和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的3D打印

據(jù)IDTechEx的一份報(bào)告中指出，金屬行業(yè)的3D打印市場(chǎng)增速最快，其銷(xiāo)售額增速高達(dá)50%，材料銷(xiāo)售增速超過(guò)30%。在高價(jià)值、低產(chǎn)量行業(yè)尤其是航空航天、生物醫(yī)學(xué)，由于需要考慮如何快速制造不同的高精度零部件以及各種物料，目前更是充分利用3D打印技術(shù)的重點(diǎn)領(lǐng)域。因此，無(wú)論是醫(yī)療行業(yè)還是航空航天工業(yè)，都在投資諸如鈷、鎳和鋁等合金，以便提供可生產(chǎn)和打印的多樣性材料。

最近，GE航空集團(tuán)和法國(guó)斯奈克瑪公司向空中客車(chē)公司交付了首批裝有3D打印燃油噴嘴的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)。據(jù)悉，GE公司在阿拉巴馬州投資了5000萬(wàn)美元建設(shè)新工廠，其主要任務(wù)就是使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)新一代LEAP噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料噴嘴，以及制造發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片。該發(fā)動(dòng)機(jī)所使用的燃料噴嘴，由高溫合金打印而成，而葉片則由釹碳復(fù)合材料編織而成。發(fā)動(dòng)機(jī)還采用了部分輕、耐熱陶瓷基復(fù)合材料（CMC）。通過(guò)這種途徑制造的發(fā)動(dòng)機(jī)，可以減少碳排放量，提高燃油效率。

“增材制造正在趨向?yàn)榘l(fā)電機(jī)渦輪葉片這類(lèi)的更大尺寸金屬件提供制造可能性，這一趨勢(shì)可以在IMTS 展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)一覽無(wú)遺。”美國(guó)機(jī)械制造協(xié)會(huì)（AMT）副總裁Peter Eelman 先生說(shuō)道。在2016年美國(guó)芝加哥國(guó)際制造展（IMTS）的AMT新興技術(shù)中心設(shè)置了增材制造展示專(zhuān)區(qū)，共有19家企業(yè)帶來(lái)包括金屬、塑料等多種材料零部件的增材制造解決方案。

在醫(yī)療行業(yè)中，3D打印被用于靜態(tài)應(yīng)用，如骨科植入物。它們也被用來(lái)打印牙齒、骨骼、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，甚至用于教學(xué)的人類(lèi)心臟模型。該模型旨在提供CT掃描無(wú)法提供的信息，幫助醫(yī)生準(zhǔn)備復(fù)雜的外科手術(shù)。在教學(xué)環(huán)境中，它們也大顯身手，可以為醫(yī)生提供具體的工作和實(shí)驗(yàn)，而不僅僅是抽象的概念。

3、面向教育的3D打印機(jī)器人

想象一下，遇到一個(gè)機(jī)器人，可以播放“西蒙說(shuō)”、可以響應(yīng)指令、甚至可以自拍的情景吧。在美國(guó)新澤西州的自由科學(xué)中心，通過(guò)一款名為SARA的機(jī)器人，任何人都可以做上述事情，甚至更多。SARA是由3D打印而成的機(jī)器人，具有完整的人形上半身，可以進(jìn)行互動(dòng)的。新澤西州霍博肯的史蒂文斯理工學(xué)院的學(xué)生開(kāi)發(fā)了該機(jī)器人，它可以移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、舉手臂，拾取物品和擺動(dòng)手指。

LSC公司總裁兼首席執(zhí)行官Paul Hoffman說(shuō)，“我們的很多客人，都是初中生和高中生，年齡與史蒂文斯學(xué)院的學(xué)生相差不大。這尤其令我們興奮，激發(fā)著我們年輕的客戶(hù)，在社區(qū)內(nèi)與史蒂文斯團(tuán)隊(duì)分享他們令人震驚的作品。”

基于法國(guó)設(shè)計(jì)師Gael Langevin和他的InMoov開(kāi)源項(xiàng)目工作，SARA機(jī)器人是由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）設(shè)計(jì)而成的。大約由100個(gè)部件組成，包括關(guān)節(jié)、“骨頭”和其它用聚氯乙烯（PVC）塑料打印而成的機(jī)器人機(jī)械部件。

史蒂文斯原型對(duì)象制作（PROOF）實(shí)驗(yàn)室主任Kishore Pochiraju教授，與自由科學(xué)中心協(xié)調(diào)，舉辦了該項(xiàng)展覽，吸引了大批年輕人參觀該中心。

“我們非常高興，能夠把史蒂文斯學(xué)生的聰明才智，與我們自己的技術(shù)結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)有趣的應(yīng)用，展現(xiàn)給不同的觀眾。”Pochiraju說(shuō)，“我們希望它能吸引一些年輕人來(lái)參觀科學(xué)中心，并讓他們對(duì)科學(xué)和工程教育職業(yè)感興趣。”

在新澤西自由科學(xué)中心，舉辦了一個(gè)名叫SARA的機(jī)器人展，這些機(jī)器人是由位于新澤西霍博肯的史蒂文斯理工

3D打印的制造業(yè)前景

隨著3D打印越來(lái)越具經(jīng)濟(jì)性，制造業(yè)對(duì)3D打印的潛在商業(yè)收益也越來(lái)越感興趣。2016年5月18日，西門(mén)子公司宣布與惠普公司結(jié)成了一項(xiàng)重要的合作關(guān)系。這兩家公司將共同致力于推動(dòng)將3D打印從原型應(yīng)用到可用于完整生產(chǎn)的可行性研究。

此前一天，惠普正式推出了備受市場(chǎng)期待的3D打印解決方案，分別是HP Jet Fusion 3D 3200和HP Jet Fusion 3D 4200。據(jù)悉，這兩款產(chǎn)品都在體素（voxel）的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了精度、細(xì)節(jié)和熱力學(xué)方面的控制，3D打印速度提升了十倍，而每個(gè)打印對(duì)象的成本降至最低，材料的可重用性也大幅提升。其中4200被設(shè)置為具備更高的制造能力水平，可以滿(mǎn)足從原型到短期制造等各方面的需求，甚至可以滿(mǎn)足同日交付的業(yè)務(wù)需要。

西門(mén)子的3D打印軟件可以在惠普新的Jet Fusion 3D打印機(jī)上實(shí)現(xiàn)多種材料和多種顏色的3D打印。另外，西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的軟件可以最大限度的提高惠普3D打印機(jī)的成型精度，其軟件能夠進(jìn)行打印控制，并將對(duì)于打印對(duì)象顏色和材料的控制延伸到體素水平。這些優(yōu)勢(shì)以及惠普3D打印機(jī)更快的速度和更低的打印成本，將使3D打印成為最終產(chǎn)品制造和研發(fā)的一個(gè)非常好的選擇。

“3D打印正在為制造業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)工業(yè)革命，企業(yè)可以利用3D打印來(lái)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性和創(chuàng)新型產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。”西門(mén)子PLM軟件的總裁兼首席執(zhí)行官Chuck Grindstaff說(shuō)道。

工業(yè)增材制造技術(shù)要想超越現(xiàn)有細(xì)分制造方式的狀態(tài)，變成一種大面積普及的主流制造應(yīng)用，就必須具備降低其成本和復(fù)雜性，并保持其較高產(chǎn)品穩(wěn)定性的特質(zhì)。以金屬3D打印為例，打印出來(lái)的部件不僅需要廣泛的后處理，而且在此之后還需要進(jìn)行測(cè)試，以確保沒(méi)有缺陷或者錯(cuò)誤，避免在使用的時(shí)候出現(xiàn)問(wèn)題。

為了更高效的解決上述問(wèn)題，金屬增材制造公司Sciaky最近開(kāi)發(fā)了一種被稱(chēng)之為層間實(shí)時(shí)成像與傳感系統(tǒng)（IRISS）的金屬3D打印技術(shù)。IRISS可以對(duì)零件外形、機(jī)械性能、微觀組織以及大型3D打印部件的金屬化學(xué)性能提供一致的過(guò)程監(jiān)控。該技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)金屬沉積過(guò)程，及時(shí)調(diào)整過(guò)程參數(shù)，以彌補(bǔ)在整個(gè)打印過(guò)程中的波動(dòng)，從而減少制造后的檢測(cè)時(shí)間，并能通過(guò)實(shí)時(shí)打印調(diào)整來(lái)改進(jìn)最終產(chǎn)品的質(zhì)量。通過(guò)IRISS技術(shù)將使電子束增材制造（EBAM）用戶(hù)在打印大尺寸金屬部件過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何形狀、機(jī)械性能、微結(jié)構(gòu)構(gòu)建和金屬化學(xué)等方面穩(wěn)定、可靠地控制。

“增材制造已然成為未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一，雖然它并不完全成熟，但是技術(shù)發(fā)展之快，如果你忽略了3D打印，那么你可能就犯了一個(gè)大錯(cuò)誤。”全球商業(yè)咨詢(xún)服務(wù)公司的創(chuàng)始人David Burns說(shuō)。

例如，Burns引用了3D打印對(duì)航空部件的重新設(shè)計(jì)，其中3D打印將每個(gè)部件的重量從7磅減小到2磅，并且提供更好的機(jī)械性能。每個(gè)部件節(jié)省5磅的重量，對(duì)航空公司來(lái)說(shuō)，可能意味著每年節(jié)省上百萬(wàn)美元的燃油成本。

在另一個(gè)示例中，3D打印能夠在用于注塑成型部件的工具中集成共形冷卻通道。新設(shè)計(jì)減少了循環(huán)時(shí)間，減少了與變形相關(guān)的廢品率，并且能講生產(chǎn)率提高20％至70％。 此外，3D打印使設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)?8個(gè)零件組合成1個(gè)單一組件，減輕了25％的重量，更重要的是，減少了維護(hù)問(wèn)題。

“將3D打印的設(shè)計(jì)理念集成到工業(yè)應(yīng)用中，需要完全不同的方法。你需要擴(kuò)展你的思維，以充分利用3D打印的力量。” Burns說(shuō)， “成本節(jié)約和生產(chǎn)效率的提高將來(lái)自于你還沒(méi)有想象到的方式。”

“將3D打印的設(shè)計(jì)理念集成到工業(yè)應(yīng)用中，需要完全不同的方法。你需要擴(kuò)展你的思維，已充分利用3D打印的力量。”

關(guān)鍵概念

1.制造業(yè)將成為未來(lái)3D打印技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。

2.實(shí)時(shí)監(jiān)控和反饋系統(tǒng)，將幫助用戶(hù)提高大型金屬3D打印的產(chǎn)品質(zhì)量。

思考一下

增材制造是否正在“擾亂”傳統(tǒng)的制造業(yè)市場(chǎng)或?yàn)槟銊?chuàng)造更多機(jī)會(huì)？