缩短交货期，提高复杂铸件制造能力

目标

America Makes铸造项目的重点是加速增材制造/3D打印技术与美国金属铸件行业的整合。项目的特色是对铸造企业进行培训，提升企业对新技术的意识。

金属铸造企业可以了解美国铸造学会的技术，并通过私营机构或3D打印服务机构评估3D打印铸造模具的价值，评估参与区域性金属铸件增材制造发展的价值。总体来讲，America Makes的这些方式将引起美国铸造业、投资方对增材制造技术的关注，推动该技术在金属铸件制造中的应用得到发展。

项目实施

为加速增材制造技术与制造业的融合，美国杨斯顿孵化器的项目团队遵循严格的工程原则来建立结构化的业务流程。

扬斯敦州立大学对砂模/砂芯3D打印技术在复杂铸件制造中所节约的成本进行了量化

该项目包括了两个科研机构，一个是北爱荷华大学，另一个是扬斯敦州立大学，他们负责对美国铸造学会和其他行业用户在3D打印铸造砂模应用方面所产生的价值进行客观研究，推动3D打印砂模技术在美国铸造业中的快速发展。

国防、机械、汽车和航空航天等特定行业对缩短铸件的交货期，提高制造轻量化或复杂铸件的能力有需求，America Makes的项目团队针对这些应用端的需求，推动3D打印服务机构为这些用户提供服务。

项目成果

项目取得的关键成果是将砂模3D打印技术融合到美国的铸造行业中，这一融合提升了铸件的快速制造能力和研发新一代汽车和卡车发动机，空间飞行器零部件，飞机液压组件，能源阀体零部件的能力，并为不方便进行外包制造的军工保密铸件生产带来的便利性。

Humtown Products和Humtown Products的工作人员从Exone 设备中取出3D打印砂模

美国铸造学会的会员单位建立了金属铸造增材制造技术委员会，进一步转化Amercia Makes项目的成果，促进3D打印技术和零件优化设计技术与美国铸造业的生产进行融合。

项目成果还包括推动砂模3D打印装备的研发，以及降低粘合剂、砂子3D打印材料的成本。

部分制造业用户已经购买了砂模3D打印设备。

项目资金

150万美元

项目参与机构

ExOne

XL Pattern Shop

Product Development & Analysis

American Foundry Society (AFS)

Humtown Products

Danko Arlington Foundry

Hoosier Patterns

Caterpillar

Albco Foundry

University of Northern Iowa (UNI)

Trumbull Metals

REFCOTEC

Public Participants:

U.S. Department of Defense

National Science Foundation

U.S. Department of Energy

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标准化对行业的健康发展起到积极作用，不仅仅是可以润滑上下游产业链的沟通，还可以启示企业如何错位竞争。美国增材制造创新中心（America Makes）在积极的加速增材制造的技术发展与应用转化。这方面他们通过将整个行业的生态圈，从上游到中游，下游以及用户端邀请在一起切磋需求与短板，可以说市场需求是制定各项标准与政策的基础。

本期，笔者与3 D科学谷的谷友一起来了解美国增材制造创新中心（America Makes)与美国国家标准中心（American National Standards Institute)所刚刚发布的增材制造标准化路线图所探讨的当前增材制造行业所面临的设计方面的26个当前短板，感受他们关于大标准化的视野。

Gap 1 决策支持：增材制造vs减材制造

当前缺乏一个标准来判断在制造一个零件的时候是通过增材制造还是减材制造更具优势。

Gap 2 决策支持：增材过程

当前缺乏对不同的3D打印技术优劣之处深入刻画的标准，这使得设计者缺乏判断应该采用哪种3D打印技术。ASTM与ISO正在开发《WK38342为增材制造而设计的新指南》，然而，除此之外，还需要更加细化的针对每个加工要求所对应的工艺标准。

Gap 3 具体工艺设计指南

ASTM与ISO开发了关于PBF技术的具体工艺设计指南。还有其他6个技术缺乏工艺设计指南。

Gap 4 具体应用设计指南

当在某些具体的增材制造应用领域技术已经相对成熟的时候，最好的加工工艺应该被记录下来。

Gap 5 定制化指南

不同制造商的设备加工出来不同的结果，工艺与应用之间的指南的确提供了一定的参考帮助。但还需要额外的指南来帮助理解如何调整和具体化参数来满足个体要求。

Gap 6 软件工程、机器可读的指南

ASTM标准委员会的F42专委会正在支持开发《WK54856为增材制造设计规则的原则》。

Gap 7 新的表面处理能力

需要一种设计指南来详述新的表面处理工艺。

Gap 8 设备产能报告

需要一个标准来记录设备消耗与产能以决定制造灵活性。

Gap 9 增材制造仿真基准代码/零件需求

需要一个关于具体化工艺的增材制造基准模型，包括零件的要求与工艺仿真工具之间的相互确认。

Gap 10 为组装而设计

为制造和组装而设计(design formanufacturing and assembly-DFMA)需要通过不同的参数设置组合来考虑支撑部分的复杂性，去除时间，后处理的复杂性以及制造时间，质量。

Gap 11 设计结构性电子

需要有一种标准来规范3D打印结构性电子

Gap 12 医疗领域的设计：原始数据（CT,MRI,超声），图像的一致性

目前没有一种流程可以保证将原始数据转成三维模型的时候是准确无误的，如何保证准确性大多靠经验积累，需要将最好的做法上升为可参考的框架体系。

Gap 13 医疗领域的设计：数据处理，图片处理以及2D转3D

骨组织、软组织和血管结构通过分割过程分离。这种分割过程并不是半自动的而是手动编辑的。建模的准确度依赖于如X射线剂量、图像操作能力、灰度分辨率以及高分辨率的2D到3D的转换算法等因素。

Gap 14 医疗领域的设计：复杂结构的设计，为便于清洁而设计

医疗零件，必须清洗制造残留物。尤其是对于病人接触的设备，这种清洗必须允许设备通过生物反应性测试，包括细胞毒性和炎症。残留在部件上残余可能包括冷却液，或者粉末等等都需要被清除，而不是还残留在复杂的几何形状内部，包括那些晶格。

Gap 15 医疗领域的设计：复杂结构的设计，测试试样

医疗零件，尤其是那些含有复杂结构的零件，包括晶格设计，以及在纳米尺度上进行的表面拓扑设计，这些都对测试带来极大挑战。而目前缺乏在一个批次生产中如何决定测试试样的标准。

Gap 16 医疗领域的设计：复杂结构的设计，功能梯度材料验证

对于复合材料与复合结构的材料特性标准（包括刚性、密度、热传导性等等）这些功能梯度材料验证的标准还没有建立。

Gap 17 设计归档：技术数据包内容（Technical Data Package-TDP）

技术数据包内容是指提交给供应商的数据信息，目前还缺乏这样的框架来指导如何在关于材料、加工工艺、后处理等环节上加以控制，达到加工出一致性与高质量的产品。

Gap 18 设计归档：新的尺寸和公差

ASME Y14.41已经提供了一些在设计方面的存档要求，正在开发的ASME Y14.46将更加具体化关于尺寸和公差的标准。

Gap 19 设计归档：图表架构的要求

需要一个图表来帮助组织增材制造过程的产品数字化描述，来显示当前是如何确认加工工艺共识以及如何传递一致性的数据内容与构架。

Gap 20 设计归档：中立的建构格式

当使用不同的设备生产商的设备的时候，很多参数是不通用的，需要建立一种行业规范，不管是哪个设备生产商生产的设备，都能够接受一些共同的文件格式。

Gap 21 设计归档：设计文件里的新术语

虽然一些增材制造的标准术语已经确认了，他们目前并不包含特定应用情况下的术语。

Gap 22 设计归档：过程中监测

目前没有对过程中检测与控制的标准数据模型与归档。

Gap 23 设计归档：新的功能性表面特征

对于新的表面处理工艺，需要对设计文档具体的要求加以规范。

Gap 24 设计归档：交接规范描述

对于一个增材制造零件需要从第三方交接过来的具体规格说明。

Gap 25 设计的验证和确认：数字零件设计的配置控制

增材制造零件与他们的数字定义直接相关，在修改一个设计的时候，需要其他相关信息，包括数字处理过程的参数定义，软件版本等等。

Gap 26 增材制造特征的测量,验证设计的功能如晶格设计

Gap 18中提到关于标准化尺寸与公差(GD&T)的努力正在进行，现存的测试零件一致性的V&V方法需要与GD&T规范结合起来使用。这些规范将可能对例如螺旋结构这样复杂的设计提供测量方法，以及用于像当前Go/NoGo以及CMM难以测量的设计。档需要测量内部设计的时候，包括超声以及射线的方法将被用于高公差确定。

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America Makes的董事会成员，根据这些技术目标的难度和有限顺序整理成路线图矩阵。路线图矩阵也将用于指导政府支持的企业合作项目，并可以为企业的发展作为引导性的参考。

技术路线图由5大技术领域组成，包括增材制造设计、材料、工艺、价值链、基因组。分成Level 1和Level 2两个层次。3D科学谷为您详细解读每个技术领域发展路线。

增材制造设计

增材制造设计需要突破现有的设备和软件工具的局限，其技术发展重点和相关的影响分析指标包括：

－复杂性开发，

－三维功能梯度材料，

－多材料集成，

－基于模型的检验

－产品个性化与定制化。

Level1：

2014－2016年：成本与能量相关性建模和分析

2014－2017年：产品与流程设计辅助／Apps

2016－2018年：仿生设计与制造

Level2:

成本与能量相关性建模和分析：

－FDM ULTEM 9085工具设计指南（2013－2015）

－SLS CFR ESD PEKK拓扑优化指南（2013－2016）

－增材制造设备与第二台设备集成指南（2014－2016年中）

－FDM ULTEM 9085零件设计与建设路径指南（2013－2015）

－CAD可链接的专家顾问团（2016－2019）

－规则基础上的DFM方法和算法（2016－2019）

－设计查询算法（2016－2019）

－自动生成工艺／材料／机床安全（2016－2020）

－设计顾问（2016－2020）

产品与流程设计辅助／Apps

－Ti-64 DMLS选择性激光熔融技术生产成本模型（2013－2015）

－Ti-64 EBM电子束熔融技术生产成本模型（2013－2015）

仿生设计与制造

－Ti-64 DMLS选择性激光熔融技术蜂窝FEA有限元拓扑优化模型（2014－2016）

－用于蜂窝结构的高效结构分析算法（2016－2019）

增材制造材料

材料重点领域目标是建立材料知识的体系，为增材制造材料建立基准特性数据，包括创建一个范式转变，从控制过程参数来“建立”微观结构，而不是控制底层物理学上的微观尺度，以实现一致的可重复性的微观结构，从而“设计”材料属性。

需要发展的技术重点和相关的影响分析指标包括：

－标准化原料，

－基准材料属性数据，

－工艺产权结构关系，

－进程窗口边界定义，

－后处理指南和规范。

Level1：

2015－2018年：非Ad-Hoc增材制造技术数据包

2014－2018年：材料性能特性

2015－2018年：下一代材料

Level2:

非Ad-Hoc增材制造技术数据包：

－EBM 电子束熔融技术Ti-64, Co-Cr PV工艺图（2013－2016）

－DMLS选择性激光熔融技术Ti-64, Co-Cr PV工艺图（2013－2016）

－LENS激光近净成形技术Ti-64, IN718工艺窗口特征化（2014－2016）

－EB-DED Ti-64超声NDI微观结构（2014－2016）

材料性能特性：

－FDM ULTEM 9085 B基允许数据（2013－2015）

－SLS CFR ESD PEKK B基设计允许数据（2013－2015）

－SLS PEKK特征化（2014－2015）

－SLS Cu特征化（2014－2015）

－EBM Ti-64, Co-Cr原料性质关系（2014－2016）

－DMLS Ti-64, Co-Cr原料性质关系（2014－2016）

－EBM Ti-64, Co-Cr丝材微观结构原料性质（2013－2016）

－DMLS Ti-64, Co-Cr 粉末微观结构原料性质（2013－2016）

－EBM Ti-64 B基允许发展（2014－2016）

下一代材料：

－SLS CFR PEKK循环指南（2013－2015）

－低成本Al循环说明（2014－2016）

－锻造工具耐磨涂层指南（2014-2016）

－生物Binder-Jet Fe-Mn技术（2014－2016）

增材制造工艺

工艺技术路线图的目的是推动技术进步，使增材制造获得更快、更准确、更高分辨率的产品。

这包括针对关键技术和相关子系统的“机级”的工艺性能的改进，类似于机床的柔性制造系统。这方面的改进重点和相关的影响分析指标包括：

－建设速度，

－精度，

－细节能力，

－表面质量，

－最大零件尺寸。

Level1：

2016－2018年：多材料输送和沉积系统

2014－2017年：下一代设备

2016－2018年：过程中的梯度温度控制

Level2:

多材料输送和沉积系统：

－3D梯度材料沉积控制（2017－2020）

下一代设备：

－LENS工具改造系统模块（2014－2016）

－低成本循环铝桌面机（2014－2016）

－微型感应烧结试验床（2014-2016）

－高通量LHW Ni,Ti（2014－2016）

－增材制造与后处理系统的混合集成（2014－2016）

过程中的梯度温度控制：

－LENS工具改造系统模块（2014－2016）

－实时加工温度分析方法（2017－2020）

增材制造价值链

价值链路线图的重点领域是推动技术进步，通过改进步骤，使终端到终端的价值链成本和时间最具优势。这包括快速验证/认证方法，以及整合技术，材料和产品的可回收性，提高员工的数字技能和技术手段，通过设计助手和应用来提高生产力，以及新颖的快速设计和检测技术。这方面的技术重点和相关的影响分析指标包括：

－加工成本，

－原料成本，

－质量控制成本，

－劳动生产率成本

－能源效率成本。

Level1：

2014－2016年：标准化

2017－2018年：快速检测技术

2014－2018年：先进的检测和探测方法

2016－2018年：修复技术

2015－2018年：智能设备控制技术

2014－2018年：数字线程集成

Level2:

标准化：

－NIST round robin协议（2017－2020）

－open激光PBF控制协议（2015－2017）

－工业标准的质量和认证协议（2018－2020）

－EB-DED Ti-64超声NDI协议（2014－2016）

－第三方数据采集模板（2018－2020）

－数据存储卡目录及家系（2016－2018）

－共享数据存储库架构 （2018－2020）

快速检测技术：

－层－层3D质量认证（2014－2016）

－高温合金激光PBF原位测试方法（2014－2016）

－NDE无损检测后激光PBF检验（2014－2016）

－Ti, Ni 合金X光CT NDI程序（2015－2017）

智能设备控制技术：

－微结构控制算法工艺图（2013－2015）

－补偿变形算法（2014－2016）

－模型化闭环反馈控制算法（2018－2020）

－集成增材制造与第二台设备的控制（2014－2016）

－激光PBF的热塑性树脂热成像控制（2015－2017）

数字线程集成：

－二次加工集成调幅分子束外延方法（2014－2016）

－实时的“设计”与“打印”托勒比较（2017－2019）

先进的检测和探测方法：

－电子束熔融EBM和激光近净成形LENS技术的过程多传感器的热成像系统（2013－2016）

－热成像数据的三维可视化方法（2013－2016）

－激光原位PBF缺陷传感器试验台监控（2013－2016）

－激光作用的热塑性树脂红外成像（2015－2017）

增材制造基因组

增材制造基因组重点领域路线图的目的是促进技术进步，包括新的计算方法的发展，如物理和基于模型的辅助材料性能预测工具，常用的基准数据集的发展，验证计算结果，对材料性能表征的新的想法。这方面的技术重点和相关的影响分析指标类似于国家材料基因组计划包括：

－计算机辅助材料开发，

－模块化开放式仿真框架，

－公开透明材料属性数据的访问，

－多尺度数据管理与共享

－高效材料性能表征方法。

Level1：

2015－2018年：基准验证用例

2015－2018年：基于物理的建模与仿真

2015－2018年：模型辅助属性预测

Level2:

基准验证用例：

－EB-DED Ti-64超声检测试样（2014－2016）

－Ti, Ni合金X射线CT检测参考试样（2015－2017）

基于物理的建模与仿真

－ICME结构和数据仓库模型的统计链接（2018－2020）

模型辅助属性预测

－电子束熔融EBM技术Al加工建模（2013－2015）

－激光PBF Al加工建模（2013－2015）

－DMLS 数据仿真方式（2013－2015）

－激光近净成形LENS技术 Ti-64 ABAQUS有限元分析建立脚本（2013－2015）

－激光PBF Ni, Co,Ti变形建模（2014－2016）