3D打印的未来:疫情下透视增材制造新进展

尽管全球聚焦在与COVID-19病毒的流行斗争中,3D打印技术仍在继续其工业化进程。除外部因素外,新参与者继续进入增材制造市场,而收购和投融资也在整个行业继续发展。

AMFG在其2020年增材制造数字会议上召集了众多3D打印专业人士和专家,根据专家的分享,3D科学谷与谷友一起来感受3D打印的未来:疫情下透视全球范围内的增材制造新进展与行业努力方向。

Caterpillar_1卡特彼勒增材制造中心。来源:卡特彼勒

block 疫情下的风云变幻

l 材料与仿真的结合

高分子塑料为航空航天,医疗和汽车等行业的高级3D打印应用创造了众多机会。在AMFG的2020年增材制造数字会议上,索尔维分享了用于3D打印的高性能塑料及其解锁新技术应用的方式。

开发高性能材料的过程“并非易事”,这需要在各个方面进行合作。因此,索尔维在过去的三到四年中一直致力于将过程理解和设备知识相结合,以便能够将适合3D打印的高分子材料推向市场。如今,索尔维已被认为是PEEK长丝市场的领导者,索尔维还在开发用于粉末床熔融工艺(例如SLS)的粉末材料。

由于了解如何处理材料非常重要,因此了解如何最有效地利用AM的设计也至关重要。在这一点上,仿真对材料开发十分关键,仿真使工程师可以预测材料在打印后的性能表现。仿真有助于优化零件的设计,最终目的是改善其机械性能并防止零件出现故障。

只有结合材料,工艺和设计方面的知识,才能为产品生命周期的不同阶段更可靠地使用3D打印打开大门。

在这方面,根据3D科学谷的市场观察,海克斯康旗下的复合材料和结构多尺度建模的仿真专家e-Xstream Engineering与全球性能工程热塑性解决方案供应商DSM合作携手打造“First time right”的目标:通过仿真结合材料特征对增材制造过程进行模拟和零件性能预测,从而实现塑料3D打印领域更加可控的加工结果。

根据3D科学谷的市场观察,DSM的高性能热塑性解决方案和疲劳破坏机制的建模方法,以及e-Xstream的精确,便捷的仿真手段的结合,使用户有机会在Digimat中快速迭代建模结果。通过预测增强塑料部件的耐久性及其他性能,用户免除了之前需要几个月的迭代过程,而仅仅需要几个小时,通过仿真手段减少试错过程,从而避免了数百次的反复测试所带来的时间、财力的浪费。

仿真的主要价值包括:使最终用户获得轻量化的产品,降低成本并缩短产品上市时间,同时减少材料测试和原型制作要求。

l 软件和自动化对于实现3D打印大规模定制应用至关重要

大规模定制使得制造商能够经济高效地生产数十个批次的产品,而批量生产通常要生产数千万个产品。这本身就是一个具有挑战性的转变,使用3D打印生产定制零件时出现的一个挑战是如何识别在一个版本中打印的非常相似的零件。在这方面,先进的软件和工作流程自动化对于成功使用3D打印进行零件定制至关重要。解决方案包括3D扫描、增强现实、使用QR码和MES软件来实现数据传输和可追溯性。

根据3D科学谷的观察,随着国内对5G等新基础建设的投入,5G对于高通量高密度数据的传输打开了大门,从工业4.0的角度来看,将云集成到生产中可以实现新的,更智能的和网络化的制造流程链。5G可在工厂云系统中实现可靠且实时的通信,这就呼唤为制造行业设计实时计算平台和应用程序。

在这方面,可以参考的案例是Fraunhofer IPT弗劳恩霍夫生产技术研究所IPT和瑞典移动网络供应商爱立信共同开发的“欧洲5G工业园区”的概念,这实际上是第一个全面的5G研究网络,在亚琛园区测试新移动网络技术在生产控制与物流方面的应用。

疫情丝毫没有影响Fraunhofer前进的步伐,欧洲5G工业园区于2020年5月12日启动了其无线5G网络。欧洲5G工业园区正在创建一个全球范围内独特的生态系统,以研究、开发适应5G的工业4.0技术。在这里,项目合作伙伴重点研究七个子项目中的不同应用场景-包括监视和控制高度复杂制造过程的5G传感器,移动机器人,物流和多站点生产链,分布式制造控制,区块链,边缘云等。

l 从3D打印到增材生产的四大支柱

3D打印进入到生产领域,必须要符合制造对产品质量一致性的严格眼球,这取决于四个支柱:可追溯性、可重复性、准确性和验证性。

关于可追溯性,零件上需要具有序列号可使制造商追溯零件的制造时间,装入零件的批次,并可以检查零件以及加工过程中涉及的参数。

关于可重复性,同样重要的是要有一个可重复的系统,如果不使用可重复的系统进行构建,那么就不确定在构建过程中所做的更改是什么,这意味着这个层面的3D打印仅仅在构建模型,而不是在生产零件。

在这方面,根据3D科学谷的市场观察,国际上,面向生产的需求,Velo3D开发了新的智能熔化粉末床金属增材制造系统。该系统从的设计目的是为了用于生产工作,从零件加工过程模拟开始,到生成加工策略,然后,通过各种过程控制,以确保在多个零件加工中保持质量的稳定性和一致性。确保提供机器运转正常,零件完整性和构建过程的可追溯性,Velo3D开发的Assure质量控制系统面临生产领域对于效率、质量一致性以及加工稳定性的需求,确保提供批量生产所需的零件质量。它可以检测过程异常,对其进行标记,并显示所需的纠正措施,从而避免重复出现错误。

国内,安世亚太新一代3D打印金属机DLM-280基于SLM技术(选区激光熔化技术)利用数字孪生和模拟仿真建立虚拟(数字化)打印系统,可模拟DLM-280真实样件生产过程,提前预判可能出现的问题,并对其进行优化。

关于准确性,意味着需要完整的工艺链(包括后处理工艺)以满足严格的公差。在更高的速度和更复杂的零件上,需要更好的过程控制来始终如一地生产高质量的零件,同时减少后处理或返工。

关于可验证性,使用增材制造进行生产的制造商必须能够验证构建参数。在这方面,根据3D科学谷的市场观察,国际上,Fraunhofer IPT的“高性能加工”部门的“ IDEA-数字工程和增材制造的工业化”项目为了解决用于增材制造的部件的制造过程仍然非常耗时且昂贵的痛点,针对当前各个加工过程步骤在很大程度上彼此隔离并且涉及大量的人工干预。因此,将增材制造中的工艺步骤联系起来,具有节省时间和降低制造成本的巨大潜力。Fraunhofer IPT的“高性能加工”部门通过整个生产线的数字孪生体技术,通过过程仿真,目的将制造过程的产品成本以及开发和生产时间将减少约50%。最重要的是,通过有效地耦合硬件和软件激发过程巨大的潜力。

Fraunhofer IPT的努力是必要的,如果将产品投入汽车,航空航天,军事,矫正术,假肢的制造中时,用户必须能够验证自己的工作。如果不能的话,那就是在制作模型。

类似于Fraunhofer IPT的IDEA项目的努力不仅仅带来了可验证的制造过程,还提高了不同工艺之间的衔接与自动化能力,如果不考虑后续加工,3D打印完成的零件通常仍然经常无法交付给客户。由于效率低下,高度手动的后处理管理,因此容易产生在后处理步骤中堆积大量零件的现象,即使完成了后处理加工,通常会发生在质量检验站中等待检查的滞留,然后再获得批准并运送给客户。

大幅面3D打印持续成熟

大幅面3D打印作为制造大型零件的经济高效且灵活的解决方案而备受关注,国际上,BigRep是一家致力于开发大幅面塑料3D打印机的公司。大幅面3D打印使得3D打印适合制造的零件范围极大的扩宽了,通过提供本地生产能力解决按需制造的挑战。这意味着可以按需制造零件,并且交货时间可以从几周缩短到几天。

大幅面3D打印的显着进步,不仅仅体现在BigRep这样的公司上。在铸造领域体现得尤为明显,根据3D科学谷的市场观察,工业领域的高速大幅面3D打印设备与服务供应商voxeljet-维捷是面向工业制造的代表性企业,在voxeljet的高效大幅面3D打印系统的帮助下,用户可以提高从设计到制造的速度,为工业生产提供设计、3D打印、铸造、热处理、加工和检测等各个阶段的制造服务。

另一个典型的案例是美国橡树岭国家实验室(ORNL)的大幅面3D打印技术,在这方面ORNL曾与美国设备制造协会、国家流体协会等机构共同开发了全球首台3D打印挖掘机。挖掘机动臂长约2.1米,重量约为181千克,是由ORNL新开发的大型金属零件3D打印设备制造的,打印材料为低成本的金属,动臂在设计时已经为液压零件预留好内置的通道。

l 融资及新试验持续活跃

融资Velo3D

尽管在全球冠状病毒流行中全球大部分制造业处于半关闭状态,但金属3D打印技术的开发商Velo3D却成功新增筹集了2800万美元的资金,目前共计募集1.38亿美元(近10亿元人民币)。Velo3D的发展非常迅速,近日他们又宣布成为SpaceX的3D打印机供应商,从2014年至今短短成立6年间,成为主流航空航天业领导企业的供应商,Velo3D开辟了一条针对金属3D打印走向产业化的痛点来开发设备与软件解决方案的道路。

融资Arris Composites

4月的疫情期间,来自美国加州的企业Arris Composites获得了4850万美金(约人民币3.4亿)的B轮融资,其目的是实现下一代大众市场的连续纤维复合材料3D打印生产级应用。

Arris Composites通过其专有的Additive Molding™制造技术实现了高强度和轻量化复合零件的批量生产。通过这种新工艺,可以以与塑料成型产品相同的速度生产高级碳纤维材料。为了释放应用端的潜力,Arris Composites为企业内部设计协作和应用工程团队开发了独特的软件工具。应用端可以通过Arris Composites的设备和软件设计和生产以前不可能的产品,这些产品具有高度集成性,比金属更坚固、更轻。

新试验微重力打印

5月5日, 长征五号B(以下简称“长五B”)遥一运载火箭在海南文昌航天发射场将我国新一代载人飞船试验船成功送入预定轨道。试验船上搭载了一台我国自主研制的“复合材料空间3D打印系统”,科研人员将这台“3D打印机”安装在了试验船返回舱之中,飞行期间该系统自主完成了连续纤维增强复合材料的样件打印,并验证了微重力环境下复合材料3D打印的科学实验目标。连续纤维增强复合材料是当前国内外航天器结构的主要材料,密度低、强度高,开展复合材料空间3D打印技术研究,对于未来空间站长期在轨运行、发展空间超大型结构在轨制造,具有重要意义。

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