中国科协第22届年会《成就明天制造的3D打印-增材制造技术》

“改革开放 创新引领——科技赋能合作发展”为主题的中国科学技术协会第二十二届中国科协年会于2020年8月10-15日在山东省召开。中国科协年会是我国科技领域高层次、高水平、大规模的科技盛会,已经成为集聚全国顶级智囊、汇集众多科学界精英、聚焦经济社会前沿课题的思想盛会、智慧盛会、创新盛会。

在中国科协的积极倡导和指导下,由中国机械工程学会、中国仪器仪表学会、中国汽车工程学会、中国电工技术学会、中国电子学会、中国自动化学会、中国农业机械学会、中国人工智能学会、中国微米纳米技术学会、中国光学工程学会、中国纺织工程学会、中国宇航学会和中国造船工程学会等13家与智能制造有关的中国科协所属全国学会广泛联合相关企业、科研机构、高等院校,组建成立了“中国科协智能制造学会联合体”。

在中国科协年会上,中国科协智能制造学会联合体支持的高端装备产业发展论坛围绕“智能制造技术促进装备产业集群高质量发展”主题,针对装备制造业转型升级开展深入交流,推动学术研究与产业发展深度融合,为产业发展提供决策建议。3D科学谷特别分享中国科协年会高端装备产业发展论坛上ACAM亚琛增材制造中心的演讲内容,本期为ACAM德国总裁&ACAM中国董事Kristian Arntz博士于2020年8月13日科协年会高端装备产业发展论坛上主会场上关于《成就明天制造的3D打印-增材制造技术》的精彩洞见。

Video Cover_ACAM_Kristian ArntzKristian Arntz博士演讲视频,来源:ACAM

Kristian Arntz

l Kristian Arntz 博士

毕业于亚琛工业大学机械工程专业主攻材料工程,自2003年以来他在Fraunhofer IPT(弗劳恩霍夫工业生产技术研究所)工作,积累了丰富的关于高速铣削、微细铣削、硬材料铣削、模具制造、增材制造领域的应用经验。目前他担任德国ACAM亚琛增材制造中心总裁、ACAM中国董事、Fraunhofer IPT制造流程部门主管。ACAM亚琛增材制造中心是基于Fraunhofer IPT生产技术研究所、Fraunhofer ILT激光技术研究所、亚琛工业大学等工业研究领域的合作建立起来的。ACAM致力于为制造企业提供一站式的增材制造专业技术,成立以来积累了不同先进科研领域的专业知识,并通过认证与咨询、联合研发、专业技术培训和教育服务、软件和系统工程以及定制服务,帮助企业应对增材制造技术在应用中的挑战。

ACAM_Kristian Arntz图片:识别二维码,观看在线直播

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Kritian Arntz_2图片:Kristian Arntz 博士演讲(由于疫情影响,演讲由视频方式在现场播放)

配合中国科协年会主题,Kristian Arntz博士的演讲主要从ACAM的情况展开,然后重点介绍了在增材制造领域看到的全球范围内的机遇与挑战

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德国亚琛本身就像一个折射着不同类型的加工技术的一个重要的万花筒,这里积聚着非常多不同类型的加工技术的研发与前沿应用,亚琛工业大学与 Fraunhofer 研究所作为中心,在从事着各种各样的研究与创新,一方面Fraunhofer 的研究覆盖面十分广,从生物工程到机械工程;一方面,Fraunhofer 跟工业端的结合十分紧密,这里就像一个跨界科研与应用的有机体,不断的融合创新与应用。

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亚琛研发集群,从光子到增材制造, 折射不同种类加工技术的”万花筒“。来源:ACAM

而谈到增材制造,这本身是一个包含多种学科知识的门类,在这里通过ACAM作为门户来提供跨界融合的解决方案。

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亚琛增材制造研发集群。来源:ACAM

亚琛是金属增材制造诞生的摇篮,如果业界回顾历史的话,业界会看到从1995年开始,亚琛的Fraunhofer就一直在推动增材制造突破界限,从混合制造,到选区激光熔化技术SLM的专利诞生,到模具应用开发、植入物应用开发等等,亚琛这里聚集了技术与应用两条主线的前沿发展趋势

Video Cover_Fraunhofe_Zhenjing10倍速Fraunhofer多振镜选区激光熔化金属3D打印。来源:Fraunhofer

在2015年,ACAM成立,ACAM希望通过ACAM聚集亚琛的资源以及应用端的需求,从而进一步推动行业发展。

Kristian Arntz博士特别分享了ACAM工作的地方-德国亚琛,这里是从光子产业集群开始发展到如今的涵盖多种学科的亚琛科研集群-ACAM把它称之为亚琛园区,ACAM不断的扩建新的设施,招聘新的科研人员。目前ACAM有超过100多名科研人员从事增材制造的科研,这是ACAM的实力所在。

为什么要建立ACAM呢?因为亚琛这里的科研机构特别多,不同的机构从事不同方向的研究,有的专注于软件开发,有的专注于材料开发,有的专注于工艺开发…这些丰富复杂的研究能力需要有一个中枢神经般的门户来进行梳理和对外界的连结,ACAM就是这个背景下诞生的。

一边是跨界多样的科研实力,一边是工业界不同的企业需求。由科研实力对业界的吸引出发,ACAM打造了一个工业网络,这里有不同类型的企业是ACAM联合体成员,他们对ACAM的科研提出不同的需求,每一年ACAM就共同要研发的主题进行双边讨论,确定后进行执行,并对下一年要聚焦的主题进行确认。

ACAM的联合体工业网络还在不断的扩张,基本上这里面包含了一些国际上知名的企业,有一种类型的企业是已经应用了3D打印技术,他们在这里寻求竞争力的提升,有一种类型的企业是准备应用3D打印技术,他们在这里寻求技术切入点与接口。

ACAM的业务通过四大支柱来开展。首先是ACAM的联合体,ACAM通过联合体机制来与业界交流观点和思路;其次是咨询与认证服务,这里ACAM提供的主要是增材制造认证、信息类的服务,通过扩展业界视野和深度分析知识产权等服务来与业界实现有效互动;研发这块是ACAM的“老本行”,ACAM就是做研发的,在这里ACAM提供共性的基础研发,也根据用户的需求提供定制化的特殊项目研发,这些特殊项目主要是为了满足用户不同的需求;教育培训这块是为了帮助用户强化他们的人员能力。

特殊定制化项目的研发这方面需要强调的是联合研发,这是ACAM的主业之一,是ACAM日常做的事情,ACAM通过联合研发的方式来探索新的机会,这些研发的项目方向是根据ACAM的社区成员的建议来确定的,他们确定机会和资金。

关于联合研发,Kristian Arntz博士通过去年ACAM做过的一些项目带来更加直观的印象,2019年ACAM做过的部分研发项目,包括开发增材制造工艺控制软件;针对选区激光熔化金属粉末床加工技术如何处理工程不锈钢的挑战与潜力开发;混合技术的有力结合成就混合制造的零件;多材料打印;增材制造零件的无损检测;Think3D如何改变设计者的设计理念;完全创新的增材制造材料等

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那关于增材制造,ACAM的愿景是什么呢?这背后的逻辑是什么呢?

增材制造将引领着制造技术向两个之前难以融合的方向发展,一个方向是可扩展性,一个方向是个性化。这是我们面临的挑战,如何能够以经济的价格通过3D打印技术生产质量可靠的单个或批量产品,这是发展方向,更需要多方面的努力。

正是因为全世界范围内认同了增材制造前景,增材制造将创造新的未来可能性和产业前景,所以世界范围内出现对增材制造大量的投资。市场发展了很多,不同的机构预测的数据各有差异,虽然短期受疫情的影响,市场发展会受到影响,但是这不影响长期的发展趋势,这项技术还将带来很多的改变,包括使得制造更加离散化、本地化、并催生新的商业模式。

拿一个简单的例子来体会一下增材制造已经发生的对我们身边的制造带来的改变,有时候仅仅是很小的一个改变,它却带来了巨大的节约。有时候并不一定是如何了不起的最终零件,一家公司通过投资了1 .5万欧元的光固化3D打印设备实现了夹具投资方面高达15万欧元的资本节约,这只是一件容易被忽略的小事,但也同时说明增材制造的存在可以是方方面面的,以四两拨千斤的效果改变了当前的状况。

那增材制造带来的更深层次的改变是什么呢?

3D打印是一种带有鲜明的数字化特征的技术,这意味着增材制造能够改变产品的方式是本质性的,不仅可以实现个性化,还可以实现功能化导向的制造。通过增材制造,业界可以获得复杂的零件而不需要承担额外的急剧上市的成本。复杂意味着可以实现轻量化,可以进行外观的拓扑优化,可以进行很多功能集成的结构一体化设计,这是增材制造之美,也是为什么大家的兴趣如此浓厚,这将驱动我们目前所处的因制造技术而折衷设计的时代驶向一个新的充满畅想和无限可能性的未来

我们如何更换成新的思维角度来看待增材制造呢?

增材制造改变了制造逻辑,通常对于同一个产品来说,制造的越多,产品的单件成本也随着成下降趋势,而对于增材制造来说,单件成本与产量的相关性是独立的,这是在考虑可扩展性的时候需要考虑的因素。

另外一个方面,关于产品的复杂性,通常在通过传统制造技术来制造零件的时候,产品越复杂,成本越高,业界需要很昂贵的投资(包括新的模具,甚至是新的设备来实现),而对于增材制造来说,零件的复杂性与成本的相关性也是独立的,零件的几何形状的复杂性通常并不会带来额外的制造成本。

当然,增材制造是一大类的各种各样的技术集合,这里面有塑料,金属等不同材料的打印,这使得我们可探索的可能性变得更加丰富。而且增材制造工艺由于加工的特点与传统的不一样,拿金属凝固过程来说,由于金属增材制造的凝固过程与铸造和锻造的是不一样的,这带来了额外的机会成就特殊微观晶体结构的金属产品。

还有一个有趣的特征是,增材制造是由创新来驱动的,如果看一下全球范围内的专利这方面每年的增长是非常快速的;如果去参观每年在德国法兰克福举行的formnext展会,会发现每一年的变化非常大,每一年新的技术和材料涌现出来,成本不断下降,质量在提升,这带来了未来发展的巨大机会。

由于创造了新的产品,改变了供应链,增材制造带来了新的商业模式

Kristian Arntz博士提到GE是一个非常出名的案例,GE通过增材制造将发动机燃料喷嘴作为一个单一的结构制造出来,这极大的简化了这个零件原来所需要的众多零件,将发动机燃料喷嘴的几何槽型的复杂性通过3D打印技术一次性的勾画出来,这带来了更加经济性的燃油消耗,他们制造的不仅仅是一个零件,而是一个“制造业附加价值放大器”,这个外形紧凑的零件以不可思议的方式激活了发动机的性能,这是非常令人着迷和有趣的。

规模定制领域的典型案例包括宝马mini系列,车主可以轻松的通过APP来定制其车内的内饰产品,通过3D打印和后处理工艺,交付到车主手上。

一些远程制造也通过3D打印成为现实,这其中太空打印是一个很具体的例子,业界可以想象,需要拥有的只是产品的设计,这个设计在遥远的地方可以成为现实中的产品。

那么这一切说明了什么呢?

这说明设计是很重要的,我们必须要想想新的设计思路,必须要重视设计。这是增材制造的关键,业界需要设计的是新的产品,新的设计思路将启发业界思考如何实现功能集成,如何实现减重,甚至可以通过新的算法来自动实现设计,拿这个基于算法的点阵建模过程来说,可以通过算法在业界需要更高的强度的时候实现更强结构的点阵,在需要更轻量化的时候获得更简洁的点阵,这使得设计变得轻松,消除了大量体力性质的建模过程,设计师只需要输入约束条件,大量的建模工作由计算机自动完成,从而实现更快更轻松的设计迭代。

增材思维导向的设计给产品带来了怎样的变化呢?Kristian Arntz博士拿司空见惯的机床上的切削刀具来举例,通过3D打印内冷结构在刀具的内部,实现了更小直径,更好的冷却效果,这带来了一系列的商业竞争价值,包括前沿化品牌影响力,并实现更快的设计迭代,可以更快的测试新设计。有了增材制造,创新的思路可以更加宽广,业界可以思考将不同的制造工艺结合,可以把零件的一部分结构通过铸造或者锻造来完成,再与3D打印制造的部分结合。

最后,Kristian Arntz博士通过一个视频表达了他对增材制造技术不断发展变化的观点,视频中是一个送粉的装置,可以看到激光将金属粉末以自由曲面运动的方式熔化在零件的表面,这带来了很多市场机会,打开了3D打印的更多的多样性空间,也进一步说明ACAM为复杂的增材制造导航的重要性。

了解ACAM更多信息,请点击观看ACAM视频,或点击ACAM链接了解ACAM专辑

Fraunhofer_5G_Europe_Video Cover2视频:ACAM为复杂的增材制造导航

视频中ACAM的双总裁Schleifenbaum教授来自Fraunhofer ILT和亚琛工业大学DAP学院主席,Arntz博士来自Fraunhofer IPT; Schleifenbaum教授、Arntz博士同时是ACAM中国董事。

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