洞见3D打印未来发展关键要素,增材制造如何对制造产生深远影响?

ACAM 亚琛增材制造中心位于 RWTH Aachen 亚琛工业大学校区,汇集资源并促进行业获得领先科研机构的增材制造专业知识。ACAM 是增材制造的一站式的研发枢纽,涵盖从设计阶段到质量控制的整个流程链,并专注于流程链自动化、定制材料开发、提高生产力和缩短周转时间等主题。

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3D打印-增材制造,这本身是一个包含多种学科知识的门类,在亚琛通过ACAM作为门户来提供跨界融合的解决方案。亚琛为世界的增材制造贡献着卓越的力量,其中亚琛工业大学参与的ProCloud3D被选为中国科技部和德国教育和研究部资助的两个项目之一,成为工业4.0强大愿景的组成元素。

本期,结合Johannes Schleifenbaum教授-亚琛工业大学数字增材制造学院院长兼ACAM亚琛增材制造中心总裁为业界提供的来自亚琛的增材制造远见,3D科学谷特别与谷友分享关于3D打印发展关键要素,增材制造如何对未来产生深远影响。

Video Cover_Fraunhofer ACAMACAM为复杂的增材制造导航
© ACAM

根据ACAM亚琛增材制造中心,ACAM亚琛增材制造中心对增材制造在多功能材料方面的愿景为无限组合的材料与技术,而最终的目标是点击即生产。ACAM亚琛增材制造中心定义达到这个愿景的进阶过程包括5个梯度,当前的世界范围内的发展大多还处在Level 0的水平,Level 0为功能化增材制造过程,Level 1为可预测的增材制造过程,Level 2为自动化的增材制造过程,Level 3为全自动化的增材制造包括前处理与后处理,Level 4为集成化的全自动化不同制造工艺的组合。

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block 数字化、网络和可持续发展

数字化、网络和可持续发展等主题在亚琛增材制造中心的使命宣言中发挥着重要作用。ACAM 如何看待这些因素在增材制造方面的作用?

首先从合作网络开始,作为经典的工业研发网络中心,ACAM具有将某些主题和研究重点提供给行业的功能。ACAM以综合、密切合作的形式做到这一点,将知识转化为工业化,并最终将其转化为价值创造。

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。

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。

Valley_AI人工智能赋能3D打印
© 3D科学谷白皮书

就数字化而言,重要的是要强调这个数字化过程没有明确的终点,数字化对于增材制造的一个关键方面是从时间驱动到事件驱动操作的转变:例如,预测性维护是从固定维护间隔转向基于数据的机器状况分析方向。这是因为增材制造天然带有数字化的属性,数字化也必然在增材制造领域发挥深层次作用,从某种意义上说,3D打印-增材制造是数字化真正意义的双胞胎,并将人类带到了可持续性发展方面。(延伸阅读:位于德国亚琛的欧洲5G工业园打开广阔的生产机遇)

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© Fraunhofer IPT

block 3D打印推动生产过剩的模式转向需求驱动的生产模式

3D打印推动生产过剩的模式转向需求驱动的生产模式,这是关于数字化的净经济效益。人类发展至今有能力简单地拥有产品,但很多产品以浪费的形式存在。今天大多数商品的利用率都并不高,所以显而易见的事情就是提高使用效率。

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、并催生新的商业模式。

3D打印带来的数字化让人类第一次真正能够产生真正的经济净收益的门槛:通过将客户行为与生产者行为同步。以需求为导向,从生产过剩转向需求驱动的生产。ACAM亚琛增材制造中心看到了使用可个性化、灵活的流程来补充已建立的流程的愿景,以尽可能减少当前人类浪费资源的方式。很简单,人类有责任考虑如何节约资源。(延伸阅读:Fraunhofer的futureAM – 下一代增材制造大幅提升3D打印经济效益)

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© 亚琛Fraunhofer ILT

block 增材制造并非仅仅是科研院所的工具

2011 年,当时《经济学人》在3D打印的可演奏小提琴上刊登了封面故事。标题是“将改变世界的制造技术”。许多人当时得出的结论是,我们很快就会打印出所有东西,甚至3D打印机也会打印出3D打印机本身,当然,结果并非如此,但这个故事甚至引起了那些从商业案例角度思考的人的关注。

与此同时,当然3D打印的发展也有逆风,特别是考虑到传统制造行业对3D打印技术的接纳程度。许多设计师已经接受了数十年的培训,已经习惯于在传统制造系统中进行思考和设计。现在告诉他们:你 30 年来所做的很好,但现在已经结束了。这是令人难以接受的事情。

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© 3D科学谷白皮书

设计是很重要的,业界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。

3D打印发展至今,业界仍然面临这个挑战:基于增材思维的设计和增材制造的连贯性。当3D打印在整个产品生命周期中发挥出价值创造回报时,真正的关键转折点就出现了。(延伸阅读:推动3D打印规模化,亚琛工大通过开放虚拟化格式(OVF)为数据“瘦身”)

block 3D打印对其他制造技术的深远影响?

增材制造可以而且将会在许多领域产生互补效应,例如,ACAM已经看到燃烧器的几何形状允许从 100% 天然气转换为 100% 氢气,基于仿真模拟,亚琛研究人员预测使用 LPBF选区激光熔化金属3D打印可以显着减少组装所需的时间,并将这种燃烧室的成本降低多达90%。除了新的设计带来的燃烧对生态的保护和经济优势外,LPBF选区激光熔化金属3D打印还使制造过程更具可持续性,与传统生产方式相比使用了更少的资源。为3D打印设计的MMX 燃烧室使气体与供应的空气最佳混合,燃烧时 NOx 氮氧化物排放量更少。燃烧室中小火焰的另一个优点是对回火的更高安全性,使这种燃烧器具有适当的缩放比例,不仅适用于固定式燃气轮机,而且适用于航空航天应用。而且这种燃烧器的设计根本无法以传统制造的方式生产。(延伸阅读:弗劳恩霍夫Fraunhofer IPT研究所3D打印新型设计的氢气燃烧室)

目前很多新设计尽管还没有进入产业化,还处于初始阶段,但如果制造企业今天不做出准备,并进行备品备件及原型的创新,从创新思维的设计入手,这些企业将被其他人超越,很快这些企业发现自己已经处于竞争劣势中。(延伸阅读:福特携手亚琛工大开发灵活而可持续的3D打印电动机零部件)

此外,尽管有的3D打印-增材制造技术还并不成熟,但需要注意的是3D打印-增材制造是被广泛接受的统称,涵盖了大约 25 种以数字方式逐层构建的不同技术,不同的技术的成熟度是不一样的。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。仅在德国,每年就有数千个髋关节植入物被3D打印出来,某些类型的技术的商业化程度已经很高了。(延伸阅读:精华预览!formnext深圳展ACAM关于增材制造技术发展趋势与前沿应用的精彩洞见!

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© 亚琛Fraunhofer ILT

block 新材料的研究和开发有多重要?

根据弗朗霍夫研究所-Fraunhofer,未来制造业竞争的关键是材料,以数字形式提供材料的行为,将产品开发与材料开发关联,通过工业 4.0将材料信息链接到整个加工应用链条中,大幅降低材料的全寿命应用成本。

为了推动数字材料在工业应用中的非凡潜力,亚琛工业大学数字增材生产 DAP 学院专注于开发用于生成智能数字材料的创新及高效算法。开发的解决方案侧重点是在未来生成数字材料时可以自动集成生产和应用相关的条件,从而使得设计更轻松更智能化。

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将增材制造设计领域的专业知识与在增材制造工艺开发领域多年的专业知识相结合,作为各种项目的一部分,亚琛工业大学数字增材生产 DAP 学院正在为汽车、航空、模具和医疗行业的应用领域开发和工业化数字材料。(延伸阅读:欧洲地平线2020发起topAM 项目支持开发3D打印ODS氧化物弥散强化合金)

block 创新,基于资源与交流

3D打印-增材制造领域的创新要求不仅要有资源,还要有交流。不能只停留在科学领域,还必须带入工业,带入到国民经济。创新必须找到用户,激励用户。

ACAM提供对增材制造未来的见解,是因为ACAM有幸处理通常在未来发生的话题。德国亚琛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。(延伸阅读:ACAM为复杂的增材制造导航

3D打印-增材制造,其发展趋势就像电视,从原来黑白相间,连人影都看得默默糊糊的小“盒子”,再到彩色电视,再到现在的超薄大屏幕的数字电视,其发展中脱胎换骨的感觉让人无法将这一技术定格在电视曾经的模样。

未来已来,合作、信任、创新,你准备好了吗?

知之既深,行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络,3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析,请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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