增材制造（3D打?。┘夹g(shù)已然成為未來制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。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、航空以及醫(yī)療等行業(yè)取得了越來越多的應用和進展。
還記得在2014年芝加哥國際制造技術(shù)展覽會（IMTS）上，由3D打印零部件組裝的汽車，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，所使用的機器和運動控制技術(shù)、以及材料科學所取得的進步。汽車車身材料為碳纖維增強聚合物，車輪和輪轂則由金屬材料直接打印而成。整個過程花費44小時，包括40個部件。當打印完成后，首臺3D打印汽車的試駕活動，吸引了眾多媒體的關(guān)注和報道。
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打印汽車。圖片來源：辛辛那提公司
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打印汽車。圖片來源：辛辛那提公司
從此以后，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進步，3D打印持續(xù)成為制造業(yè)的討論熱點，獲得了工業(yè)設(shè)計人員、生產(chǎn)制造商和工程教育人員的關(guān)注。
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3D打印汽車的微工廠
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。最近，他們出售了其中兩套系統(tǒng)給總部位于美國菲尼克斯的Local Motors汽車設(shè)計公司，用于“微工廠”的生產(chǎn)。BAAM系統(tǒng)的工作范圍最大可達 2.4 × 6× 2 米，大規(guī)模增材設(shè)備使用底盤、驅(qū)動器和激光切削系統(tǒng)的控制作為基礎(chǔ)。BAAM由線性馬達驅(qū)動，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、在公路上行駛的高檔越野車以及社區(qū)電動車，每年的生產(chǎn)能力高達250輛?？蛻艨梢杂H臨微工廠，設(shè)計并采購汽車，然后現(xiàn)場就可以“打印”出來。Local Motor公司計劃在下一個十年，在全世界建設(shè)100個這樣的“微工廠”。
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航空和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)的3D打印
據(jù)IDTechEx的一份報告中指出，金屬行業(yè)的3D打印市場增速最快，其銷售額增速高達50%，材料銷售增速超過30%。在高價值、低產(chǎn)量行業(yè)尤其是航空航天、生物醫(yī)學，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)的重點領(lǐng)域。因此，無論是醫(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航空集團和法國斯奈克瑪公司向空中客車公司交付了首批裝有3D打印燃油噴嘴的LEAP發(fā)動機。據(jù)悉，GE公司在阿拉巴馬州投資了5000萬美元建設(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)動機的燃料噴嘴，以及制造發(fā)動機的渦輪葉片。該發(fā)動機所使用的燃料噴嘴，由高溫合金打印而成，而葉片則由釹碳復合材料編織而成。發(fā)動機還采用了部分輕、耐熱陶瓷基復合材料（CMC）。通過這種途徑制造的發(fā)動機，可以減少碳排放量，提高燃油效率。
“增材制造正在趨向為發(fā)電機渦輪葉片這類的更大尺寸金屬件提供制造可能性，這一趨勢可以在IMTS 展會現(xiàn)場一覽無遺。”美國機械制造協(xié)會（AMT）副總裁Peter Eelman 先生說道。在2016年美國芝加哥國際制造展（IMTS）的AMT新興技術(shù)中心設(shè)置了增材制造展示專區(qū)，共有19家企業(yè)帶來包括金屬、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)應用，如骨科植入物。它們也被用來打印牙齒、骨骼、復雜的結(jié)構(gòu)，甚至用于教學的人類心臟模型。該模型旨在提供CT掃描無法提供的信息，幫助醫(yī)生準備復雜的外科手術(shù)。在教學環(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驗，而不僅僅是抽象的概念。
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面向教育的3D打印機器人
想象一下，遇到一個機器人，可以播放“西蒙說”、可以響應指令、甚至可以自拍的情景吧。在美國新澤西州的自由科學中心，通過一款名為SARA的機器人，任何人都可以做上述事情，甚至更多。SARA是由3D打印而成的機器人，具有完整的人形上半身，可以進行互動的。新澤西州霍博肯的史蒂文斯理工學院的學生開發(fā)了該機器人，它可以移動、旋轉(zhuǎn)、舉手臂，拾取物品和擺動手指。
LSC公司總裁兼首席執(zhí)行官Paul Hoffman說，“我們的很多客人，都是初中生和高中生，年齡與史蒂文斯學院的學生相差不大。這尤其令我們興奮，激發(fā)著我們年輕的客戶，在社區(qū)內(nèi)與史蒂文斯團隊分享他們令人震驚的作品。”
基于法國設(shè)計師Gael Langevin和他的InMoov開源項目工作，SARA機器人是由計算機輔助設(shè)計（CAD）設(shè)計而成的。大約由100個部件組成，包括關(guān)節(jié)、“骨頭”和其它用聚氯乙烯（PVC）塑料打印而成的機器人機械部件。
史蒂文斯原型對象制作（PROOF）實驗室主任Kishore Pochiraju教授，與自由科學中心協(xié)調(diào)，舉辦了該項展覽，吸引了大批年輕人參觀該中心。
“我們非常高興，能夠把史蒂文斯學生的聰明才智，與我們自己的技術(shù)結(jié)合起來實現(xiàn)的一個有趣的應用，展現(xiàn)給不同的觀眾。”Pochiraju說，“我們希望它能吸引一些年輕人來參觀科學中心，并讓他們對科學和工程教育職業(yè)感興趣。”
在新澤西自由科學中心，舉辦了一個名叫SARA的機器人展，這些機器人是由位于新澤西霍博肯的史蒂文斯理工學院的學生開發(fā)制造的。圖片來源：史蒂文斯理工學院
3D打印的制造業(yè)前景
隨著3D打印越來越具經(jīng)濟性，制造業(yè)對3D打印的潛在商業(yè)收益也越來越感興趣。2016年5月18日，西門子公司宣布與惠普公司結(jié)成了一項重要的合作關(guān)系。這兩家公司將共同致力于推動將3D打印從原型應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)上實現(xiàn)了精度、細節(jié)和熱力學方面的控制，3D打印速度提升了十倍，而每個打印對象的成本降至最低，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，可以滿足從原型到短期制造等各方面的需求，甚至可以滿足同日交付的業(yè)務(wù)需要。
西門子的3D打印軟件可以在惠普新的Jet Fusion 3D打印機上實現(xiàn)多種材料和多種顏色的3D打印。另外，西門子公司開發(fā)的軟件可以最大限度的提高惠普3D打印機的成型精度，其軟件能夠進行打印控制，并將對于打印對象顏色和材料的控制延伸到體素水平。這些優(yōu)勢以及惠普3D打印機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)的一個非常好的選擇。
“3D打印正在為制造業(yè)帶來一場工業(yè)革命，企業(yè)可以利用3D打印來實現(xiàn)創(chuàng)造性和創(chuàng)新型產(chǎn)品的開發(fā)。”西門子PLM軟件的總裁兼首席執(zhí)行官Chuck Grindstaff說道。
工業(yè)增材制造技術(shù)要想超越現(xiàn)有細分制造方式的狀態(tài)，變成一種大面積普及的主流制造應用，就必須具備降低其成本和復雜性，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，打印出來的部件不僅需要廣泛的后處理，而且在此之后還需要進行測試，以確保沒有缺陷或者錯誤，避免在使用的時候出現(xiàn)問題。
為了更高效的解決上述問題，金屬增材制造公司Sciaky最近開發(fā)了一種被稱之為層間實時成像與傳感系統(tǒng)（IRISS）的金屬3D打印技術(shù)。IRISS可以對零件外形、機械性能、微觀組織以及大型3D打印部件的金屬化學性能提供一致的過程監(jiān)控。該技術(shù)可以實時監(jiān)測金屬沉積過程，及時調(diào)整過程參數(shù)，以彌補在整個打印過程中的波動，從而減少制造后的檢測時間，并能通過實時打印調(diào)整來改進最終產(chǎn)品的質(zhì)量。通過IRISS技術(shù)將使電子束增材制造（EBAM）用戶在打印大尺寸金屬部件過程中，實現(xiàn)對幾何形狀、機械性能、微結(jié)構(gòu)構(gòu)建和金屬化學等方面穩(wěn)定、可靠地控制。
“增材制造已然成為未來制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一，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大錯誤。”全球商業(yè)咨詢服務(wù)公司的創(chuàng)始人David Burns說。
例如，Burns引用了3D打印對航空部件的重新設(shè)計，其中3D打印將每個部件的重量從7磅減小到2磅，并且提供更好的機械性能。每個部件節(jié)省5磅的重量，對航空公司來說，可能意味著每年節(jié)省上百萬美元的燃油成本。
在另一個示例中，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)計減少了循環(huán)時間，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)計團隊能夠?qū)?8個零件組合成1個單一組件，減輕了25％的重量，更重要的是，減少了維護問題。
“將3D打印的設(shè)計理念集成到工業(yè)應用中，需要完全不同的方法。你需要擴展你的思維，以充分利用3D打印的力量。” Burns說， “成本節(jié)約和生產(chǎn)效率的提高將來自于你還沒有想象到的方式。”
“將3D打印的設(shè)計理念集成到工業(yè)應用中，需要完全不同的方法。你需要擴展你的思維，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3D打印技術(shù)應用的重要領(lǐng)域之一。
2.實時監(jiān)控和反饋系統(tǒng)，將幫助用戶提高大型金屬3D打印的產(chǎn)品質(zhì)量。
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