前言
Caterpillar是一家關(guān)注當(dāng)前及后續(xù)市場零件，并以此為未來零件產(chǎn)品的生產(chǎn)做準(zhǔn)備的增材制造工廠。
總有一天Caterpillar會(huì)借助增材制造實(shí)現(xiàn)更高效的零件設(shè)計(jì)。在這一重型設(shè)備制造商的增材制造團(tuán)隊(duì)成員的眼中，從長遠(yuǎn)看，這是增材制造最大的潛能。其可將各組件加工成一個(gè)單件，而且可對組件的形式進(jìn)行精確的量身定做，以實(shí)現(xiàn)對每一零件的功能、質(zhì)量和成本的最優(yōu)組合。
然而，目前的技術(shù)尚不能如此。從現(xiàn)在起，要做的工作還有很多。
與大多數(shù)工廠相比，增材制造工廠不僅更加清潔、安靜，而且還有各種功能，用于利用聚合物和金屬通過3D打印制造功能零件
為了充分發(fā)揮潛能，增材制造尚需不斷發(fā)展，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)前水平，這對其他制造商如此，對Caterpillar更是如此。因此，目前其團(tuán)隊(duì)成員正在關(guān)注增材制造的短期潛在效益，其中之一便是提高維修件的生產(chǎn)速度。
用于機(jī)動(dòng)平土機(jī)和挖掘機(jī)之發(fā)動(dòng)機(jī)系列的燃油濾清器底座是例證之一。起初，復(fù)雜的鋁合金組件需要通過鑄造加工制造而成，但供應(yīng)商停業(yè)了。結(jié)果，為了滿足后續(xù)市場客戶的需求，Caterpillar正面臨著長期延期，因?yàn)樾枰獙ふ倚碌蔫T造供應(yīng)商，并提供數(shù)額較大的最低訂購量以抵上加工成本。或者，還有一項(xiàng)供替代的選擇。一種通過激光熔化增大的零件已通過了所有必要的功能測試，而且此類零件無需任何工具、供應(yīng)商以及最低訂購量。通過增材制造，諸如此類的后續(xù)市場零件不會(huì)出現(xiàn)延期生產(chǎn)，而且還可實(shí)現(xiàn)按需增大。
所以，盡管人們對增材的預(yù)期與為此工藝設(shè)計(jì)的零件相關(guān)，但我們?nèi)〉玫某晒Ω緹o需重新設(shè)計(jì)，這一成功為Caterpillar創(chuàng)造了極具吸引力的可能性。如果我們可實(shí)現(xiàn)足夠多的短期成功，那么，此類應(yīng)用所創(chuàng)造的盈利或可能為公司認(rèn)為需要做出的更大努力提供資金和支持。也就是說，當(dāng)前的收益可幫助加速增材制造知識(shí)在整個(gè)公司的傳播，從而Caterpillar可時(shí)刻準(zhǔn)備著將增材制造作為成熟的生產(chǎn)資源應(yīng)用于生產(chǎn)。
實(shí)現(xiàn)這一更大目標(biāo)的重要一步是公司于2015年年底在公司位于Illinois的總部附近新開了一座增材制造工廠。這一“工廠”與大多數(shù)與之相關(guān)的工廠相比更小而且更安靜，有熔融沉積快速成型（FDM）、光固化成型（SLA）、選域激光粉末燒結(jié)（SLS）等3D打印功能，還有用于聚合物零件的材料噴射，以及兩臺(tái)用于金屬部件的激光熔化設(shè)備。我曾參觀過該工廠，并與駐廠的Caterpillar團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行過交流，包括Deb Conklin、Austin Schmidt和Joe Taylor。
Conklin曾對該機(jī)構(gòu)的一個(gè)比較基本的問題做出了解釋，即為什么增材制造需要自己的機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊(duì)？
增材制造與眾不同
為什么增材制造需要自己的機(jī)構(gòu)？與此相關(guān)的問題是：增材制造是否代表一種不同的零件制造方式或零件設(shè)計(jì)方式？Conklin答道：“是的，兩者兼具。”作為公司新興技術(shù)組合的主任，Conklin對這些被公司高管認(rèn)為具有破壞性的技術(shù)負(fù)有責(zé)任。增材制造或許是破壞性技術(shù)的典型代表，因?yàn)樗赡軙?huì)對公司很多不同的方法造成影響。
早前，Conklin就職于Caterpillar的物流部門。因此，對她而言，增材不僅解決了制造和設(shè)計(jì)方面長期存在的問題，而且還是一個(gè)清晰的物流解決方案。首先，燃油濾清器底座就是物流方面的一大成功。雖然這一零件的設(shè)計(jì)未曾改變，但供應(yīng)鏈的簡化和最低訂購量的降低共同為大大降低這一零件的管理和處理成本提供了保障。Conklin介紹到，這一作用使得增材制造不同于某些現(xiàn)有生產(chǎn)過程取得的進(jìn)步，例如焊接。
這一燃油濾清器底座可用于各種產(chǎn)品的發(fā)動(dòng)機(jī)中，包括對本文中的挖掘機(jī)。本文所示零件即通過增材制造而非鑄造生產(chǎn)而成，因?yàn)樵摿慵呛罄m(xù)市場零件，所以我們將其增大，以便與原始部件的設(shè)計(jì)相匹配。此處，增材的優(yōu)勢不在于設(shè)計(jì)自由，而在于加速傳統(tǒng)零件的發(fā)貨
“對于焊接，我們不僅了解它的應(yīng)用條件，而且了解對焊接工藝技術(shù)進(jìn)步進(jìn)行試驗(yàn)和應(yīng)用的條件。”她說。類似之事對增材制造而言未必適當(dāng)，而且對這一技術(shù)的使用條件進(jìn)行的任何早期假設(shè)都可能限制其發(fā)展。例如，機(jī)械加工組可利用增材制造進(jìn)行設(shè)備生產(chǎn)，而設(shè)計(jì)師可利用其進(jìn)行樣品設(shè)計(jì)。兩項(xiàng)應(yīng)用都可行，但任何一組都會(huì)自然而然地強(qiáng)調(diào)其中一項(xiàng)應(yīng)用，而不探索另一應(yīng)用的可能性。事實(shí)上，自從20世紀(jì)90年代初，公司很多零件都采用了不同類型的3D打印機(jī)。當(dāng)前，另建一座增材制造機(jī)構(gòu)的目的是進(jìn)行下一步——實(shí)現(xiàn)增材制造專門技術(shù)和能力的集中化，如此，該機(jī)構(gòu)可作為中心與公司可能受益的每一部分進(jìn)行連接。
這就是為什么這一新機(jī)構(gòu)會(huì)被更加準(zhǔn)確地表述為工廠而非實(shí)驗(yàn)室，這里能生產(chǎn)出實(shí)實(shí)在在的零件，無論是樣品、后續(xù)市場部件亦或最終的零件產(chǎn)品。從技術(shù)上講，這是一個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)，但正如Caterpillar的Schmidt更喜歡的說法：“我們認(rèn)為我們團(tuán)隊(duì)所做工作的研究較少、開發(fā)較多。”
超越
Schmidt是一位增材制造工程師，也是新機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)的一份子，協(xié)助完成機(jī)構(gòu)的使命。值得注意的是，盡管他不在Peoria工作，但他的辦公室位于Ohio，而他把多數(shù)時(shí)間用于參觀公司的其他機(jī)構(gòu)，尋找那里潛在的增材制造機(jī)遇。其他深諳增材制造的工程師也經(jīng)常因?yàn)橄嗤脑蛉e的地方考察。Schmidt經(jīng)?；卦霾闹圃旃S，也經(jīng)常與駐廠人員遠(yuǎn)程通信。
如其所述，他的日常工作之一便是領(lǐng)導(dǎo)增材制造培訓(xùn)，培訓(xùn)的一大內(nèi)容便是宣傳引導(dǎo)、鼓勵(lì)工程師認(rèn)識(shí)到：增材既允許也需要新的思維模式。他的培訓(xùn)范圍可大可小，可能是關(guān)于增材制造話題的1h的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，也可能是為期數(shù)日的討論會(huì)。他前幾天在德國主辦了一個(gè)為期兩天的討論會(huì)，最近剛回來。
Schmidt表示，整個(gè)公司越來越多的工程人員了解了3D打印的實(shí)質(zhì)，并大致認(rèn)識(shí)到了它的潛力，他的培訓(xùn)一般會(huì)比這一認(rèn)識(shí)要更早一步。“我對七、八種不同類型的3D打印技術(shù)進(jìn)行了深入研究，了解了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。”他說。對于很多當(dāng)時(shí)可能尚未認(rèn)識(shí)到“3D打印”是一套不同的工藝而非單一通用操作的人來說，這是一項(xiàng)新知識(shí)。Caterpillar目前對所有上述工藝進(jìn)行了應(yīng)用，包括用沙子進(jìn)行3D打印——這是為公司在Illinois的鑄造工廠新近購買的一項(xiàng)技術(shù)。
Joe Taylor說公司將會(huì)盡其所能對增材制造進(jìn)行發(fā)展完善，直至其成為Caterpillar的一大生產(chǎn)資源。對于生產(chǎn)金屬零件的設(shè)備而言，它們的速度需要提高，而且粉末金屬的成本需要降低。目前，公司不僅認(rèn)識(shí)到了增材制造的價(jià)值，而且已做好準(zhǔn)備迎接此類變化的產(chǎn)生
如何為增材進(jìn)行設(shè)計(jì)是Schmidt的下一項(xiàng)指導(dǎo)內(nèi)容，同樣這一領(lǐng)域的可能性超出了許多人的想象。很多復(fù)雜的零件形式無法用其他方式加工而成，但或許可通過增材制造生產(chǎn)出來，這一點(diǎn)眾人皆知，未來，Caterpillar將更加充分地挖掘這一潛能。但Schmidt還強(qiáng)調(diào)了對多重設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的容易性。例如，既然砂型打印支持鑄造工廠不通過任何模式即可制造模具，那么為什么不可以進(jìn)行多重稍有不同的鑄件設(shè)計(jì)并對其一一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？這是對潛能的挖掘，但不僅僅指鑄造方面，這也會(huì)讓當(dāng)前的設(shè)計(jì)工程師從對其了解中受益。
能夠參與公司的這一學(xué)習(xí)過程，Schmidt熱情滿滿。像Caterpillar這樣的公司不會(huì)受限于FAA或FDA，他指出，這意味著與其他行業(yè)的公司相比，該公司能夠在利用增材制造開發(fā)新產(chǎn)品方面發(fā)展得更快。
話又說回來，增材制造對其他行業(yè)很重要的一些優(yōu)勢本身也不再適用，比如減重。推土機(jī)等設(shè)備的優(yōu)勢源于其龐大，故而一般不值得追求其重量的減輕。與其他制造商不同，Caterpillar將會(huì)探索自己的增材制造發(fā)展之路。
投入生產(chǎn)
為了充分發(fā)揮其作為一門生產(chǎn)工藝的潛能，增材制造技術(shù)還要走多遠(yuǎn)？在這一方面，公司的Joe Taylor的觀點(diǎn)或許最清晰，Joe Taylor作為增材制造工程師負(fù)責(zé)監(jiān)督增材制造工廠的運(yùn)行，正如在擔(dān)任此職位前，其雖在Caterpillar工作了近20年，但大多數(shù)時(shí)間用于監(jiān)督更多的傳統(tǒng)制造資源和部門。
Joe Taylor說：“在原型設(shè)計(jì)方面，3D打印一直在為公司節(jié)約成本，這已經(jīng)成為了常規(guī)。在近期一項(xiàng)含零件裝配（包括25件零件）的案例中，3D打印的所有部件暴露了對其中5件零件的干擾，但這當(dāng)時(shí)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型中尚未被發(fā)現(xiàn)。過去，此類問題可能直到零件投入生產(chǎn)才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。同樣，管道和閥門的原型提供了一種廉價(jià)的方式用于在設(shè)計(jì)發(fā)布前測試和改進(jìn)流體流動(dòng)。”然而，當(dāng)涉及生產(chǎn)時(shí)，成本的節(jié)約面臨著多重困難。如其所述，材料價(jià)格是多重困難之首。他說：“必須要降低粉狀材料的成本。”相對于其他增材制造用戶而言，這對于Caterpillar是更實(shí)實(shí)在在的困難，因?yàn)楹娇蘸教旌歪t(yī)療領(lǐng)域的原始設(shè)備制造商所采用的是高成本的金屬，但Caterpillar的產(chǎn)品材料為鐵、鋁和鋼。
這一軟管夾通過工藝熔融沉積制造增大而成，當(dāng)然也與目前的設(shè)計(jì)相匹配，它采用了3D打印技術(shù)，所以性能可與當(dāng)前在用的零件相媲美
在Taylor的介紹中，我想他會(huì)把生產(chǎn)規(guī)模視為困難之一，因?yàn)槲艺J(rèn)為Caterpillar有很多大型設(shè)備。但這并不足為慮，當(dāng)前的金屬增材制造設(shè)備能滿足大量零件產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。提及當(dāng)前的設(shè)備，他說更令人擔(dān)心的限制性規(guī)格是速度。燃油濾清器底座的制造需要80h，或許這么長的周期可用于維修件，但不適用于生產(chǎn)。
當(dāng)然，更低的成本和更高的速度都是程度上的差異。他介紹道也可通過幾種方法將增材制造設(shè)備的基本功能進(jìn)行改變，他還提到應(yīng)格外對金屬加工設(shè)備予以更多關(guān)注。工作間的轉(zhuǎn)變需要太多的人為參與，即使Caterpillar僅將增材用于生產(chǎn)后續(xù)市場零件，而這也已經(jīng)體現(xiàn)了增材本身的價(jià)值，但僅這一項(xiàng)應(yīng)用就需要設(shè)備一周7天、每天24h的運(yùn)轉(zhuǎn)，而且還會(huì)需要更多的設(shè)備。到目前為止，尚未對設(shè)備進(jìn)行針對此類操作的設(shè)計(jì)，Taylor預(yù)計(jì)料斗等容器可能會(huì)繼續(xù)用于新材料的供給，同時(shí)會(huì)有加速并簡化工作轉(zhuǎn)變的特性。
這些變化可能即將到來，或許十年之后，也或許短短三年內(nèi)。當(dāng)它們真的到來時(shí)，Caterpillar將何處容身？
Conklin說這正是公司旨在通過增材制造工廠和與其相關(guān)的培訓(xùn)工作以及成功應(yīng)用回答的問題。當(dāng)增材制造為應(yīng)用于生產(chǎn)準(zhǔn)備就緒后，一種可能就是其優(yōu)勢將被錯(cuò)失，但屆時(shí)取而代之的可能就是公司會(huì)雇傭那些長期研究增材的人員以及準(zhǔn)備發(fā)揮增材之潛能的人員。
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
