基于數字化和技術變革的快速步伐，增材制造（AM）的工業化進程已持續了很長一段時間。從它進入鑄造、機械加工及其他制造流程的時間，可以認為它已經獲得了廣泛應用、有效促進了生產發展。增材制造在這種大環境下已存在了30年左右，但當將它與其他更成熟的、用于零件生產的傳統制造工藝比較時，其仍處于非常初級的階段。
盡管如此，增材制造技術仍取得了重大進展，在過去十年尤其明顯。它已被用于許多行業的部件生產，包括受到高度監管的航空航天和醫療行業。其應用的領域不僅局限在生產原型、備件或一次性產品，只要材料滿足需求，批量生產零件已變得非常容易。
圖片來源：蓋蒂圖片社
得益于增材制造更低的成本、更可靠的系統，再加上在供應鏈上持續存在的瓶頸，汽車行業在金屬增材制造的零部件生產上做了大量投資。盡管應用增材制造技術制造數百萬個金屬部件仍然有難度，但其應用于批量生產的未來似乎已經可以預見。
汽車制造商對增材制造的青睞
豪華車和高端車因為有著更高的利潤率，愿意嘗試新技術，因此增材制造也正在豪華車和高端車市場中尋找突破口。據外媒近日消息，粘合劑噴射3D打印系統供應商Desktop metal收到德國一家主要汽車制造商價值790萬美元的粘合劑噴射增材制造系統訂單，用于大規模生產金屬汽車動力總成部件。
雖然Desktop metal沒有透露該訂單的合作車企，但考慮到寶馬是Desktop metal通過BMW iVentures的首批投資者之一，大眾汽車正在積極與惠普合作，而戴姆勒奔馳已經與EOS合作多年，外媒猜測這家德國汽車制造商是寶馬。
據悉，Desktop metal為終端零件的批量生產提供了廣泛的高通量增材制造解決方案組合，并支持包含超過250種材料的全面和多樣化的材料庫，可使用的材料涵蓋金屬、復合材料、聚合物、陶瓷、生物兼容材料、沙子、木材和彈性體等，在汽車、醫療保健和牙科、消費品、航空航天等行業擁有快速增長的客戶基礎。
除了汽車OEM廠商，零部件企業也在發力增材制造。馬勒與SLM Solutions合作，應用SLM Solutions的系統，并授權OEM和一級供應商，以滿足他們在系列生產中對金屬增材制造的需求。通過合作，兩家公司正在提高汽車零部件原型和系列生產的速度和質量。
據悉，這些部件將由鋁和不銹鋼合金打印而成，具有顯著的彈性和耐腐蝕性能，并且優化了拓撲結構以減少整體重量。對于傳統制造方法來說過于復雜的結構，可以很輕松地生產出來，同時仍然遵循汽車行業嚴格的質量標準。
經典圓線繞組的橫截面（左）和 3D 打印單個線圈的橫截面（右）
據悉，馬勒在斯圖加特的戰略3D打印中心將通過革新原型生產的步伐，在加強其作為原始設備制造商領先的開發合作伙伴的角色中發揮關鍵作用。新中心將把生產時間從幾個月縮短到幾天，從而同時加速向氣候中性的移動出行的發展。開發重點將主要集中在來自熱管理、機電一體化和電子領域的組件。
新定義為增材制造零件生產開辟道路
增材制造正在尋找立足點，而不僅僅局限在原型制造。ISO/ASTM 52900:2021最近更新了增材制造的標準定義：
● 一種工藝，像機械加工、鑄造、鍛造、注塑那樣的工藝過程；
● 匯合了粉末狀、液狀、線狀或其他固體形式材料，如聚合物、金屬、陶瓷、其他材料或其他組合物；
● 用以制造零件，也稱“可構成全部或部分目標產品的功能性要素”；
● 采用三維模型數據，可以是三維實體（如CAD）模型、STL或AMF文件、DICOM文件，三維點云或其他；
● 通常以一層覆蓋一層的方式，將材料疊加、匯合在一起，由此產生七種不同類型的增材制造過程；
● 與另兩種重要、完善的生產制造工藝——減材制造和成形制造技術是相反對照的。
這個新定義用“零件”取代了“物體”，強調了增材制造的功能本質——即制造“全部或部分目標產品”。 這個定義的“新”在于認識到工業向零件生產轉移這個趨勢。與此同時，更新后的定義仍為“功能性要素”原型設計留下了空間。這個“功能性要素”，代表了全部或部分目標產品。實際上，不管未來會不會將生產轉向增材制造方向，許多公司都在試圖做出一個有說服力的金屬增材制造案例，用功能性原型快速迭代設計替代方案，縮短開發周期。
例如在電動汽車電動機繞組方面，3D打印技術展示出了其優勢。雖然電動機可能看起來很基本，但內部有很多部分在起作用，包括熱力學、結構力學和電磁學，其設計必須緊湊，甚至因為工作空間很小，需要重新設計工程和部件的放置。
傳統制造會產生典型的圓線繞組，由于導體、工藝和幾何形狀必須匹配，因此傳統繞組往往受到限制并且難以完美。借助新的3D打印技術繞組的線圈，同時通過 Additive Drives 創建的新程序和定制的激光熔化系統，能夠防止空隙和凹槽不合適的問題，填充凹槽時銅的量增加，電阻更小。因為每根導線都與線圈的所謂疊片鐵芯熱接觸，可變形狀也有利于散熱，因此沒有熱點，電動機的輸出功率也可最多提升45%。
結語
事實上，利用3D模型數據制造零件給增材制造帶來了許多經濟效益，其中最大一個因素是“數據就是工具”。 換句話說，工具、固定裝置、夾具等的高成本設備也同樣應用于其他成形工藝。而與減材制造工藝相比，用一層疊一層增加材料的方式制造零件，可以減少廢料，防止浪費，能帶來額外的經濟效益。
簡而言之，增材制造正在“成長壯大”，已經在生產車間擁有越來越多的成功案例。但即便技術成熟，增材制造也依然不可能完全取代其他減材、成形工藝。不過，我們要看到的是，按照最新的定義，在某些零件生產場景中，增材制造是更具優勢的。因此，找出這些零件生產場景，對有志于應用增材制造來提高設計效率、降低制造成本的企業來說，是接下來的一項重要挑戰。
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