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積層製造:幫助潛力發揮,實現最佳製造
 

【作者: 達梭系統】   2020年09月04日 星期五

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目前許多領域都已採用積層製造技術。無論是醫學工程、手工藝品還是時尚商品,3D列印產品都越來越受製造商和消費者的歡迎。這項技術的優勢非常明顯,特別是對於原型和單個零件的生產,因為它具備操作靈活、成本低廉以及速度快等優勢。積層製造能夠讓公司迅速獲得競爭優勢。但是它在未來也將發生重大變化,尤其是在使用的材料方面。此外,也有人正努力將這項技術應用於批量生產中。


積層製造透過以數位結構資料為基礎的逐層建構、添加,在3D印表機中生成產品和零件,這是透過與現代機器之間的最佳互動、奠基於雲端平台上的智慧聯網以及成熟的3D列印技術所實現的,而現今3D列印中使用的主要材料是金屬,特殊塑膠和合成樹脂。


最佳化零件,減輕重量

在注重於減輕零件重量的領域,例如汽車產業、航空產業、金屬加工和醫藥業等領域,積層製造技術均已得到廣泛的應用。例如,在航空產業中,人們採用積層製造技術來生產飛機零件,得以盡可能地減輕零件重量。最終在零件的製造中節省大量的材料。此外,總重量的降低也會直接影響飛機在空中的消耗值,進而產生更好的環境相容性。


多年來,空中巴士(Airbus)一直都在使用達梭系統的3DEXPERIENCE平台和CATIA設計與開發應用。此外,透過與達梭系統的合作,飛機製造商還開發了一種特殊的3D設計工具。「MyShape」可用於製造客機A350(Airbus A350)的零組件。透過使用衍生設計(generative design)流程,空中巴士能創造新的零組件,這意謂新零組件不再根據原始形狀進行開發,而是以功能為基礎。


當工程師想要找到最能符合飛機要求的零件形狀時,達梭系統軟體會產生零組件的最佳設計。隨後軟體會對新零組件的使用進行模擬,以創造不同材料的組合可能性,或進一步將零組件最佳化。該過程大幅加快了新零組件的開發速度。



圖1 : 達梭系統軟體設計會對新零組件的使用進行模擬,以創造不同材料的組合可能性,或進一步將零組件最佳化。(source:cindrebay)
圖1 : 達梭系統軟體設計會對新零組件的使用進行模擬,以創造不同材料的組合可能性,或進一步將零組件最佳化。(source:cindrebay)

模擬的另一個優勢是可將零組件的熱變形情況直接納入規劃,其會在3D印表機創造期間和之後出現,具體取決於材料的屬性,並且可能影響最終產品的功能。為了解決這個問題,CATIA提供了模擬熱變形功能並使結果直接進行幾何補償,以確保最終零組件的形狀完全符合要求。


降低材料成本

但在積層製造中發揮重要作用的不僅僅是材料的組合。另一個目標是盡可能地節約寶貴的材料。透過對拓撲(topology)進行最佳化,公司能集中精力協調並改進材料的使用。


這樣能夠顯著減少材料的殘留量,就像傳統的製造業一樣,比如金屬零組件通常是從大塊金屬上銑削出來的。製造過程結束後,剩餘材料不能按照原樣再重複使用。相比之下,積層製造可以分層製造零組件並節省材料。


此外,積層製造能實現在一塊材料上製造整個裝配體。這並不意謂要花費很長時間來設置機器。相反地,整個裝配體是逐層3D列印的,這不僅減少了製造時間,而且也減少了組裝裝配體的單個零組件所需的時間。公司不僅能縮短製造時間,而且還能持續降低其材料成本。



圖2 : 積層製造能實現在一塊材料上製造整個裝配體。並不意謂要花費很長時間來設置機器。(source:Markforged)
圖2 : 積層製造能實現在一塊材料上製造整個裝配體。並不意謂要花費很長時間來設置機器。(source:Markforged)

與傳統製造的零組件相比,空中巴士透過積層製造能夠將其「採購品質與飛行品質(Buy-to-Fly)」的比率降低至十分之一。「採購品質與飛行品質(Buy-to-Fly)」是指購買的材料數量與實際使用的材料(即最終用於製造飛機的材料)之間的比率。同時,空中巴士在其A350飛機上使用了1000多種積層製造零組件。


靈活回應客制需求

積層製造的另一大優勢是能夠靈活地創造原型或單個零組件,與傳統製造方式相比成本更低。公司能夠最佳化其滿足客戶需求的方式。消費品產業尤其可以從這項技術中獲利。鞋類品牌ECCO啟動了一個名為「 QUANT-U」的個人化專案,該專案將3D掃描和3D列印進行了完美結合。在某些商店中,客戶能夠測量他們雙腳的尺寸,選擇合適的鞋碼。然後,個人化的鞋子模型很快就能製作出來。


此外,製造複雜原型或零組件的公司也會從這種靈活性中獲益良多。積層製造使其能夠與客戶緊密協作,以便快速、靈活地進行生產。例如,如果一家公司通常在歐洲進行生產,但印度那邊需要零組件,則該組件可以很輕鬆地在現場透過3D製造出來。這不僅意謂與客戶的距離更近,也有助於降低運輸成本。


未來該何去何從?

目前,對積層製造的使用主要集中在希望生產原型、定制零組件或小批量生產的部門。不過,現在已經有人正努力在批量生產中採用3D列印。


在醫療領域中,研究人員正在進行深入的研究和開發,尤其是針對材料使用方面。積層製造使Otto Bock Healthcare能夠在創紀錄的短時間內完善其具創新性的「米開朗基羅」人工手的製作。透過達梭系統的3DEXPERIENCE平台和CATIA Imagine & Shape應用,這家醫療工程公司能夠對其人工手的表面設計進行最佳化,進而使其成為「真實的」模型。如今,在器官重建領域的其他研究專案顯示,積層製造技術將來可能會讓更多人從中受益。


對於高科技和電子領域來說,這種可能性當然是非常有趣的,因為這些領域較注重尺寸的最小化。此時可以想像,感測器技術或電子裝置可以直接整合到積層製造的結構中。例如,測量儀器的感測器將直接列印到電子裝置中。目前,已經有第一批供應商在15小時內,而不是在50天內,透過3D列印來製造複雜的多層電路板。


總結

積層製造顯然不僅僅是一種趨勢,而是一項變革性技術,註定會在未來變得舉足輕重。透過創新開發、靈活製造和持續降低成本,積層製造幫助公司提高營運敏捷性以實現競爭優勢。


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