3D打印如何推動(dòng)工業(yè)4.0？

想象一下，在家里或辦公室打印出一部完整的、功能齊全的智能手機(jī)。3D打印(3DP)，又名增材制造(AM)，可以將未來(lái)的工廠(chǎng)重新定義成一種可以放在桌面上的設(shè)備。

現(xiàn)在距離這個(gè)目標(biāo)還有很長(zhǎng)的路要走，但是3D打印已經(jīng)應(yīng)用在制造電子產(chǎn)品，比如連接器、印刷電路板、射頻放大器、太陽(yáng)能組件、嵌入式電子產(chǎn)品和外殼。在線(xiàn)制造平臺(tái)Hubs編制的一份報(bào)告顯示，打印技術(shù)和材料的進(jìn)步幫助3D打印實(shí)現(xiàn)了其工業(yè)潛力。

市值1.01億美元的3D打印機(jī)制造商Markforged的發(fā)言人Sam Manning表示:“作為一個(gè)行業(yè)，3D打印肯定正處于一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，很多人都愿意打印最終用途的部件。”“這與五年前相比有很大的不同。”

在整個(gè)制造業(yè)，3D打印解決了許多行業(yè)特有的問(wèn)題。制造商不再需要依賴(lài)海外合作伙伴進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。設(shè)計(jì)可以安全地直接下載到打印機(jī)，從而降低IP盜竊的風(fēng)險(xiǎn)。組件可以在消耗時(shí)按照所需的確切數(shù)量進(jìn)行構(gòu)建。這使企業(yè)擺脫了最低訂單要求和裝運(yùn)/交付提前期的影響。用供應(yīng)鏈術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，3D打印是“及時(shí)生產(chǎn)的助推劑”。

幾年前，全球市值297.2億美元的EMS供應(yīng)商Flex就將3D打印確定為其工業(yè)4.0戰(zhàn)略的支柱。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和制造團(tuán)隊(duì)經(jīng)常對(duì)如何構(gòu)建產(chǎn)品有不同的看法。3D制造通過(guò)提供即時(shí)原型和模型縮小了這一差距。隨著產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，3D技術(shù)會(huì)為過(guò)程中的每一步創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字存儲(chǔ)庫(kù)。設(shè)計(jì)變化可以快速合并，并建立一個(gè)新的3D模型。

制造商還認(rèn)識(shí)到3D打印的成本和可持續(xù)性?xún)?yōu)勢(shì)。從原材料到紙板箱的浪費(fèi)基本上被消除了。庫(kù)存不再需要在倉(cāng)庫(kù)中存儲(chǔ)和維護(hù)。運(yùn)輸和配送成本是最低的。根據(jù)Hubs的報(bào)告，流程自動(dòng)化正在通過(guò)切片機(jī)優(yōu)化、智能部件定位、批量布局和后處理來(lái)提高打印速度、質(zhì)量和一致性。

切片是將3D模型轉(zhuǎn)換為打印機(jī)指令集的過(guò)程。

Manning說(shuō)：“工廠(chǎng)將不再需要每年檢查庫(kù)存，以確保庫(kù)存中有合適的零件，或者，萬(wàn)一你沒(méi)有所需的零部件，你就只能坐在那里等待。”“現(xiàn)在的模式是‘拿一個(gè)，做一個(gè)’。”

越來(lái)越多的軟件解決方案將3D打印生產(chǎn)鏈中的各個(gè)階段連接起來(lái)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。Markforged開(kāi)發(fā)了自己的軟件。完全自動(dòng)化的工作流程可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的3D打印，工廠(chǎng)幾乎不需要人工監(jiān)督。

Manning說(shuō):“我們的軟件確保切片是準(zhǔn)確的，并在打印之前模擬零件，以確保拉伸強(qiáng)度。”“如此，你便擁有了一個(gè)零件的數(shù)字存儲(chǔ)庫(kù)。”

新進(jìn)度

3D打印/AM領(lǐng)域由硬件(主要是打印機(jī))、材料和軟件組成。據(jù)Hubs報(bào)道，大型金屬增材制造領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。SLM解決方案公司正在為美國(guó)空軍建造一個(gè)具有1.5米Z軸的激光粉末床融合系統(tǒng)，該系統(tǒng)將使用多個(gè)激光器來(lái)生產(chǎn)大型金屬部件。

大型復(fù)合材料專(zhuān)家Caracol正在開(kāi)發(fā)一種近凈形金屬絲電弧增材制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用金屬絲原料和機(jī)器人焊接臂來(lái)創(chuàng)建大型結(jié)構(gòu)或修復(fù)金屬零件。

迄今為止，最大的3D打印產(chǎn)品是波音公司使用的配平工具。該工具在加工和鉆孔時(shí)固定在波音777x的機(jī)翼蒙皮。

3D打印材料包括種類(lèi)不斷增加的工程熱塑性塑料和樹(shù)脂、復(fù)合材料、聚合物粉末和金屬粉末。靜電放電樹(shù)脂可用于電子產(chǎn)品、可穿戴設(shè)備中的阻尼彈性體樹(shù)脂以及運(yùn)輸和其他行業(yè)中的阻燃材料。在熔融沉積成型中，非平面打印已經(jīng)取得了突破，軟件可以打印曲線(xiàn)，消除懸垂的支撐，提高垂直強(qiáng)度。

“我們不只是制造打印機(jī)，”Manning說(shuō)，“我們制作材料并處理軟件。當(dāng)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同工作并不斷向AI和ML學(xué)習(xí)時(shí)，3D打印的采用率將會(huì)提高。”

Markforged可以立即將設(shè)計(jì)發(fā)送到13,000臺(tái)經(jīng)過(guò)ISO安全認(rèn)證的已連接打印機(jī)中的任何一臺(tái)。“當(dāng)你考慮能夠解決當(dāng)前的供應(yīng)鏈問(wèn)題時(shí)，你所要做的就是點(diǎn)擊‘發(fā)送’和‘打印’，”Manning說(shuō)。

3D打印用例

無(wú)論產(chǎn)品是智能手機(jī)還是墊片，3D打印都非常適合原型制作、工具制作和大規(guī)模定制。原型在全面生產(chǎn)之前評(píng)估產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和功能。新的設(shè)計(jì)或特性可以更靈活地迭代、測(cè)試和驗(yàn)證。

Manning說(shuō):“我認(rèn)為，我們將看到的最重要的事情之一是，你甚至在按下‘打印’之前，就可以在云中迭代你的產(chǎn)品，而不是使用AM進(jìn)行快速原型和打印。”“你會(huì)確切地知道零件在強(qiáng)度和耐用性方面的規(guī)格。”

工具涉及創(chuàng)建用于生產(chǎn)的專(zhuān)用設(shè)備。3D打印能夠按需生產(chǎn)工具、夾具和裝配輔助工具，可以最大限度地減少機(jī)器停機(jī)時(shí)間、提高生產(chǎn)靈活性并解鎖定制解決方案。豐田將增材制造用于模具，將敏捷性、更快的交貨時(shí)間和設(shè)計(jì)自由度作為三大優(yōu)勢(shì)。

3D打印還為小批量制造提供了一種經(jīng)濟(jì)可行的方法。企業(yè)可以提供限量版產(chǎn)品和備件生產(chǎn)，同時(shí)最大限度地降低成本。豐田正在使用惠普的3D打印技術(shù)來(lái)按需制造替換零件以及短期的最終用途部件。

3DP實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高效的大規(guī)模定制。CAD文件可根據(jù)客戶(hù)需要修改，產(chǎn)品可批量打印。科技初創(chuàng)公司Formify使用3D打印根據(jù)客戶(hù)的手部圖像，生產(chǎn)定制符合人體工程學(xué)的電腦鼠標(biāo)。

“供應(yīng)鏈正在努力盡可能高效地運(yùn)行，”Manning說(shuō)，“市場(chǎng)上普遍發(fā)生的情況是，越來(lái)越多的人想要定制產(chǎn)品。從本質(zhì)上講，每件產(chǎn)品的產(chǎn)量更少，所以運(yùn)送50件，而不是5件更緊湊。3D打印所能做的就是現(xiàn)場(chǎng)打印這五個(gè)項(xiàng)目。大多數(shù)企業(yè)都擔(dān)心自己的底線(xiàn)。一旦你能夠小批量定制，更多的公司就會(huì)關(guān)注3D打印，并找到有利于公司的方法。”

批量生產(chǎn)是為了提高效率而連續(xù)生產(chǎn)多種相同產(chǎn)品的過(guò)程。Hubs報(bào)告稱(chēng)，隨著工作流程日益數(shù)字化和自動(dòng)化，制造商更容易全天候生產(chǎn)零件。在3D打印中，批量生產(chǎn)對(duì)于小部件尤其可行，因?yàn)槠渲袔讉€(gè)部件可以放入單個(gè)構(gòu)建中。例如，Protolabs利用150臺(tái)3D打印機(jī)，每年生產(chǎn)多達(dá)100萬(wàn)個(gè)零件。

可持續(xù)發(fā)展

制造商面臨著不斷提高效率和削減成本的壓力，同時(shí)還要成為負(fù)責(zé)任的環(huán)境管理者。3DP在制造商的綠色倡議中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。例如，與計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)加工等減材制造工藝相比，3D打印產(chǎn)生的材料浪費(fèi)更少。對(duì)于粉末印刷，3D打印可以重復(fù)使用和回收粉末。

3DP的功耗也更低。Markforged的客戶(hù)Athena Manufacturing進(jìn)行熄燈制造。 Athena的機(jī)器人可以移除打印床，將其放在一邊并放上新的打印床。然后第二個(gè)機(jī)器人按下“打印”按鈕。“他們不斷地生產(chǎn)零件——不是快速原型，而是交付給客戶(hù)的零件，”Manning說(shuō)。

根據(jù)Hubs的說(shuō)法，人工智能驅(qū)動(dòng)的軟件工具還可以最大限度地降低打印失敗的風(fēng)險(xiǎn)并優(yōu)化打印過(guò)程的CAD設(shè)計(jì)，從而幫助減少添加劑浪費(fèi)。

作為一種數(shù)字制造方法，3D打印可以在本地生產(chǎn)零件，無(wú)需復(fù)雜的物流和運(yùn)輸。分布式制造網(wǎng)絡(luò)可以為世界各地的合格制造商提供便利，從而促進(jìn)本地3D打印。智能部件設(shè)計(jì)正在幫助航空航天和汽車(chē)工業(yè)實(shí)現(xiàn)更好的燃油效率。通過(guò)增加部件的輕量化，飛機(jī)和車(chē)輛可以消耗更少的燃料。hub報(bào)告稱(chēng)，將飛機(jī)重量減輕20%可以使燃油效率提高10%。

最后，像汽車(chē)和飛機(jī)這樣的長(zhǎng)壽命設(shè)備可以利用3D打印來(lái)延長(zhǎng)它們的使用壽命。這些產(chǎn)品中使用的組件經(jīng)常會(huì)過(guò)時(shí)。3D打印可以根據(jù)需要生產(chǎn)替換零件。備件可以在家或在辦公室打印。

根據(jù)Hubs的數(shù)據(jù)，到2022年，3D打印市場(chǎng)(包括3D打印系統(tǒng)、軟件、材料和服務(wù)的收入)將達(dá)到170億美元，年增長(zhǎng)率為13%。對(duì)2023年的預(yù)測(cè)是基于17%的復(fù)合年增長(zhǎng)率，到2023年將達(dá)到199億美元。

“3D打印是工程師的另一種工具，”Manning說(shuō)，“它不會(huì)取代傳統(tǒng)制造業(yè)。但工程師們開(kāi)始學(xué)習(xí)增材制造課程。在設(shè)計(jì)時(shí)，從增材制造的角度思考是非常不同的。我們希望在五年內(nèi)，工程師們能在傳統(tǒng)思維的基礎(chǔ)上進(jìn)行加法思維。”