隨著國(guó)內(nèi)3D打印的興起與在各方面應(yīng)用的推廣，金屬3D打印作為未來(lái)工業(yè)應(yīng)用的重點(diǎn)備受關(guān)注，業(yè)內(nèi)結(jié)合市場(chǎng)上眾多金屬3D打印案例，對(duì)快速原型及模具、備品備件、零件整合、多功能精密部件四個(gè)臺(tái)階進(jìn)行的分析介紹。
一、快速原型及模具Prototype and Tooling
案例：航空航天原型 Prototype Aero
鈦合金因?yàn)槠涓咝阅芗拜p量的特點(diǎn),常用于航空航天領(lǐng)域,同時(shí)由于航空航天組件一般不會(huì)有批量加工的需求,單件產(chǎn)品可以承受3D打印的價(jià)格,所以在航空航天領(lǐng)域金屬3D打印能夠有較大發(fā)展得領(lǐng)域。例如,圖中的航空零件以其復(fù)雜結(jié)構(gòu),高性能輕量的要求,通過(guò)鈦合金3D打印完成該零件的打印,體現(xiàn)了3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。
案例：新產(chǎn)品原型 Prototype New Product
新的產(chǎn)品進(jìn)入到市場(chǎng)的時(shí)候往往需要進(jìn)行多次原型測(cè)試,并且響應(yīng)效率越高越能提高產(chǎn)品的有效性。如果通過(guò)傳統(tǒng)開(kāi)模的方式生產(chǎn)產(chǎn)品的原型成本是十分昂貴的，并且開(kāi)發(fā)周期很長(zhǎng),而3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)快速快速原型并保證產(chǎn)品質(zhì)量,為這樣的原型生產(chǎn)開(kāi)辟了一條捷徑。
案例：隨冷模具 Tooling
模具注塑時(shí)卻冷階段溫度直接影響著注塑制品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，添加隨形冷卻流道是復(fù)雜模具設(shè)計(jì)的優(yōu)選,如果冷卻水路距模具表面較近，則模具中積累的熱量就會(huì)大大減少，且熱量被限制在冷卻水道與模具表面之間的區(qū)域,保證注塑件溫度的恒定，提高模具的壽命。
圖中是貼合壁面的模具隨形水路設(shè)計(jì)，具有傳統(tǒng)水路無(wú)法比擬的冷卻效果，分布均衡的隨形水路設(shè)計(jì)，提供出眾的冷卻一致性。
案例：模具 Tooling
對(duì)于復(fù)雜桿定位器的零件，零件的復(fù)雜性就意味金屬3D打印具備較大的優(yōu)勢(shì)，雖然零件可以通過(guò)傳統(tǒng)方式加工出來(lái)，但需要的焊接和組裝也會(huì)是非常復(fù)雜的。同時(shí)金屬3D打印生產(chǎn)這類(lèi)零件速度更快，并在一次性模具的制造方面具成本效益。
案例：夾具 Fixturing
對(duì)于大部分鑄件來(lái)說(shuō)均具備一定的特殊性，在一個(gè)快速的生產(chǎn)環(huán)境中，需要檢查鑄件的鑄造工藝，而這種特殊性在3D打印這里得到解決。通過(guò)3D打印技術(shù)制造鑄件的固定夾具，其定位和夾緊部分完全實(shí)現(xiàn)定制化。
二、備品備件Replacement Parts
案例：連接件 Engine Fittings
對(duì)于不是關(guān)鍵的零部件，當(dāng)出現(xiàn)故障需要更換的時(shí)候，當(dāng)這些零部件又不是大眾品，沒(méi)有眾多的庫(kù)存可以選擇，可以考慮通過(guò)3D打印的方式來(lái)替換，速度快且單件成本低。
業(yè)界目前還沒(méi)有形成一個(gè)全新的通過(guò)增材制造來(lái)完善備品備件體系的供應(yīng)鏈，然而波音公司已經(jīng)申請(qǐng)專(zhuān)利。通過(guò)其零件模型的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理這些零件的“虛擬庫(kù)存”，當(dāng)這些零件出現(xiàn)問(wèn)題需要替換時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)將該零件的模型發(fā)送到3D打印機(jī)將其制作出來(lái)。
案例：結(jié)構(gòu)件Structures
航空航天行業(yè)都知道，在結(jié)構(gòu)件的加工時(shí)，傳統(tǒng)工藝需要達(dá)到高達(dá)70%～90%的大余量材料切除，這對(duì)于昂貴的材料來(lái)說(shuō)造成了巨大的浪費(fèi)。GKN航空公司的一項(xiàng)計(jì)算直觀的體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)件節(jié)約的金屬材料。0.77kg的結(jié)構(gòu)件通過(guò)傳統(tǒng)方式加工出來(lái)以4.85kg的立方體為例，需要去除4.08kg的鐵屑。通過(guò)增材制造的方式加工出來(lái)則需要1.08kg的粉末，當(dāng)然加工出來(lái)后還需要通過(guò)傳統(tǒng)方式進(jìn)行表面的精加工，這樣在此基礎(chǔ)上去除0.31kg的金屬。相比于4.08kg的浪費(fèi)，0.31kg的浪費(fèi)僅占原來(lái)不到10%的浪費(fèi)。
案例：醫(yī)療Medical
傳統(tǒng)的機(jī)床要加工醫(yī)學(xué)上用的小件產(chǎn)品就需要直徑非常小的刀具，這些小的刀具由于剛性不強(qiáng)每次的切除量非常輕，加工時(shí)間通常很長(zhǎng)，并且刀具的壽命通常短且?guī)?lái)不確定的表面精度。增材制造可以制造十分精致的產(chǎn)品，在醫(yī)療和牙科領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
案例：植入物 Implant Case Study
Mirco-CT: 通過(guò)GE的Locus Ultra微CT掃描可以得到154um的分辨率，這些圖片可以用來(lái)生成骨頭和植入物的3D網(wǎng)格模型。3D打印技術(shù)通過(guò)精確控制橫斷面輪廓，有效實(shí)現(xiàn)外在輪廓及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同步重建，因此能充分滿(mǎn)足植入物與患者局部解剖結(jié)構(gòu)的高度匹配。配合上前、后處理可進(jìn)一步縮短等待時(shí)間。3個(gè)體化植入物的制造也可以避免長(zhǎng)時(shí)間的等待，制造成本也隨之下降。
三、零件整合 Part Consolidation
案例：散熱器 Heat Exchanger
傳統(tǒng)的散熱器需要很多部件組成，通過(guò)增材制造的方式可以將這些部件整合在一起一次完成，不但減少了供應(yīng)商數(shù)量，減少了物流流程及工人組裝的要求，而且因?yàn)椴恍枰附雍徒M裝從而提升了部件的穩(wěn)定性及效率。
案例：自行車(chē) Bicycle
自行車(chē)的機(jī)構(gòu)件可以很好的展示增材制造在零件整合方面的優(yōu)勢(shì)，該案例將原來(lái)的2.1kg的零件組合通過(guò)增材制造的方式將重量減輕至1.4kg。并且除了重量的減輕，整體性能也得到了提升。
四、多功能精密部件 Multiple Performance Benefits
案例：GE噴油嘴 GE Fuel Nozzle
GE通過(guò)長(zhǎng)達(dá)10多年的探索將其噴油嘴的設(shè)計(jì)通過(guò)不斷的優(yōu)化、測(cè)試、再優(yōu)化，將噴油嘴的零件數(shù)量從20多個(gè)減少一個(gè)，通過(guò)增材制造的方法不僅改善了噴油嘴容易過(guò)熱和積碳的問(wèn)題，還將噴油嘴的使用壽命提高了5倍，并且將提高LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。這將增材制造的作用提到了一個(gè)新的里程碑，不再局限于是價(jià)格優(yōu)勢(shì)還是快的討論層面，而是整體性能和經(jīng)濟(jì)效益的極大提升。
