Kā metāla 3D drukāšana mainīs tradicionālo rūpniecības ražošanas sistēmu?

1. Ražošanas loģikas maiņa: paradigmas maiņa no "atņemšanas" uz "pievienošanu"
Tradicionālais lietu veidošanas veids ir balstīts uz ideju par "materiālu noņemšanu". Piemēram, CNC apstrāde pakāpeniski veido visu metāla sagatavi, to frēzējot un urbjot. Materiāla izmantošanas līmenis parasti ir mazāks par 60%. Metāla 3D drukāšanā tiek izmantota piedevu ražošanas tehnoloģija ar nosaukumu "slāņa slānis pēc slāņa sakraušanas". Šī metode izkausē metāla pulveri ar lāzera vai elektronu staru un pārvērš 3D modeli tieši cietos priekšmetos. Izmantoto materiālu procentuālais daudzums varētu pieaugt līdz 90%.
Lidmašīnu dzinēju ēka ir lielisks šo domāšanas izmaiņu piemērs. Lēciena motora degvielas sprauslu no GE aviācijas veido 20 elementi, kas ir 3D drukāti kopā, lai kļūtu par vienu veselumu. Tas samazina svaru par 25% un palielina degvielas ekonomiju par 15%. Pelējuma attīstības cikls, kas agrāk prasīja sešus mēnešus, ir samazināts līdz trim nedēļām, kas nozīmē, ka produktu iterācijas temps ir palielinājies par astoņām reizēm. Šī "dizaina kā ražošanas" īpašība pilnībā izaicina veco noteikumu, ka "ražošana nosaka dizainu". Tas arī ļauj izveidot vieglus dizainus, piemēram, topoloģijas optimizāciju un režģa struktūru.
2. Piegādes ķēdes pārstrukturēšana: elastīgas izmaiņas no "mēroga ražošanas" uz "pieprasījumu."
Metāla 3D drukāšana maina rūpniecības piegādes ķēžu veidošanas veidu. Tradicionālajā ražošanā izmantotajā "prognozēšanas ražošanas inventāra" modelī ir lineāra . 3 d drukāšana, no otras puses, ir "ražošanas iespējas pēc pieprasījuma", jo tas vienlaikus var radīt lietas vairākās vietās. BMW grupa ir izveidojusi pasaulē pirmo 3D drukāto digitālo noliktavu automašīnu detaļām. Tas ļauj 20 ražošanas bāzes visā pasaulē reālā laikā izgatavot detaļas, koplietojot dizaina failus caur mākoni, kas samazina krājumu izdevumus par 95%.
Medicīnas jomā šāda veida maiņa ir graujošāka. Kaulu audzēja pacientiem personalizētiem titāna sakausējuma implantiem ir nepieciešams standarta 3 mēnešu pielāgošanas cikls. Turpretī 3D drukāšanas tehnoloģija 72 stundu laikā izmanto CT skenēšanas datus, lai izveidotu 3D modeli un pabeigtu visu procesu, sākot no dizaina līdz ķirurģiskai implantācijai. Pekinas Jishuitan slimnīca saka, ka 3D drukātie implanti ir saistīti ar kaulu par 40% ātrāk nekā standarta implanti, un laiks, kas nepieciešams, lai atjaunotu pēc operācijas, tiek samazināts par 60%.
3. Liels solis uz priekšu materiālu zinātnē: veiktspēja pāriet no "vispārīgiem materiāliem" uz "funkcionāliem gradientiem".
Metāla 3D drukāšana ne tikai maina to, kā lietas tiek izgatavotas, bet arī maina materiālu izpētes darbību. Pelējuma dizains ierobežo tradicionālās liešanas metodes, kas apgrūtina materiālo īpašību sadalījumu gradientu. Rūpīgi pārvaldot pulvera sastāvu un enerģijas ievadi, 3D drukāšana var izgatavot funkcionāli šķirotus materiālus (FGM). Piemēram, gaisa kuģu motoru turbīnu asmeņos, mainot kobalta un alumīnija proporciju niķeļa bāzes sakausējuma pulverī, asmens sakne spēj izturēt līdz 1200 grādu temperatūrai, kamēr asmens gals paliek pietiekami stiprs. Tradicionālās metodes nevar padarīt šo materiālo darbību tā, kā tas notiek.
Šī spēja ieviest materiālus ir vēl vairāk revolucionāras biomedicīnas zinātnes jomā. Šanhajas Jiao Tongas universitātes komanda izveidoja 3D drukātu porainu titāna sakausējuma kaulu sastatni, kas lieliski atbilst cilvēka garozas kaula elastīgajam modulim, mainot porainību (60%–80%) un poru lielumu (200–500 μm). Klīniskie pierādījumi norāda, ka šī stenta kaulu vadīšanas efektivitāte ir trīskāršāka nekā parastajiem implantiem, un pēcoperācijas problēmu rašanās ir samazinājusies līdz 5%.
4. Rūpnieciskās ekoloģijas attīstība: vērtības atjaunošana no "aprīkojuma konkurences" līdz "datu ekoloģija"
Metāla 3D drukas industrializācija rada jaunu komerciālu ekosistēmu. Iekārtas veidotāji vairs nav tikai aparatūras pārdošana; Viņi arī kļūst par "aprīkojuma+materiālu+pakalpojumu" pilnas ķēdes risinājumu piegādātājiem. Platinum Technology "Metal 3D drukāšanas mākoņa platforma" ietver moduļus uzraudzības aprīkojuma moduļiem, procesu datu bāzi un pasūtījumu pārvaldību. Klienti var izmantot lietotni, lai redzētu, kā viņu drukāšana notiek reālā laikā, un platforma uzlabo procesa parametru optimizācijas efektivitāti par 70%.
Šīs uz datiem balstītās izmaiņas vidē ir skaidrākās pelējuma veidošanas nozarē. Startēšana Šenženā ir izveidojusi inteliģentu pelējuma sistēmu, kurā tiek izmantotas digitālās dvīņu tehnoloģijas un 3D drukātas veidnes ar temperatūras un spiediena sensoriem, lai iesmidzināšanas veidnes ciklu nogrieztu no 120 sekundēm līdz 85 sekundēm. Kvalificētu produktu līmenis ir palielinājies no 92% līdz 98,5%. Šis "viedais" drukas modelis maina noteikumus par to, cik daudz rūpniecības aprīkojuma ir vērts.
5. Izaicinājums un nākotne: pāreja no "tehnoloģiskā izrāviena" uz "rūpniecisko sadarbību"
Metāla 3D drukāšanai ir daudz potenciāla, taču joprojām ir trīs lielas problēmas, kas jāatrisina, pirms to var izmantot plašā mērogā: pirmkārt, cik labi darbojas printeris. Pašreizējais lāzera selektīvās kausēšanas (SLM) tehnoloģijas būvniecības ātrums ir aptuveni 0,1-1 kg/h, kas nav pietiekami ātrs uzņēmumiem, piemēram, automašīnām, kurām ir jāveic daudz lietu ātri. Otra problēma ir materiālu izdevumi. Titāna sakausējuma pulvera cena ir 8000 juaņu uz kilogramu, kas ir desmit reizes lielāka par parasto sagatavju cenu. Treškārt, nav pietiekami daudz standartu. Tikai 15% no 3D drukātajiem priekšmetiem visā pasaulē ir pilni testēšanas kritēriji.
Šīs problēmas mudina tehnoloģiju veikt jaunus sasniegumus. Elektronu staru kūsāšanas (EBSM) process palielina konstrukciju līdz 5 kg/h, palielinot enerģijas blīvumu. Xi'an Jiaotong University izstrādāja tehnoloģiju "Aukstā aerosola 3D drukāšana", kas izmanto cietvielu daļiņu nogulsnēšanos, lai ātri izgatavotu alumīnija sakausējumu daļu prototipus. Tas samazina izmaksas par 40%, salīdzinot ar tradicionālajām metodēm. ISO/ASTM kopīgā darba grupa ir publicējusi 23 3D drukāšanas standartus visā pasaulē, kas aptver visu procesu, sākot no materiāliem līdz procesiem līdz testēšanai.