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3D打印如何助力产品优化?

来源:3D科学谷2018.08.06阅读 1037

  制造企业应用增材制造技术的原因有几种,有些应用是为了在更短时间内制造出少量产品,有些应用则是从材料节省的角度上考虑,用增材制造技术制造昂贵的难加工材料,而有一类应用则出于优化产品功能的目的,即通过增材制造设计思维对产品进行设计优化,然后用增材制造技术生产这些创新的产品。
  培养为增材制造而设计的能力并不是一件简单的事情,改变产品设计师的设计思维需要时间,但是早期利用增材制造技术开发功能驱动型产品的制造业用户更有机会在竞争中迅速超越竞争对手。
  以增材制造设计思维实现产品功能优化
  金属增材制造功能驱动的应用并不是为了以3D打印作为概念进行炒作,在这些产品中3D打印技术是一种必要的制造手段。这样的例子如今已经有很多种,例如:


  ●半径极小、具有均匀壁厚的高性能发动机零件;
  ●具有复杂内部通道的工业部件;
  ●具有小型内部通道,复杂外部几何形状以及薄壁特征的卫星推进系统组件;
  ●具有复杂曲面和内部支撑结构的他钛合金自行车车架;
  ●随形设计的夹具;
  ●拥有优化流体通道的液压歧管;
  ●钛合金、钴铬合金等带有多孔结构的骨科植入物;
  ●翅片极薄、带有狭小内部通道的热交换器;
  ●晶格结构(在不牺牲强度要求的情况下减轻重量);
  ●功能性移动的组件,如动感珠宝;
  从以上例子中也可以看到,很多增材制造应用是传统制造技术无法实现或者是通过传统制造技术制造成本不合理的产品。通常,用传统制造技术比用增材制造技术贵一个数量级的复杂产品更适合采用增材制造技术进行制造。
  但是这时并不是简单的将传统制造技术设计规则下设计的产品直接通过增材制造技术生产出来,而是需要针对增材制造技术对产品进行优化设计,设计优化的目标是实现更加优化的功能、性能,比如说使零件具有集成化的功能,使产品变得轻量化但具有良好的刚度等。
  商业化已在路上
  根据3D科学谷的市场观察,以上列举的例子在市场中几乎都可以看到清晰的商业化趋势,这其中除了包括GE飞机发动机燃油喷嘴,骨科3D打印植入物等已实现商业化生产的应用,还有一些复杂工业零部件也进入到了商业化阶段,下面是两种有代表性的应用。
  - 液压
  意大利液压件制造商aidro hydraulics 推出了金属3D打印的液压阀产品。


  在液压阀块中有许多管道相交在一起,以往这些交叉歧管是通过机械加工交叉钻孔的方式制造的,但由于机加工的角度限制,通常需要在流道内部添加插头来调整流量。而当采用增材制造技术制造液压阀块时,则可以对内部歧管管路进行优化,得到更为优化的流体流动路径,带有优化流体通道的液压阀块可以通过增材制造设备进行一体化制造,无需在阀块中另外进行交叉钻孔加工。


  根据3D科学谷的市场研究,空客也在与其合作伙伴开发3D打印液压件,空客目标是通过金属增材制造技术量产飞机扰流板液压件。
  - 热交换器
  成立于2011年的英国公司HiETA,正在通过增材制造的方法开发用于生产各种热管理应用的复杂、轻型结构的金属零件。制造的零件包括用于微型燃气轮机的热交换器、涡轮机械和燃烧部件,还包括那些用于燃料电池的相变换热器和综合废热回收系统,以及用于高效内燃机散热的部件。


  传统上,热交换产品通常由焊接在一起的薄片材料制成。设计的复杂性使得生产具有挑战性并且耗时,而且用于焊接工艺的材料增加了部件的整体重量。
  通过3D打印,HiETA生产的零件通常比市场上同等效率传统方法制造的产品重量轻40%。这是因为3D打印技术允许设计师设计单个组件中的许多新颖的高性能表面,这些集成式一体化的设计对于传统加工方法来说是非常困难的。
  由于在HiETA之前,很少有专门的机构研究通过增材制造的工艺来制造热交换器。HiETA在开发3D打印热交换器的过程中经历了很多挑战,包括确认3D打印工艺可以成功地制造足够薄的壁并且满足刚性等方面的质量要求,开发专用参数包,开发用选区激光熔融3D打印技术制造热交换器的设计指南和设计细节等。

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