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增材制造技术的使用已跨越了“快速原型设计”这个初期应用阶段

2018-08-28 15:31:45·  来源:AMS
   
增材技术虽然目前对生产的作用很有限,但是作为产品开发工具,它的使用方法仍然是新奇和创新的。其中一个例子就是德国因戈尔施塔特奥迪预置中心(Pre-Series Centre)的塑料3D打印中心(Plastics 3D Printing Centre)。这个中心用于测试Stratasys J750设备的的潜力,尤其是尾灯罩的原型设计,根据设备潜力研究结果,奥迪公司决定在增材技术名单上再添一笔。3D打印中心的Dr Tim Spiering证实称,“我们对J750的测试非常成功,尤其是与Stratasys和供应商
增材技术虽然目前对生产的作用很有限,但是作为产品开发工具,它的使用方法仍然是新奇和创新的。其中一个例子就是德国因戈尔施塔特奥迪预置中心(Pre-Series Centre)的塑料3D打印中心(Plastics 3D Printing Centre)。这个中心用于测试Stratasys J750设备的的潜力,尤其是尾灯罩的原型设计,根据设备潜力研究结果,奥迪公司决定在增材技术名单上再添一笔。3D打印中心的Dr Tim Spiering证实称,“我们对J750的测试非常成功,尤其是与Stratasys和供应商合作打印了尾灯罩。”



减少预置时间
在尾灯罩这个事情上,奥迪公司预测,最大的益处是可以压缩开发时间。Dr Tim Spiering证实称,“我们预测,尾灯罩的生产预置时间要比使用传统的方法比如钻孔和铸造,降低50%。”

该设备还能提供不同的颜色,因此奥迪计划将这个优势发挥到最高。Dr Tim Spiering称,“我们的第一的应用领域就是各种颜色光照模型的原型。我们会特别搭配红色和黄色,因为这两种颜色是照明常用的颜色。”

Dr Tim Spiering解释了原来原型设计技术面临的主要挑战,其中一个挑战就是在如何在多种颜色调配和劳动力密集的装配程序之间的取舍,而后者证实尾灯罩多色所必须的产物。独立着色的零部件必须得装配到一起,才是完整的汽车。相比之下,J750设备能使多颜色尾灯罩一次打印,并且生产步骤透明化,消除了之前的多步骤过程。奥迪公司的实验能力也没有出现任何实际的限制,因为奥迪团队可以获得500,000种不同的配色。Dr Tim Spiering表示,“由于该设备的打印分辨率很高,因此预计内饰不规则零部件也可以展示高度的细节。”

这种独特的应用对奥迪公司整个发展的时间尺度将具有巨大的影响,虽然Dr Spiering的态度非常谨慎。他认为“总体预置时间的降低可以让我们在有限的时间框架内设计更多的方案,但是由于尾灯罩的生产只是整个照明设计流程的一步,因此对这个流程的影响我们还需要评估很长时间。”

尽管如此,其他的材料特性要从视觉外观和操作特性方面进行探索。Dr Spiering补充说,“既然我们想要进一步应用这个设备,就要使用标准模型材料和特殊的弹性材料,才能完成除了尾灯罩以外的原型设计应用。”

多色开发程序
有趣的是,这个设备只是Stratasys定义的“喷射”技术中的一种例子,这来源于喷墨印刷技术,在几年前收购以色列Objet公司的时候增加的产品。对于奥迪来说,新设备可以增补同类型产品。Dr Spiering表示,“我们预计J750可以增补其他喷射设备,进而让我们在内饰和外饰因素上进行决策。”但是奥迪公司认为,多颜色能力不仅可以有助于设计相关方面的决策,还能帮助解决“难度更高”的工程设计方面的问题。Dr Spiering表示,“这个技术可以生产有颜色的汽车组件模型,比如发动机、控制单元或电子元件,促进开发程序中的积极讨论。”

Stratasys负责制造方案的副总裁Scott Sevcik反复强调了增材制造零部件各种因素的重要性,比如颜色、质地和外观细节。Sevcik说,喷射虽然来源于相对低成本技术,但是不应该忽略其高端的功能。他说,这个技术对Stratasys其他增材技术具有补充作用 — 比如“熔融沉积制造(FDM)”,这是一项具有针对性的挤压技术 — 它的开发是最早的。他说,FDM相比喷射技术的本质区别是所生产的零部件强度很高,非常适合生产复合材料模具,甚至是一些终端零部件。他认为“它们之间重叠的部分不多。”

Antero 800NA是一种新型热塑材料,今年4月份刚刚进入市场。Sevcik表示,它是基于PEKK(聚醚酮酮)制造的一种材料。用于汽车业,其最有趣的特征可能是对碳氢化合物具有高度抗化学性,比如燃料和润滑液。据说,这种材料还拥有较高的抗热性,适合用于发动机盖里罩。此外,由于FDM技术是一种连续挤压技术,通过这种方法制造的零部件要比使用其他PEKK粉末材料制造的零部件更加耐用。

增材技术在汽车制造其他方面也是大展拳脚,而且有时不一定只有直接制造技术的形式。相反,有时候可以是装配工人使用的工具,帮助他们完成零部件装卸和升降工作。这么做的好处就是可以大幅降低成本,并且压缩工具生产的预置时间,准确匹配相关零部件的几何结构以及工人的生理特点。

内部工具制造
有一个汽车工厂成功探索了这种技术,而且报告称取得了巨大的成就,这就是葡萄牙帕尔梅拉的大众欧洲汽车公司(Volkswagen Autoeuropa)。公司旗下有5,700名员工生产Volkswagen Sharan、T-Roc和SEAT Alhmabra汽车。目前公司每天能生产860辆汽车。回首几年前,公司为了减少工人所使用工具的生产预置时间和成本,禁止向外采购。大众公司发现,这种方法可以使预置置时间减少数个星期,尤其是在需要多种设计或装配的情况下。从根本上来讲,这是一种反复试验的方法,而不是朝着固定目标制定一套程序的过程。因此,公司开始寻找一种厂内解决方案,短期目标能够产生更多的原型设计、仪表、工具以及内部备用配件,从而减少开发时间以及接受测试流程的时间。

有一项市场调查显示,总部在荷兰的Ultimaker公司采用3D打印设备,以及一种被技术供应商成为“粘接丝加工”的技术来制造各种高分子材料零部件。葡萄牙大众工厂现在拥有7个Ultimaker3D设备,据称采购成本比原来与外部供应商合作的方法降低91%,执行时间降低95%,而相关人体工学、装配流程和质量都得到了改进。

据工厂试验车间工程师Luis Reis表示,公司现在已经综合使用增材制造工具,并深入到生产流程中。他证实称,“大众欧洲汽车公司开发、打印、测试并实施了多种3D打印工具。从最简单的模板与手动工具,到更为复杂的仪表,比如固定标识和标牌的工具,一直到零部件装配用的高复杂固定装置。3D打印工具在生产线上有多种应用,被很多操作员所使用。”不仅公司增材制造工具的数量多,而且所用材料种类也非常多。

增材成为生产的一部分
在数量方面,Reis说,“这些工具的被接受程度很乐观,我们可以肯定地说目前所使用工具类型非常广泛。生产线每天使用300个3D打印工具、备用配件和组件,原来生产的工具也还在继续使用。”他还说,每周大约生产3种全新工具。

在材料方面,Reis说得非常明确,3D打印技术的成功与材料是密不可分的。他说在大众欧洲汽车公司内部最常使用的材料是PLA(聚乳酸)、TPU(热塑性聚氨酯)PET(聚对苯二甲酸)和尼龙。他还补充称,“我们在市场不断寻找新的材料,因此我们所能使用的材料种类非常广泛。”

但Reis说从更广泛程度上说,使用增材设备具有很多不可计算但仍然可认清的益处。第一点是直接人体工学效率 — 他说“3D打印工具的设计的轻质特点可以为任何生产线带来附加值。”其中一个重点因素就是,工具可以根据工人的要求进行设计和制造。另一个简单但非常有效地能力就是,工具可以配色。他说,“建立简单的色码是一种非常积极地附加元素。在我们的工厂里,所有的左手仪表都是绿色的,所有的右手仪表都是红色的。这种方法可以对这些仪表加上不同而清晰的颜色,从而简化决策过程,避免出现错误。”

尽管如此,可量化的特定益处仍然是政策的主要考虑因素。其中一个要识别的是,公司要比对之前和之后的成本,以及工具生产的时标,才能对相关标签进行准确而重复性定位。之前,每个工具成本为400欧元,预置时间为35天。现在的成本为10欧元,预置时间为4天。总体上公司估算认为,使用3D打印工具、设备及固定装置不仅降低循环时间、劳动力要求以及重复劳动,而且还能改进工具的人体工学,其成本只有原来的十分之一。据估计,2017年该地区节约成本总量达到325,000欧元。

Reis证实,大众欧洲汽车公司的增材制造已经超越了“快速原型设计”的应用领域。尽管如此,他认为有些技术的使用仍然是传统模式。他说,“我们使用3D打印技术对设计改变之后的零部件进行提前测试。”但是Reis还说,测试车间要使用的新设备也会使用同样的方法。他解释说,“我们的规划部门利用3D打印计划要安装到生产线设备的关键组件来支持同事的工作。”最后他提到,制造环境中增材技术的潜力发挥需要去掉最初的印象。很显然,目前的形势是:“原型设计对目前3D打印已经是过期的广告了。”