前言
Caterpillar是一家關(guān)注當(dāng)前及后續(xù)市場(chǎng)零件，并以此為未來(lái)零件產(chǎn)品的生產(chǎn)做準(zhǔn)備的增材制造工廠。
總有一天Caterpillar會(huì)借助增材制造實(shí)現(xiàn)更高效的零件設(shè)計(jì)。在這一重型設(shè)備制造商的增材制造團(tuán)隊(duì)成員的眼中，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，這是增材制造最大的潛能。其可將各組件加工成一個(gè)單件，而且可對(duì)組件的形式進(jìn)行精確的量身定做，以實(shí)現(xiàn)對(duì)每一零件的功能、質(zhì)量和成本的最優(yōu)組合。
然而，目前的技術(shù)尚不能如此。從現(xiàn)在起，要做的工作還有很多。
與大多數(shù)工廠相比，增材制造工廠不僅更加清潔、安靜，而且還有各種功能，用于利用聚合物和金屬通過(guò)3D打印制造功能零件
為了充分發(fā)揮潛能，增材制造尚需不斷發(fā)展，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)前水平，這對(duì)其他制造商如此，對(duì)Caterpillar更是如此。因此，目前其團(tuán)隊(duì)成員正在關(guān)注增材制造的短期潛在效益，其中之一便是提高維修件的生產(chǎn)速度。
用于機(jī)動(dòng)平土機(jī)和挖掘機(jī)之發(fā)動(dòng)機(jī)系列的燃油濾清器底座是例證之一。起初，復(fù)雜的鋁合金組件需要通過(guò)鑄造加工制造而成，但供應(yīng)商停業(yè)了。結(jié)果，為了滿足后續(xù)市場(chǎng)客戶的需求，Caterpillar正面臨著長(zhǎng)期延期，因?yàn)樾枰獙ふ倚碌蔫T造供應(yīng)商，并提供數(shù)額較大的最低訂購(gòu)量以抵上加工成本?；蛘?，還有一項(xiàng)供替代的選擇。一種通過(guò)激光熔化增大的零件已通過(guò)了所有必要的功能測(cè)試，而且此類零件無(wú)需任何工具、供應(yīng)商以及最低訂購(gòu)量。通過(guò)增材制造，諸如此類的后續(xù)市場(chǎng)零件不會(huì)出現(xiàn)延期生產(chǎn)，而且還可實(shí)現(xiàn)按需增大。
所以，盡管人們對(duì)增材的預(yù)期與為此工藝設(shè)計(jì)的零件相關(guān)，但我們?nèi)〉玫某晒Ω緹o(wú)需重新設(shè)計(jì)，這一成功為Caterpillar創(chuàng)造了極具吸引力的可能性。如果我們可實(shí)現(xiàn)足夠多的短期成功，那么，此類應(yīng)用所創(chuàng)造的盈利或可能為公司認(rèn)為需要做出的更大努力提供資金和支持。也就是說(shuō)，當(dāng)前的收益可幫助加速增材制造知識(shí)在整個(gè)公司的傳播，從而Caterpillar可時(shí)刻準(zhǔn)備著將增材制造作為成熟的生產(chǎn)資源應(yīng)用于生產(chǎn)。
實(shí)現(xiàn)這一更大目標(biāo)的重要一步是公司于2015年年底在公司位于Illinois的總部附近新開了一座增材制造工廠。這一“工廠”與大多數(shù)與之相關(guān)的工廠相比更小而且更安靜，有熔融沉積快速成型（FDM）、光固化成型（SLA）、選域激光粉末燒結(jié)（SLS）等3D打印功能，還有用于聚合物零件的材料噴射，以及兩臺(tái)用于金屬部件的激光熔化設(shè)備。我曾參觀過(guò)該工廠，并與駐廠的Caterpillar團(tuán)隊(duì)成員進(jìn)行過(guò)交流，包括Deb Conklin、Austin Schmidt和Joe Taylor。
Conklin曾對(duì)該機(jī)構(gòu)的一個(gè)比較基本的問(wèn)題做出了解釋，即為什么增材制造需要自己的機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊(duì)？
增材制造與眾不同
為什么增材制造需要自己的機(jī)構(gòu)？與此相關(guān)的問(wèn)題是：增材制造是否代表一種不同的零件制造方式或零件設(shè)計(jì)方式？Conklin答道：“是的，兩者兼具。”作為公司新興技術(shù)組合的主任，Conklin對(duì)這些被公司高管認(rèn)為具有破壞性的技術(shù)負(fù)有責(zé)任。增材制造或許是破壞性技術(shù)的典型代表，因?yàn)樗赡軙?huì)對(duì)公司很多不同的方法造成影響。
早前，Conklin就職于Caterpillar的物流部門。因此，對(duì)她而言，增材不僅解決了制造和設(shè)計(jì)方面長(zhǎng)期存在的問(wèn)題，而且還是一個(gè)清晰的物流解決方案。首先，燃油濾清器底座就是物流方面的一大成功。雖然這一零件的設(shè)計(jì)未曾改變，但供應(yīng)鏈的簡(jiǎn)化和最低訂購(gòu)量的降低共同為大大降低這一零件的管理和處理成本提供了保障。Conklin介紹到，這一作用使得增材制造不同于某些現(xiàn)有生產(chǎn)過(guò)程取得的進(jìn)步，例如焊接。
這一燃油濾清器底座可用于各種產(chǎn)品的發(fā)動(dòng)機(jī)中，包括對(duì)本文中的挖掘機(jī)。本文所示零件即通過(guò)增材制造而非鑄造生產(chǎn)而成，因?yàn)樵摿慵呛罄m(xù)市場(chǎng)零件，所以我們將其增大，以便與原始部件的設(shè)計(jì)相匹配。此處，增材的優(yōu)勢(shì)不在于設(shè)計(jì)自由，而在于加速傳統(tǒng)零件的發(fā)貨
“對(duì)于焊接，我們不僅了解它的應(yīng)用條件，而且了解對(duì)焊接工藝技術(shù)進(jìn)步進(jìn)行試驗(yàn)和應(yīng)用的條件。”她說(shuō)。類似之事對(duì)增材制造而言未必適當(dāng)，而且對(duì)這一技術(shù)的使用條件進(jìn)行的任何早期假設(shè)都可能限制其發(fā)展。例如，機(jī)械加工組可利用增材制造進(jìn)行設(shè)備生產(chǎn)，而設(shè)計(jì)師可利用其進(jìn)行樣品設(shè)計(jì)。兩項(xiàng)應(yīng)用都可行，但任何一組都會(huì)自然而然地強(qiáng)調(diào)其中一項(xiàng)應(yīng)用，而不探索另一應(yīng)用的可能性。事實(shí)上，自從20世紀(jì)90年代初，公司很多零件都采用了不同類型的3D打印機(jī)。當(dāng)前，另建一座增材制造機(jī)構(gòu)的目的是進(jìn)行下一步——實(shí)現(xiàn)增材制造專門技術(shù)和能力的集中化，如此，該機(jī)構(gòu)可作為中心與公司可能受益的每一部分進(jìn)行連接。
這就是為什么這一新機(jī)構(gòu)會(huì)被更加準(zhǔn)確地表述為工廠而非實(shí)驗(yàn)室，這里能生產(chǎn)出實(shí)實(shí)在在的零件，無(wú)論是樣品、后續(xù)市場(chǎng)部件亦或最終的零件產(chǎn)品。從技術(shù)上講，這是一個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)，但正如Caterpillar的Schmidt更喜歡的說(shuō)法：“我們認(rèn)為我們團(tuán)隊(duì)所做工作的研究較少、開發(fā)較多。”
超越
Schmidt是一位增材制造工程師，也是新機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)的一份子，協(xié)助完成機(jī)構(gòu)的使命。值得注意的是，盡管他不在Peoria工作，但他的辦公室位于Ohio，而他把多數(shù)時(shí)間用于參觀公司的其他機(jī)構(gòu)，尋找那里潛在的增材制造機(jī)遇。其他深諳增材制造的工程師也經(jīng)常因?yàn)橄嗤脑蛉e的地方考察。Schmidt經(jīng)常回增材制造工廠，也經(jīng)常與駐廠人員遠(yuǎn)程通信。
如其所述，他的日常工作之一便是領(lǐng)導(dǎo)增材制造培訓(xùn)，培訓(xùn)的一大內(nèi)容便是宣傳引導(dǎo)、鼓勵(lì)工程師認(rèn)識(shí)到：增材既允許也需要新的思維模式。他的培訓(xùn)范圍可大可小，可能是關(guān)于增材制造話題的1h的網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)，也可能是為期數(shù)日的討論會(huì)。他前幾天在德國(guó)主辦了一個(gè)為期兩天的討論會(huì)，最近剛回來(lái)。
Schmidt表示，整個(gè)公司越來(lái)越多的工程人員了解了3D打印的實(shí)質(zhì)，并大致認(rèn)識(shí)到了它的潛力，他的培訓(xùn)一般會(huì)比這一認(rèn)識(shí)要更早一步。“我對(duì)七、八種不同類型的3D打印技術(shù)進(jìn)行了深入研究，了解了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。”他說(shuō)。對(duì)于很多當(dāng)時(shí)可能尚未認(rèn)識(shí)到“3D打印”是一套不同的工藝而非單一通用操作的人來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)新知識(shí)。Caterpillar目前對(duì)所有上述工藝進(jìn)行了應(yīng)用，包括用沙子進(jìn)行3D打印——這是為公司在Illinois的鑄造工廠新近購(gòu)買的一項(xiàng)技術(shù)。
Joe Taylor說(shuō)公司將會(huì)盡其所能對(duì)增材制造進(jìn)行發(fā)展完善，直至其成為Caterpillar的一大生產(chǎn)資源。對(duì)于生產(chǎn)金屬零件的設(shè)備而言，它們的速度需要提高，而且粉末金屬的成本需要降低。目前，公司不僅認(rèn)識(shí)到了增材制造的價(jià)值，而且已做好準(zhǔn)備迎接此類變化的產(chǎn)生
如何為增材進(jìn)行設(shè)計(jì)是Schmidt的下一項(xiàng)指導(dǎo)內(nèi)容，同樣這一領(lǐng)域的可能性超出了許多人的想象。很多復(fù)雜的零件形式無(wú)法用其他方式加工而成，但或許可通過(guò)增材制造生產(chǎn)出來(lái)，這一點(diǎn)眾人皆知，未來(lái)，Caterpillar將更加充分地挖掘這一潛能。但Schmidt還強(qiáng)調(diào)了對(duì)多重設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的容易性。例如，既然砂型打印支持鑄造工廠不通過(guò)任何模式即可制造模具，那么為什么不可以進(jìn)行多重稍有不同的鑄件設(shè)計(jì)并對(duì)其一一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？這是對(duì)潛能的挖掘，但不僅僅指鑄造方面，這也會(huì)讓當(dāng)前的設(shè)計(jì)工程師從對(duì)其了解中受益。
能夠參與公司的這一學(xué)習(xí)過(guò)程，Schmidt熱情滿滿。像Caterpillar這樣的公司不會(huì)受限于FAA或FDA，他指出，這意味著與其他行業(yè)的公司相比，該公司能夠在利用增材制造開發(fā)新產(chǎn)品方面發(fā)展得更快。
話又說(shuō)回來(lái)，增材制造對(duì)其他行業(yè)很重要的一些優(yōu)勢(shì)本身也不再適用，比如減重。推土機(jī)等設(shè)備的優(yōu)勢(shì)源于其龐大，故而一般不值得追求其重量的減輕。與其他制造商不同，Caterpillar將會(huì)探索自己的增材制造發(fā)展之路。
投入生產(chǎn)
為了充分發(fā)揮其作為一門生產(chǎn)工藝的潛能，增材制造技術(shù)還要走多遠(yuǎn)？在這一方面，公司的Joe Taylor的觀點(diǎn)或許最清晰，Joe Taylor作為增材制造工程師負(fù)責(zé)監(jiān)督增材制造工廠的運(yùn)行，正如在擔(dān)任此職位前，其雖在Caterpillar工作了近20年，但大多數(shù)時(shí)間用于監(jiān)督更多的傳統(tǒng)制造資源和部門。
Joe Taylor說(shuō)：“在原型設(shè)計(jì)方面，3D打印一直在為公司節(jié)約成本，這已經(jīng)成為了常規(guī)。在近期一項(xiàng)含零件裝配（包括25件零件）的案例中，3D打印的所有部件暴露了對(duì)其中5件零件的干擾，但這當(dāng)時(shí)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型中尚未被發(fā)現(xiàn)。過(guò)去，此類問(wèn)題可能直到零件投入生產(chǎn)才會(huì)被發(fā)現(xiàn)。同樣，管道和閥門的原型提供了一種廉價(jià)的方式用于在設(shè)計(jì)發(fā)布前測(cè)試和改進(jìn)流體流動(dòng)。”然而，當(dāng)涉及生產(chǎn)時(shí)，成本的節(jié)約面臨著多重困難。如其所述，材料價(jià)格是多重困難之首。他說(shuō)：“必須要降低粉狀材料的成本。”相對(duì)于其他增材制造用戶而言，這對(duì)于Caterpillar是更實(shí)實(shí)在在的困難，因?yàn)楹娇蘸教旌歪t(yī)療領(lǐng)域的原始設(shè)備制造商所采用的是高成本的金屬，但Caterpillar的產(chǎn)品材料為鐵、鋁和鋼。
這一軟管夾通過(guò)工藝熔融沉積制造增大而成，當(dāng)然也與目前的設(shè)計(jì)相匹配，它采用了3D打印技術(shù)，所以性能可與當(dāng)前在用的零件相媲美
在Taylor的介紹中，我想他會(huì)把生產(chǎn)規(guī)模視為困難之一，因?yàn)槲艺J(rèn)為Caterpillar有很多大型設(shè)備。但這并不足為慮，當(dāng)前的金屬增材制造設(shè)備能滿足大量零件產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。提及當(dāng)前的設(shè)備，他說(shuō)更令人擔(dān)心的限制性規(guī)格是速度。燃油濾清器底座的制造需要80h，或許這么長(zhǎng)的周期可用于維修件，但不適用于生產(chǎn)。
當(dāng)然，更低的成本和更高的速度都是程度上的差異。他介紹道也可通過(guò)幾種方法將增材制造設(shè)備的基本功能進(jìn)行改變，他還提到應(yīng)格外對(duì)金屬加工設(shè)備予以更多關(guān)注。工作間的轉(zhuǎn)變需要太多的人為參與，即使Caterpillar僅將增材用于生產(chǎn)后續(xù)市場(chǎng)零件，而這也已經(jīng)體現(xiàn)了增材本身的價(jià)值，但僅這一項(xiàng)應(yīng)用就需要設(shè)備一周7天、每天24h的運(yùn)轉(zhuǎn)，而且還會(huì)需要更多的設(shè)備。到目前為止，尚未對(duì)設(shè)備進(jìn)行針對(duì)此類操作的設(shè)計(jì)，Taylor預(yù)計(jì)料斗等容器可能會(huì)繼續(xù)用于新材料的供給，同時(shí)會(huì)有加速并簡(jiǎn)化工作轉(zhuǎn)變的特性。
這些變化可能即將到來(lái)，或許十年之后，也或許短短三年內(nèi)。當(dāng)它們真的到來(lái)時(shí)，Caterpillar將何處容身？
Conklin說(shuō)這正是公司旨在通過(guò)增材制造工廠和與其相關(guān)的培訓(xùn)工作以及成功應(yīng)用回答的問(wèn)題。當(dāng)增材制造為應(yīng)用于生產(chǎn)準(zhǔn)備就緒后，一種可能就是其優(yōu)勢(shì)將被錯(cuò)失，但屆時(shí)取而代之的可能就是公司會(huì)雇傭那些長(zhǎng)期研究增材的人員以及準(zhǔn)備發(fā)揮增材之潛能的人員。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
