在路虎BAR帆船隊(duì)技術(shù)創(chuàng)新小組 (TIG) 的支持下,增材制造(3D打印)技術(shù) — 和許多其他尖端技術(shù)如人工智能、大數(shù)據(jù)分析等一樣 — 已融入到船隊(duì)的日常工作中。在本案例中,TIG一方面與生產(chǎn)金屬增材制造設(shè)備的全球測量專家雷尼紹公司攜手合作,另一方面使用其更為熟悉的塑料3D打印技術(shù),結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn)來制作零件原型。
雷尼紹為路虎BAR帆船隊(duì)制造的金屬3D打印液壓系統(tǒng)零件
來自PA Consulting公司的TIG項(xiàng)目經(jīng)理George Sykes評(píng)價(jià)說:“在團(tuán)隊(duì)內(nèi)部,我們分三種不同的級(jí)別來應(yīng)用3D打印技術(shù)。最簡單的一種是原型制作和可視化工具。當(dāng)需要生產(chǎn)大批量的定制零件時(shí),在確定最終成品之前,我們可以在內(nèi)部首先利用3D打印技術(shù)制作出全尺寸原型。”
路虎BAR帆船隊(duì)的設(shè)計(jì)室內(nèi)配有3D打印機(jī),只需點(diǎn)擊幾下鼠標(biāo),工程師就能用塑料真實(shí)制作出設(shè)計(jì)師所構(gòu)想的幾乎所有模型。
“這種制作原型的方法非常有助于我們研發(fā)某些新零件,”路虎BAR帆船隊(duì)首席技術(shù)官Andy Claughton說,“我們能夠真實(shí)觸摸到這些零件原形,將它們安裝到帆船上,或與系統(tǒng)中的其他部件相連接,這令我們能夠找出潛在問題,完善設(shè)計(jì),最終投入成品生產(chǎn)。”
雷尼紹新一代RenAM 500M工業(yè)型增材制造機(jī)器
船隊(duì)擁有一家裝備齊全的傳統(tǒng)加工車間,同時(shí)還擁有一個(gè)復(fù)合材料研究團(tuán)隊(duì)。利用這些資源,船隊(duì)幾乎可以制作出想要的所有零件,但是如果能夠使用3D打印技術(shù)制作零件成品,那么他們毫無疑問會(huì)選擇3D打印。這種方式的一大優(yōu)勢便是可以大幅度地降低成本。
船首斜桅的端蓋就是一個(gè)很好的例子。它的形狀比較復(fù)雜,設(shè)計(jì)用于減少空氣阻力。該零件很適合通過塑料3D打印技術(shù)制作,因?yàn)榱慵蠜]有載荷,且一艘帆船上只需一個(gè)這樣的零件。在過去的很長一段時(shí)間里,這個(gè)定制的端蓋零件一直是用碳纖維材料制成的,然而其制作過程耗時(shí)且需要豐富經(jīng)驗(yàn),因此零件成本較高。如今,一旦設(shè)計(jì)出新的端蓋模型,船隊(duì)在數(shù)小時(shí)內(nèi)便可將其生產(chǎn)出來,且僅需花費(fèi)幾英鎊。
“但是,我們最高級(jí)別的3D打印應(yīng)用則是雷尼紹提供的金屬增材制造技術(shù),”Sykes補(bǔ)充道,“用金屬制造定制零件是3D打印技術(shù)中最前沿的領(lǐng)域。”
路虎BAR帆船隊(duì)T3訓(xùn)練船在索倫特海峽上航行(圖片版權(quán)所有:Harry KH路虎BAR帆船隊(duì))
金屬3D打印通過像紙一樣薄的精細(xì)金屬粉末層來制造零件,每個(gè)薄層的厚度通常僅為0.05 mm,而這些金屬粉末的稠度則與玉米淀粉類似。增材制造系統(tǒng)在充滿氬氣的惰性環(huán)境中工作 — 這如同燈泡中的環(huán)境;系統(tǒng)加熱金屬粉末使其熔化,但不會(huì)使其燃燒或與空氣中的氧氣或雜質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。利用激光束進(jìn)行加熱,通過由軟件控制的光學(xué)鏡組引導(dǎo)激光束,聚集熱量以精確熔融所需的加工區(qū)域。
路虎BAR帆船隊(duì)最早采用該技術(shù)制作的零件是一個(gè)定制的滑輪外殼,用于活動(dòng)披水板吊索內(nèi)的滑輪。該零件要承載較高的壓縮載荷,且需具有良好的耐磨性,因此金屬是理想的選擇。所有高強(qiáng)度金屬的密度(單位體積的重量)都比碳纖維要大,因此為了減輕重量,零件最終采用了空心設(shè)計(jì)。除了增材制造技術(shù),任何其他方法都難以制造出此類零件。
“增材制造技術(shù)在零件減重和增效方面具有非常驚人的潛力,”Andy Claughton解釋說,“舉個(gè)例子,我們?cè)谝簤合到y(tǒng)上花費(fèi)了很多心思。在3D打印出現(xiàn)之前,該系統(tǒng)的所有零件都是通過切削實(shí)心金屬料坯來制造的。使用切削法加工出的零件形狀十分有限,這一方面限制了設(shè)計(jì)自由,另一方面也限制了零件的效能。
“例如,液壓流體并不‘喜歡’流過那些尖銳的彎角,如果必須這樣設(shè)計(jì)的話,將會(huì)帶來能量的損失。如果采用傳統(tǒng)制造技術(shù),這可能是零件的唯一設(shè)計(jì)方式,但是有了增材制造技術(shù)后,便可加工出內(nèi)含光滑圓角的零件,這將大大提高流體傳輸?shù)男省?/div>
“除了提升零件效能,我們現(xiàn)在還可以制造出更加輕巧的零件,因?yàn)槲覀儍H需在必要位置添加材料。過去,利用車床或其他切削機(jī)床,我們能夠加工出的零件幾何形狀存在許多限制,這意味著我們可能無法去除某些不必要的材料,而我們的帆船也不得不帶著這些多余的重量航行。這些以后都不會(huì)成為問題了。”
雷尼紹為其帆船的液壓系統(tǒng)生產(chǎn)了多個(gè)關(guān)鍵零件,但是船隊(duì)不愿透露過多的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),據(jù)說新的AM歧管設(shè)計(jì)重量減少了60%,而效能則提升超過20%。
雷尼紹增材制造產(chǎn)品部產(chǎn)品市場工程師David Ewing說:“與路虎BAR的合作有助于提高我們的增材制造技術(shù)水平。增材制造包含一整套復(fù)雜的制造方案,涵蓋從零件設(shè)計(jì)到工藝流程等方方面面的專業(yè)知識(shí)。最好的應(yīng)用是使用最少的材料來達(dá)到設(shè)計(jì)要求,產(chǎn)品具有實(shí)用的功能性優(yōu)點(diǎn),且應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)便已將制造方法考慮在內(nèi)。我們?yōu)槁坊AR生產(chǎn)的液壓系統(tǒng)零件就是一個(gè)完美的例子。”
“雷尼紹在這場面向制造業(yè)未來的競爭中處于最前列,他們利用自身的優(yōu)勢為我們提供了實(shí)實(shí)在在的幫助。這項(xiàng)技術(shù)將在我們的制造理念中扎根,并且它將在未來的制造流程中發(fā)揮越來越大的作用。”Andy Claughton總結(jié)道。
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