雷尼紹：將金屬增材制造拓進(jìn)新領(lǐng)域
工程技術(shù)領(lǐng)域的跨國公司雷尼紹與英國Domin Fluid Power公司合作，幫助其提高直接驅(qū)動(dòng)閥設(shè)計(jì)和制造能力。Domin采用金屬增材制造(AM)技術(shù)成功制成體積更小、性能更優(yōu)的驅(qū)動(dòng)閥，并且將生產(chǎn)周期從5.5個(gè)小時(shí)縮短到僅1個(gè)小時(shí)。
Domin在生產(chǎn)液壓傳動(dòng)裝置時(shí)選用了雷尼紹先進(jìn)且可靠的增材制造技術(shù)。該公司參觀了雷尼紹位于英國斯塔福德郡斯通鎮(zhèn)的增材制造解決方案中心，不僅加深了對(duì)增材制造的了解，更加認(rèn)識(shí)到這項(xiàng)技術(shù)能夠幫助他們?yōu)榭蛻羯a(chǎn)性能更優(yōu)的驅(qū)動(dòng)裝置。
“金屬增材制造技術(shù)有助于提升液壓傳動(dòng)技術(shù)水平，”Domin Fluid Power總經(jīng)理Marcus Pont指出，“經(jīng)過多年對(duì)各式各樣的原型產(chǎn)品和設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試之后，我們積累了豐富的增材制造經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)技術(shù)，有能力幫助客戶生產(chǎn)性能更優(yōu)的零件。比如，我們?cè)O(shè)計(jì)出一款驅(qū)動(dòng)閥，它的尺寸縮小了四分之三，成本減少了三分之二，然而動(dòng)力提升了25%?！?/span>
“雷尼紹一直在積極開發(fā)新興技術(shù)，致力于推動(dòng)工業(yè)發(fā)展和進(jìn)步，”雷尼紹增材制造部門首席技術(shù)顧問Martin Mc Mahon表示，“我們與Domin公司的合作貫穿始終，從研究材料的特性到挖掘RenAM500Q系統(tǒng)等最新技術(shù)的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)?！?/span>
“在Domin公司，增材制造是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，”McMahon繼續(xù)說?！耙?yàn)樵霾闹圃炜捎糜谥圃鞆?fù)雜零件，不需要工具，并且操作和裝配要求少。如果使用傳統(tǒng)制造技術(shù)，根本沒有辦法將復(fù)雜的功能集成到如此小的設(shè)計(jì)中?！?/span>
來自眾多行業(yè)的制造商都可以采用增材制造技術(shù)提高小批量生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)力。目前，雷尼紹最新RenAM500Q系統(tǒng)正在拓展增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，為之前缺乏經(jīng)濟(jì)效益的應(yīng)用增添使用動(dòng)力。RenAM500Q系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，配備四個(gè)500W激光器，將打印速度提高了四倍之多，不僅有助于提高生產(chǎn)率，而且可降低零件單位成本。雷尼紹在其Stone工廠全方位展示了其增材制造專業(yè)能力。誠邀合作伙伴參觀雷尼紹的增材制造解決方案中心，合力探索增材制造的無限潛能，開發(fā)高效的端到端生產(chǎn)流程。
美卓：讓3D打印創(chuàng)造真正價(jià)值
作者：美卓研發(fā)總監(jiān)JUKKABORGMAN
美卓公司多年前就開始嘗試將3D打印技術(shù)用于金屬部件。為此，他們對(duì)一些概念進(jìn)行了定義并進(jìn)行了原型制造，使3D打印組件賦予閥門傳統(tǒng)工藝無法達(dá)到的性能水平。
2018年，美卓向客戶交付了第一款帶有3D打印金屬部件的閥門。新的閥門滿足了苛刻的運(yùn)行要求，可承受無數(shù)次快速啟閉循環(huán)而無需維護(hù)。
目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)在美卓的閥門生產(chǎn)中得到了很好的應(yīng)用。它不僅提升了閥門的性能， 還降低了噪音，為客戶獨(dú)特的應(yīng)用帶來了理想的解決方案。
“我不認(rèn)為3D打印是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，但它肯定已經(jīng)過了創(chuàng)新階段。事實(shí)上3D打印已經(jīng)被美卓和許多其它工業(yè)行業(yè)的企業(yè)視為極有價(jià)值的制造技術(shù)。我們認(rèn)為它強(qiáng)大而可靠，是小巧、復(fù)雜形狀部件的理想選擇。以降噪閥門內(nèi)件為例，我們認(rèn)為3D打印技術(shù)可以生產(chǎn)出比傳統(tǒng)工藝性能更好的部件。”美卓技術(shù)研發(fā)總監(jiān)Jukka Borgman拿出兩只閥門降噪內(nèi)件強(qiáng)調(diào)道：“首先看常規(guī)技術(shù)加工的降噪部件，這些大大小小的通道是直接從材料中鉆過去的。而3D打印件內(nèi)部一開始的通道比較大，接著分成多個(gè)通道，然后是越來越多直徑很小的孔，最后在出口處，形成很多小孔。雖然傳統(tǒng)技術(shù)也能生產(chǎn)出這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但無論是花費(fèi)的時(shí)間，還是成本，都要高于3D打印。”
優(yōu)化流動(dòng)路徑
Borgman認(rèn)為，3D打印賦予設(shè)計(jì)人員更多優(yōu)化閥門內(nèi)部流動(dòng)路徑的自由度?！昂锰幉粌H止于此。3D打印的優(yōu)點(diǎn)還包括不再需要首先制作模具、機(jī)架或框架等。它是一種非常通用的技術(shù)，可以快速、低成本地生產(chǎn)小型系列組件?！?/span>
Borgman補(bǔ)充道：“3D打印也降低了生產(chǎn)時(shí)間。標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)流程可能會(huì)有多個(gè)工段導(dǎo)致生產(chǎn)延誤，相比之下，3D打印可以同時(shí)有效地執(zhí)行多個(gè)任務(wù)。例如，上述降噪環(huán)24小時(shí)內(nèi)生產(chǎn)完畢，之后僅需再花上一天進(jìn)行有限的機(jī)加工。因此，3D打印是閥門制造及其它快速生產(chǎn)備件的理想選擇?！?/span>
盡管如此，Borgman并不認(rèn)為3D打印可以完全取代傳統(tǒng)鑄造和機(jī)械加工，因?yàn)檫@些技術(shù)非常成熟、高效，特別對(duì)大尺寸和大體積閥門，如閥體的加工不可或缺。”
3D打印的機(jī)遇與障礙
當(dāng)被問及在3D打印方面還有哪些障礙尚待克服時(shí)，Borgman指出，目前還沒有涵蓋諸如閥體的3D打印閥門壓力控制組件的標(biāo)準(zhǔn)。此外，對(duì)于一些簡(jiǎn)單組件而言，3D打印因?yàn)闀r(shí)間長、原材料成本高而顯得缺乏吸引力。目前，3D打印可以獲得表面光潔、均勻的部件，無需進(jìn)一步處理。他認(rèn)為3D打印零件也將成為閥門行業(yè)公認(rèn)的做法。“目前美卓將3D打印部件外包，但隨著銷量的增長，未來也會(huì)進(jìn)行內(nèi)部生產(chǎn)。屆時(shí)，可以向客戶更好地展示3D打印如何提高閥門性能、降低噪音并為其獨(dú)特應(yīng)用提供優(yōu)化的解決方案。”
蘇爾壽：3D打印應(yīng)用先行企業(yè)
作者：Nadia Qaud，瑞士溫特圖爾
增材制造技術(shù)和3D掃描將極大地改變我們的未來。作為技術(shù)先行者，蘇爾壽對(duì)市場(chǎng)上新出現(xiàn)的增材工藝和材料進(jìn)行了評(píng)估。由技術(shù)專家、材料專家和工藝工程師優(yōu)化了合適的工藝，并在客戶和合作伙伴的密切配合下進(jìn)行了測(cè)試。
蘇爾壽于20世紀(jì)80年代開始將激光金屬沉積工藝作為一種工業(yè)工藝進(jìn)行開發(fā)，并于20世紀(jì)90 年代獲得專利。如今，激光已成為金屬增材制造工藝中的能源。
工業(yè)部門中的3D打印工藝和技術(shù)
各種增材制造工藝是針對(duì)特定材料（塑料、金屬合金、陶瓷、砂和蠟）開發(fā)的。固結(jié)方法（聚合、激光熔化或燒結(jié)、熔融、紫外線固化等）隨材料的具體形態(tài)（液體、粉末、絲狀等）而異。隨著工藝技術(shù)的日臻成熟，增材制造成為工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中最先進(jìn)的技術(shù)。每種技術(shù)都對(duì)應(yīng)著能為客戶實(shí)現(xiàn)最大價(jià)值之處?？傆幸惶?，我們會(huì)在客戶網(wǎng)站上看到按“即時(shí)制造”原則生產(chǎn)的備件。
增材制造在蘇爾壽的典型應(yīng)用
蘇爾壽的所有部門、針對(duì)各種用途使用增材制造工藝。戰(zhàn)略創(chuàng)新部的開發(fā)工程師José Ettlin表示：“增材制造有助于我們快速、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)小批量或定制化產(chǎn)品?！?/span>
蘇爾壽主要采用3D打印工藝生產(chǎn)原型或功能樣品，并在瑞士Haag建立了3D打印實(shí)驗(yàn)室。“蘇爾壽的目標(biāo)是讓我們的開發(fā)工程師能在增材制造領(lǐng)域獲得扎實(shí)而豐富翔實(shí)的知識(shí)。這就是為什么我們?cè)诖蛴?shí)驗(yàn)室安裝3D打印機(jī)的原因。即使在項(xiàng)目完畢后，我們的工藝專家仍喜歡反復(fù)擺弄、研究?！盓ttlin補(bǔ)充道。
兩臺(tái)立體光刻打印機(jī)（左）和紫外線固化系（右）
使用紅色PLA的熔融沉積成型（FDM）打印機(jī)
對(duì)于幾何形狀復(fù)雜的部件，增材工藝是十分理想的選擇。十多年前，Chemtech部門開始采用選擇性激光熔融（SLM）工藝，用金屬粉末生產(chǎn)靜態(tài)混料器。利用激光束使金屬粉末在粉末床上逐層固化形成部件。打印過程中采用了支撐結(jié)構(gòu)，它不僅提供穩(wěn)定性，而且還被用來傳遞熱量，以防止工件產(chǎn)生熱應(yīng)力。
“在模型泵性能測(cè)試期間，增材制造工藝提供了一種快速、經(jīng)濟(jì)的方法來評(píng)估不同水力設(shè)計(jì)模型的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)專有的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）計(jì)算，對(duì)最佳水力模型的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了審查。增材制造目前被用于模型泵上的固定液壓部件，如導(dǎo)葉和調(diào)整件，但在某些情況下也被用于旋轉(zhuǎn)液壓部件，”溫特圖爾的液壓開發(fā)主管Arnaldo Rodrigues解釋說。
激光金屬增材制造過程中的材料積層 （圖片來源：德馬吉-森精機(jī)）
泵的混合制造技術(shù)
在混合制造工藝中，利用金屬激光沉積工藝的增材積層、減材工藝以及5軸銑削的組合，快速制造具有新材料特性的葉輪，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)所要求的水力部件的表面質(zhì)量。對(duì)于閉式葉輪，這種混合工藝十分理想。
定期知識(shí)交流
蘇爾壽成立了增材制造（AM）委員會(huì)，使各部門的工程師能夠分享其知識(shí)。RES技術(shù)主管兼增材制造委員會(huì)成員Charles Soothill解釋道：“這種交流讓我們能夠分享其他工程師的知識(shí)。我們還一起學(xué)習(xí)蘇爾壽的新的精整方法或新材料，以及其它部門的工程師在3D打印和混合工藝方面積累的經(jīng)驗(yàn)?！?/span>
增材制造圈的經(jīng)驗(yàn)交流。從左至右：Charles Soothill、André Brogli、Robin Rettberg和José Ettlin
Soothill補(bǔ)充道：“除了優(yōu)化3D設(shè)計(jì)外，我們還可以優(yōu)化材料，并降低成本。我們也在展望未來。為了保證3D打印件的質(zhì)量，需要什么樣的檢驗(yàn)程序、測(cè)試方法和機(jī)器過程監(jiān)控？如何避免材料缺陷？在構(gòu)建組件結(jié)構(gòu)時(shí)，哪些功能可以優(yōu)化？蘇爾壽可以如何運(yùn)用仿生學(xué)，并借鑒自然界的例子進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)？”
對(duì)未來的展望
旋轉(zhuǎn)設(shè)備服務(wù)部門的工程主管Pharic Smith解釋道：“蘇爾壽已經(jīng)在渦輪工業(yè)中使用增材工藝，以快速修復(fù)復(fù)雜的受損部件。
未來，我們還將看到增材制造應(yīng)用于泵部件的快速修復(fù)，以便在較短的交貨期內(nèi)恢復(fù)到全新狀態(tài)。功能和耐久性試驗(yàn)正在進(jìn)行中，以創(chuàng)建采用增材工藝的完整部件，從而確保高質(zhì)量和可重現(xiàn)性。一旦這一點(diǎn)得到保證，我們就將看到這些工藝在為客戶提供更快捷解決方案方面擁有的巨大潛力?！?/span>
現(xiàn)場(chǎng)打印備件有什么好處？快速維修，無需長時(shí)間停機(jī)；無需庫存、運(yùn)輸或海關(guān)等繁瑣程序。蘇爾壽正在深入思考新的商業(yè)模式，以實(shí)現(xiàn)這一愿景，并在不久的將來為客戶提供這些優(yōu)勢(shì)。
進(jìn)入增材制造業(yè)
作者：George Small，穆格總工程師，在穆格位于紐約東奧羅拉的太空與防御小組工作
我們對(duì)增材制造的首次嘗試可以追溯到15年前。憑借在制造復(fù)雜部件方面的背景，很容易看出直接數(shù)字化制造的價(jià)值。為配合合體檢驗(yàn)、原型和模具而采用打印聚合物部件在穆格已經(jīng)變得司空見慣了，但我們的真正目標(biāo)是金屬增材制造部件。
對(duì)于典型的穆格應(yīng)用，粉末床激光技術(shù)看起來是最成熟且最適合的。但早期試驗(yàn)的結(jié)果令人失望。層間剝離現(xiàn)象普遍，孔隙率高、材料性能差。每隔幾年，我們都會(huì)在外部服務(wù)供應(yīng)商處嘗試具有可比結(jié)果的更多部件。
大約5年前，增材制造技術(shù)前沿的情況開始好轉(zhuǎn)。隨著機(jī)器的成熟和市場(chǎng)供應(yīng)產(chǎn)品的增加，增材制造部件的質(zhì)量迅速提升。2013年，一項(xiàng)源自基層的跨穆格計(jì)劃發(fā)展成為穆格增材制造中心（AMC），位于公司在紐約東奧羅拉的總部。我們有兩臺(tái)雷尼紹AM250機(jī)器，專門用于研究以支持我們包含5大要素的AMC章程：
?獲得對(duì)材料的了解
?建立和獲取工藝知識(shí)
?制造部件
?溝通與教育
?了解對(duì)現(xiàn)在和將來業(yè)務(wù)的更廣泛的影響
到目前為止，穆格AMC已生產(chǎn)了6000多個(gè)部件，而研究工作仍在繼續(xù)。
增材制造業(yè)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
增材制造可生產(chǎn)利用傳統(tǒng)制造方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜部件。它可以用來生產(chǎn)無法加工的特征、沒有接縫或接頭的部件。復(fù)雜的幾何形狀或有機(jī)形狀通常只有增材制造方法才可能和可行。但是，要使增材制造得到廣泛應(yīng)用，仍存在許多挑戰(zhàn)需要應(yīng)對(duì)。
“我們的大部分研究工作都是為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。清單很長，要做的工作還有很多。穆格也在積極尋求建立戰(zhàn)略伙伴關(guān)系和聯(lián)盟，以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)并創(chuàng)造機(jī)遇。我們認(rèn)為，通過伙伴關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)比僅靠自身更快的速度?！?/span>
穆格增材制造部件實(shí)例
穆格是商用和軍用飛機(jī)平臺(tái)飛行控制系統(tǒng)的領(lǐng)先設(shè)計(jì)師和制造商。在這些項(xiàng)目的飛機(jī)飛行測(cè)試計(jì)劃完成之前，進(jìn)行大量開發(fā)甚至先期生產(chǎn)硬件都很常見。試飛結(jié)果總是有可能導(dǎo)致硬件設(shè)計(jì)的變化。在傳統(tǒng)制造工藝中，長交付周期可能意味著在飛行試驗(yàn)計(jì)劃結(jié)束之前，硬件和工具方面的重大投資均處于風(fēng)險(xiǎn)之中。
本文的使用案例（一個(gè)用于液壓飛行控制執(zhí)行器的15-5PH不銹鋼氣缸）便是如此。在生產(chǎn)過程中，根據(jù)從航空航天供應(yīng)商處采購的不銹鋼鍛件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在交付穆格之前提交給第二家供應(yīng)商進(jìn)行精加工。生產(chǎn)件的驗(yàn)證和供應(yīng)商資格認(rèn)證可能需要長達(dá)12個(gè)月的時(shí)間。
利用增材制造生產(chǎn)的15-5PH部件被選作初始部件生產(chǎn)的替代方案。需要進(jìn)行小的設(shè)計(jì)改動(dòng)，以針對(duì)增材制造工藝進(jìn)行部件優(yōu)化。部件在一周內(nèi)即打印完成，并使用與生產(chǎn)鍛造部件相同的工具進(jìn)行精加工。在這種情況下，增材制造部件可以用于早期開發(fā)和低速率的初始生產(chǎn)，直到飛行測(cè)試完成和設(shè)計(jì)完全凍結(jié)。此時(shí)可以進(jìn)行生產(chǎn)工具的制造，以進(jìn)一步降低大批量生產(chǎn)的成本。這樣的計(jì)劃可以降低工具和庫存的風(fēng)險(xiǎn)，并開始為未來的供應(yīng)鏈創(chuàng)新打開大門。
圖片（從左到右）：AM液壓執(zhí)行器氣缸與鍛造液壓執(zhí)行器氣缸、采用AM氣缸的液壓擾流板伺服執(zhí)行器（中間）
液壓元件通常需要精密配合或表面光滑，但激光粉末床熔接無法滿足這些要求，可通過對(duì)打印好的零件表面進(jìn)行機(jī)加工來解決這個(gè)問題。一般來說，會(huì)盡量減少后加工的需要，因?yàn)樗鼤?huì)延長交貨期、增加成本。如果設(shè)計(jì)足夠精巧，除了密封表面外，通?？梢员苊鈾C(jī)械加工。
賽萊默
通過使用3D打印技術(shù)，賽萊默將定制泵的訂單交付周期縮短了75%。目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于賽萊默瑞典?，斂焖俳桓缎∨總€(gè)性化泵解決方案。
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