基于數(shù)字化和技術(shù)變革的快速步伐，增材制造（AM）的工業(yè)化進(jìn)程已持續(xù)了很長(zhǎng)一段時(shí)間。從它進(jìn)入鑄造、機(jī)械加工及其他制造流程的時(shí)間，可以認(rèn)為它已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用、有效促進(jìn)了生產(chǎn)發(fā)展。增材制造在這種大環(huán)境下已存在了30年左右，但當(dāng)將它與其他更成熟的、用于零件生產(chǎn)的傳統(tǒng)制造工藝比較時(shí)，其仍處于非常初級(jí)的階段。

盡管如此，增材制造技術(shù)仍取得了重大進(jìn)展，在過去十年尤其明顯。它已被用于許多行業(yè)的部件生產(chǎn)，包括受到高度監(jiān)管的航空航天和醫(yī)療行業(yè)。其應(yīng)用的領(lǐng)域不僅局限在生產(chǎn)原型、備件或一次性產(chǎn)品，只要材料滿足需求，批量生產(chǎn)零件已變得非常容易。

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得益于增材制造更低的成本、更可靠的系統(tǒng)，再加上在供應(yīng)鏈上持續(xù)存在的瓶頸，汽車行業(yè)在金屬增材制造的零部件生產(chǎn)上做了大量投資。盡管應(yīng)用增材制造技術(shù)制造數(shù)百萬(wàn)個(gè)金屬部件仍然有難度，但其應(yīng)用于批量生產(chǎn)的未來似乎已經(jīng)可以預(yù)見。

汽車制造商對(duì)增材制造的青睞

豪華車和高端車因?yàn)橛兄叩睦麧?rùn)率，愿意嘗試新技術(shù)，因此增材制造也正在豪華車和高端車市場(chǎng)中尋找突破口。據(jù)外媒近日消息，粘合劑噴射3D打印系統(tǒng)供應(yīng)商Desktop metal收到德國(guó)一家主要汽車制造商價(jià)值790萬(wàn)美元的粘合劑噴射增材制造系統(tǒng)訂單，用于大規(guī)模生產(chǎn)金屬汽車動(dòng)力總成部件。

雖然Desktop metal沒有透露該訂單的合作車企，但考慮到寶馬是Desktop metal通過BMW iVentures的首批投資者之一，大眾汽車正在積極與惠普合作，而戴姆勒奔馳已經(jīng)與EOS合作多年，外媒猜測(cè)這家德國(guó)汽車制造商是寶馬。

據(jù)悉，Desktop metal為終端零件的批量生產(chǎn)提供了廣泛的高通量增材制造解決方案組合，并支持包含超過250種材料的全面和多樣化的材料庫(kù)，可使用的材料涵蓋金屬、復(fù)合材料、聚合物、陶瓷、生物兼容材料、沙子、木材和彈性體等，在汽車、醫(yī)療保健和牙科、消費(fèi)品、航空航天等行業(yè)擁有快速增長(zhǎng)的客戶基礎(chǔ)。

除了汽車OEM廠商，零部件企業(yè)也在發(fā)力增材制造。馬勒與SLM Solutions合作，應(yīng)用SLM Solutions的系統(tǒng)，并授權(quán)OEM和一級(jí)供應(yīng)商，以滿足他們?cè)谙盗猩a(chǎn)中對(duì)金屬增材制造的需求。通過合作，兩家公司正在提高汽車零部件原型和系列生產(chǎn)的速度和質(zhì)量。

據(jù)悉，這些部件將由鋁和不銹鋼合金打印而成，具有顯著的彈性和耐腐蝕性能，并且優(yōu)化了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以減少整體重量。對(duì)于傳統(tǒng)制造方法來說過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，可以很輕松地生產(chǎn)出來，同時(shí)仍然遵循汽車行業(yè)嚴(yán)格的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

經(jīng)典圓線繞組的橫截面（左）和 3D 打印單個(gè)線圈的橫截面（右）

 據(jù)悉，馬勒在斯圖加特的戰(zhàn)略3D打印中心將通過革新原型生產(chǎn)的步伐，在加強(qiáng)其作為原始設(shè)備制造商領(lǐng)先的開發(fā)合作伙伴的角色中發(fā)揮關(guān)鍵作用。新中心將把生產(chǎn)時(shí)間從幾個(gè)月縮短到幾天，從而同時(shí)加速向氣候中性的移動(dòng)出行的發(fā)展。開發(fā)重點(diǎn)將主要集中在來自熱管理、機(jī)電一體化和電子領(lǐng)域的組件。

新定義為增材制造零件生產(chǎn)開辟道路

增材制造正在尋找立足點(diǎn)，而不僅僅局限在原型制造。ISO/ASTM 52900:2021最近更新了增材制造的標(biāo)準(zhǔn)定義：
● 一種工藝，像機(jī)械加工、鑄造、鍛造、注塑那樣的工藝過程；
● 匯合了粉末狀、液狀、線狀或其他固體形式材料，如聚合物、金屬、陶瓷、其他材料或其他組合物；
● 用以制造零件，也稱“可構(gòu)成全部或部分目標(biāo)產(chǎn)品的功能性要素”；
● 采用三維模型數(shù)據(jù)，可以是三維實(shí)體（如CAD）模型、STL或AMF文件、DICOM文件，三維點(diǎn)云或其他；
● 通常以一層覆蓋一層的方式，將材料疊加、匯合在一起，由此產(chǎn)生七種不同類型的增材制造過程；
● 與另兩種重要、完善的生產(chǎn)制造工藝——減材制造和成形制造技術(shù)是相反對(duì)照的。

這個(gè)新定義用“零件”取代了“物體”，強(qiáng)調(diào)了增材制造的功能本質(zhì)——即制造“全部或部分目標(biāo)產(chǎn)品”。 這個(gè)定義的“新”在于認(rèn)識(shí)到工業(yè)向零件生產(chǎn)轉(zhuǎn)移這個(gè)趨勢(shì)。與此同時(shí)，更新后的定義仍為“功能性要素”原型設(shè)計(jì)留下了空間。這個(gè)“功能性要素”，代表了全部或部分目標(biāo)產(chǎn)品。實(shí)際上，不管未來會(huì)不會(huì)將生產(chǎn)轉(zhuǎn)向增材制造方向，許多公司都在試圖做出一個(gè)有說服力的金屬增材制造案例，用功能性原型快速迭代設(shè)計(jì)替代方案，縮短開發(fā)周期。

例如在電動(dòng)汽車電動(dòng)機(jī)繞組方面，3D打印技術(shù)展示出了其優(yōu)勢(shì)。雖然電動(dòng)機(jī)可能看起來很基本，但內(nèi)部有很多部分在起作用，包括熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和電磁學(xué)，其設(shè)計(jì)必須緊湊，甚至因?yàn)楣ぷ骺臻g很小，需要重新設(shè)計(jì)工程和部件的放置。

傳統(tǒng)制造會(huì)產(chǎn)生典型的圓線繞組，由于導(dǎo)體、工藝和幾何形狀必須匹配，因此傳統(tǒng)繞組往往受到限制并且難以完美。借助新的3D打印技術(shù)繞組的線圈，同時(shí)通過 Additive Drives 創(chuàng)建的新程序和定制的激光熔化系統(tǒng)，能夠防止空隙和凹槽不合適的問題，填充凹槽時(shí)銅的量增加，電阻更小。因?yàn)槊扛鶎?dǎo)線都與線圈的所謂疊片鐵芯熱接觸，可變形狀也有利于散熱，因此沒有熱點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率也可最多提升45%。

結(jié)語(yǔ)

事實(shí)上，利用3D模型數(shù)據(jù)制造零件給增材制造帶來了許多經(jīng)濟(jì)效益，其中最大一個(gè)因素是“數(shù)據(jù)就是工具”。 換句話說，工具、固定裝置、夾具等的高成本設(shè)備也同樣應(yīng)用于其他成形工藝。而與減材制造工藝相比，用一層疊一層增加材料的方式制造零件，可以減少?gòu)U料，防止浪費(fèi)，能帶來額外的經(jīng)濟(jì)效益。

簡(jiǎn)而言之，增材制造正在“成長(zhǎng)壯大”，已經(jīng)在生產(chǎn)車間擁有越來越多的成功案例。但即便技術(shù)成熟，增材制造也依然不可能完全取代其他減材、成形工藝。不過，我們要看到的是，按照最新的定義，在某些零件生產(chǎn)場(chǎng)景中，增材制造是更具優(yōu)勢(shì)的。因此，找出這些零件生產(chǎn)場(chǎng)景，對(duì)有志于應(yīng)用增材制造來提高設(shè)計(jì)效率、降低制造成本的企業(yè)來說，是接下來的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。