3D打印如何推動工業(yè)4.0？

來源：電子工程專輯

想像一下，在家里或辦公室打印出一部完整的、功能齊全的智能手機。3D打印(3DP)，又名增材制造(AM)，可以將未來的工廠重新定義成一種可以放在桌面上的設備。

現(xiàn)在距離這個目標還有很長的路要走，但是3D打印已經(jīng)應用在制造電子產(chǎn)品，如連接器、印刷電路板、射頻放大器、太陽能元件、嵌入式電子產(chǎn)品和外殼。線上制造平臺Hubs編制的一份報告顯示，打印技術和材料的進步幫助3D打印實現(xiàn)了其工業(yè)潛力。

市值1.01億美元的3D印表機制造商Markforged發(fā)言人Sam Manning表示：“作為一個產(chǎn)業(yè)，3D打印肯定正處于一個轉(zhuǎn)折點，很多人都愿意打印最終用途的部件。這與五年前相比有很大的不同�！�

在整個制造業(yè)，3D打印解決了許多產(chǎn)業(yè)特有的問題。制造商不再需要依賴海外合作伙伴進行原型設計和生產(chǎn)。設計可以安全地直接下載到印表機，從而降低IP盜竊的風險，元件可以在消耗時依照所需的確切數(shù)量進行建構(gòu)。這使企業(yè)擺脫了最低訂單要求和裝運/交付提前期的影響。用供應鏈術語來說，3D打印是“及時生產(chǎn)的助推劑”。

幾年前，全球市值297.2億美元的EMS供應商Flex就將3D打印確定為其工業(yè)4.0戰(zhàn)略的支柱。該公司設計團隊和制造團隊經(jīng)常對如何建構(gòu)產(chǎn)品有不同的看法，3D制造透過提供即時原型和模型縮小了這一差距。隨著產(chǎn)品的開發(fā)，3D技術會為過程中的每一步創(chuàng)建一個數(shù)字儲存庫。設計變化可以快速合并，并建立一個新的3D模型。

制造商還認識到3D打印的成本和永續(xù)性優(yōu)勢。從原材料到紙板箱的浪費基本上被消除了，庫存不再需要在倉庫中儲存和維護，運輸和配送成本是最低的。根據(jù)Hubs的報告，流程自動化正在透過切片機最佳化、智能零件定位、批量布局和后處理來提高打印速度、品質(zhì)和一致性。

切片(Slicing)是將3D模型轉(zhuǎn)換為印表機指令集的過程。Manning說：“工廠將不再需要每年檢查庫存，以確保庫存中有合適的零件，或者，萬一沒有所需的零組件，就只能坐在那里等待�，F(xiàn)在的模式是‘拿一個，做一個’。”

越來越多的軟件解決方案將3D打印生產(chǎn)鏈中的各個階段連接起來并實現(xiàn)自動化。Markforged開發(fā)了自己的軟件，完全自動化的工作流程可實現(xiàn)無人值守的3D打印，工廠幾乎不需要人工監(jiān)督。

Manning說：“我們的軟件確保切片是準確的，并在打印之前模擬零件，以確保拉伸強度。如此，你便擁有了一個零件的數(shù)字儲存庫。”

新進度
3D打印/增材制造領域由硬件(主要是印表機)、材料和軟件組成。據(jù)Hubs報導，大型金屬增材制造領域取得了重大進展。SLM Solution正在為美國空軍建造一個具有1.5公尺Z軸的激光粉末床融合系統(tǒng)，該系統(tǒng)將使用多個激光器來生產(chǎn)大型金屬零件。

大型復合材料專家Caracol正在開發(fā)一種近凈形金屬絲電弧增材制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用金屬絲原料和機器人焊接臂來創(chuàng)建大型結(jié)構(gòu)或修復金屬零件。

迄今為止，最大的3D打印產(chǎn)品是波音(Boeing)使用的配平工具。該工具在加工和鉆孔時固定在波音777x的機翼蒙皮。

3D打印材料包括種類不斷增加的工程熱塑性塑膠和樹脂、復合材料、聚合物粉末和金屬粉末。靜電放電樹脂可用于電子產(chǎn)品、穿戴式設備中的阻尼彈性體樹脂，以及運輸和其他產(chǎn)業(yè)中的阻燃材料。在熔融沉積成型中，非平面打印已經(jīng)取得了突破，軟件可以打印曲線，消除懸垂的支撐，提高垂直強度。

“我們不只是制造印表機，”Manning說，“我們制作材料并處理軟件。當整個生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同工作并不斷向人工智能(AI)和機器學習(ML)學習時，3D打印的采用率將會提高。”

Markforged可以立即將設計發(fā)送到13,000臺經(jīng)過ISO安全認證的已連接印表機中的任何一臺。“當你考慮能夠解決當前的供應鏈問題時，你所要做的就是點擊‘發(fā)送’和‘打印’，”Manning說。

3D打印使用案例
無論產(chǎn)品是智能手機還是墊片，3D打印都非常適合原型制作、工具制作和大規(guī)模定制。原型在全面生產(chǎn)之前評估產(chǎn)品的設計和功能；新的設計或特性可以更靈活地演進、測試和驗證。

“我認為，我們將看到的最重要的事情之一是，你甚至在按下‘打印’之前，就可以在云端中進化你的產(chǎn)品，而不是使用增材制造進行快速原型和打印。”Manning說，“你會確切地知道零件在強度和耐用性方面的規(guī)格�！�

工具涉及創(chuàng)建用于生產(chǎn)的專用設備。3D打印能夠依需求生產(chǎn)工具、夾具和裝配輔助工具，可以最大限度地減少機器停機時間、提高生產(chǎn)靈活性并解鎖定制解決方案。豐田(Toyota)將增材制造用于模具，將敏捷性、更快的交貨時間和設計自由度作為三大優(yōu)勢。

3D打印還為小批量制造提供了一種經(jīng)濟可行的方法。企業(yè)可以提供限量版產(chǎn)品和備件生產(chǎn)，同時最大限度地降低成本。豐田正在使用惠普(HP)的3D打印技術來依需求制造替換零件，以及短期的最終用途零件。

3D打印實現(xiàn)了經(jīng)濟高效的大規(guī)模定制。CAD檔案可根據(jù)客戶需要修改，產(chǎn)品可批量打印。科技新創(chuàng)公司Formify使用3D打印根據(jù)客戶的手部圖像，生產(chǎn)定制符合人體工程學的電腦鼠標。

“供應鏈正在努力盡可能高效地運作，”Manning說，“市場上普遍發(fā)生的情況是，越來越多的人想要定制產(chǎn)品。因此，從本質(zhì)上講，每件商品的生產(chǎn)量會減少，因此運輸5件比運輸50件更緊湊，3D打印所能做的就是現(xiàn)場打印這5個項目。大多數(shù)企業(yè)都擔心自己的底線，一旦你能夠小批量定制，更多的公司就會關注3D打印，并找到有利于公司的方法。”

批量生產(chǎn)是為了提高效率而連續(xù)生產(chǎn)多種相同產(chǎn)品的過程。Hubs報告稱，隨著工作流程日益數(shù)字化和自動化，制造商更容易全天候生產(chǎn)零件。在3D打印中，批量生產(chǎn)對于小零件尤其可行，因為其中幾個零件可以放入單個建構(gòu)中。例如，Protolabs利用150臺3D印表機，每年生產(chǎn)多達100萬個零件。

永續(xù)
制造商面臨著不斷提高效率和削減成本的壓力，同時還要成為負責任的環(huán)境管理者。3D打印在制造商的綠色倡議中發(fā)揮著主導作用。例如，與電腦數(shù)值控制(CNC)加工等減材制造工藝相比，3D打印產(chǎn)生的材料浪費更少。對于粉末印刷，3D打印可以重復使用和回收粉末。

3D打印的功耗也更低。Markforged的​​客戶Athena Manufacturing進行關燈制造。Athena的機器人可以移除打印床，將其放在一邊并放上新的打印床，然后第二個機器人按下“打印”按鈕。“他們不斷地生產(chǎn)零件——不是快速原型，而是交付給客戶的零件，”Manning說。

根據(jù)Hubs的說法，人工智能驅(qū)動的軟件工具還可以最大限度地降低打印失敗的風險并最佳化打印過程的CAD設計，從而幫助減少添加劑浪費。

作為一種數(shù)字制造方法，3D打印可以在本地生產(chǎn)零件，無需復雜的物流和運輸。分散式制造網(wǎng)路可以透過提供與世界各地合格制造商的聯(lián)系來促進本地3D打印，智能零件設計正在幫助航太和汽車工業(yè)實現(xiàn)更好的燃油效率。透過增加零件的輕量化，飛機和車輛可以消耗更少的燃料。Hubs報告稱，將飛機重量減輕20%，可以使燃油效率提高10%。

最后，像汽車和飛機這樣的長壽命設備可以利用3D打印來延長它們的使用壽命。這些產(chǎn)品中使用的元件經(jīng)常會過時，3D打印可以根據(jù)需要生產(chǎn)替換零件，備品可以在家或在辦公室打印。

根據(jù)Hubs的資料，到2022年，3D打印市場(包括3D打印系統(tǒng)、軟件、材料和服務的收入)將達到170億美元，年成長率為13%。2023年的預測是基于17%的年復合成長率(CAGR)，到2023年將達到199億美元。

“3D打印是工程師的另一種工具，”Manning說，“它不會取代傳統(tǒng)制造業(yè)。但工程師們開始學習增材制造課程。在設計時，從增材制造的角度思考是非常不同的。我們希望在5年后，工程師們能在傳統(tǒng)方式的基礎上進行加法思考。”

(參考原文：How 3D Printing Boosts Industry 4.0，by Barbara Jorgensen，國際電子商情Momoz編譯)

本文原刊登于國際電子商情