【3D打印高端演講】英國Renishaw總監(jiān)Andy Buttrey：3D打印金屬零件

【導(dǎo)讀】 在6月下旬，世界3d打印大會在青島舉行。南極熊3D打印網(wǎng)也到了現(xiàn)場進(jìn)行了大量的報道，詳情請看南極熊報道 http://www.dddyin.com/forum-103-1.html 。南極熊作為一個3d打印的專業(yè)媒體平臺，一直致力于推動中國3D打印行業(yè)的發(fā)展。希望下面的一些內(nèi)容對大家有所啟發(fā)。


Andy Buttrey：下午好，我的演講大概要花費二十分鐘的時間，希望你對我的演講會感興趣。今天我將首先介紹一下我們自己的公司，然后講述一下我們目前在生產(chǎn)方面的挑戰(zhàn)。

在過去幾天我們講到了增材生產(chǎn)以及減材生產(chǎn)，我們將會講一下在不遠(yuǎn)的將來，增材生產(chǎn)的未來趨勢�；蛟S我的演講會有一點不同，或許跟其他的演講人意見也有點不同，我講的是近期而不是遠(yuǎn)期的未來。

在我們的講述當(dāng)中，我們生產(chǎn)金屬零件，利用這個技術(shù)生產(chǎn)金屬零件，與此同時我們也是這種打印機(jī)的供應(yīng)商，所以說我講述的這個主題就是金屬零件，所以說是非常細(xì)分的一個部分。

首先Renishaw是一家英國的公司，我不想結(jié)束更多關(guān)于英格蘭足球隊的問題，我們大多數(shù)的制造部門都是基于英國的。我們每年收益大概是5億美元，我們把收益當(dāng)中的18%投資于研發(fā)，我們?nèi)�世界的雇員大概有3200人，在中國有150個雇員，而且在中國有11家分公司。

首先我們是一個制造商，我們生產(chǎn)零部件，這個零部件也安裝到我們自己的產(chǎn)品當(dāng)中，這一點可能與其他的演講人有點不同，我們盡量的減少我們產(chǎn)品的重復(fù)性，這樣能夠減少我們的成本。事實上我們是用我們自己的產(chǎn)品來生產(chǎn)自己的產(chǎn)品，所以說我們現(xiàn)在既使用增材生產(chǎn)也使用減材生產(chǎn)。

左邊是我們的工廠，我們實行低量但是非常多元化的零部件的生產(chǎn)，大概每批是100到2000個，每周生產(chǎn)20到3500個，我們的產(chǎn)品非常多元化但是量比較少。我們最出名的產(chǎn)品就是過程的控制已經(jīng)監(jiān)測，這是我們的一些最著名的產(chǎn)品。

我們的產(chǎn)品在測量元器件當(dāng)中占據(jù)了18%以上的市場，主要是用于過程控制，比如說剪切機(jī)械以及控制機(jī)械等等。在角上這個圖片是生產(chǎn)的零部件，而且在增材生產(chǎn)方面，我們的產(chǎn)品也用于醫(yī)療以及醫(yī)藥部門，比如說在牙醫(yī)當(dāng)中，我們會生產(chǎn)掃描儀，能夠?qū)�口腔進(jìn)行掃描。不久之后我們就開始自己生產(chǎn)牙醫(yī)用的零部件，所以說我們一方面是牙醫(yī)零部件的使用者，同時也是生產(chǎn)者。我們還進(jìn)行腦部掃描儀的零部件，以及手術(shù)零部件的生產(chǎn)。所以說我們一個重要的驅(qū)動因素就是這個行業(yè)的應(yīng)用，我們是因為應(yīng)用而發(fā)展我們的行業(yè)�，F(xiàn)在我們遇到的挑戰(zhàn)主要不光是生產(chǎn)方面的挑戰(zhàn)，還有其它方面的挑戰(zhàn)。

在生產(chǎn)方面有幾個驅(qū)動的因素，第一個就是市場，第二個就是消費者，他們希望在最短的時間內(nèi)要高質(zhì)量的產(chǎn)品，減少成本，最好越便宜越好，與此同時他們要高性能、更復(fù)雜的高質(zhì)量的產(chǎn)品。

另外一個驅(qū)動因素就是材料的成本。材料是一個重大的開支，包括勞動力的成本、工廠的成本，與此同時能源也是一個重要的驅(qū)動因素。與此同時還有一些不確定性，有的時候很難預(yù)測我們的銷量。最比較重要的一點就是制造商本身最為關(guān)注的就是解決的方案，而并不是單單的技術(shù)，比如說增材生產(chǎn)還是減材生產(chǎn)。

我們要做的就是我們要解決遇到的這些問題和挑戰(zhàn)，通過更加轉(zhuǎn)變勞動力的成本，減少生產(chǎn)的環(huán)節(jié)，減少零布件的重復(fù)率和毀壞率，與此同時在之前有演講者就說到我們要建立一個追溯系統(tǒng)，每一批的產(chǎn)品都可以進(jìn)行很好的追溯。

在于減材生產(chǎn)當(dāng)中我們也有很多年的經(jīng)驗，這是我們在減材生產(chǎn)當(dāng)中的優(yōu)勢。首先我們的設(shè)備以及我們的經(jīng)驗，都是為我們的密一個員工所深知，所以他們受到的培訓(xùn)以及掌握的知識是非常豐富的。而且我們的產(chǎn)品也可以供應(yīng)于航空業(yè)，我們有很重要的程序控制部件，有的時候如果我們利用這個減材生產(chǎn)可以很好的獲得測量的數(shù)據(jù)。對于我們多任務(wù)的機(jī)器也非常具有優(yōu)勢，而且我們在多任務(wù)機(jī)器生產(chǎn)方面的市場份額不斷的增加。

我再為大家介紹一下這樣一個減材機(jī)械相關(guān)的情況�？梢钥吹郊夹g(shù)在這個階段出現(xiàn)了成熟化，在這樣一個時候，人們都認(rèn)為CNC的機(jī)械可以是一個萬能的工具，可以降低生產(chǎn)成本，并且使得設(shè)計的自由度和復(fù)雜度變得更加的高。

很有意思的一點就是現(xiàn)在大家關(guān)注于這樣的一個減材制造的關(guān)注點，就是能夠?qū)崿F(xiàn)一個多軸的機(jī)械和多紡錘體的機(jī)械體。所以說我想在此強調(diào)的就是設(shè)計是非常關(guān)鍵的，并且設(shè)計的靈活度是非常重要的。我們希望能力利用這樣一個減材的制造工藝，使大家更好的預(yù)測未來的運作狀況。

可以說現(xiàn)在存在一些挑戰(zhàn)，可以說有一些弱點，包括生產(chǎn)當(dāng)中存在很多的廢物，像航空航天領(lǐng)域90%的制作材料都沒有被利用起來，并且可以說對于這些廢物進(jìn)行回收再利用的過程也存在一些挑戰(zhàn)。還有一些其它的限制，包括還有一些終端的設(shè)計，還有最后的一些工藝都不是非常的完善，一些鑄造等等這些工藝都沒有成熟。

關(guān)于增材制造是什么樣的情況呢？Econolyst可以使得非常復(fù)雜的幾何體得以生產(chǎn)和制造出來，我們可以使得多線路的工藝變得非常的簡單易行，并且使得供應(yīng)鏈和基本投資大大的減少�，F(xiàn)在有基于互聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)平臺，可以使得一些設(shè)計放在平臺之上，這樣一個過程就會得到高效化。

可以說增材制造有一個殘酷的現(xiàn)實，差距200個部件還有產(chǎn)品以及商業(yè)的模型，他們都不是能夠完成的，適用于增材制造的模式。其中包括許多的特性都是不穩(wěn)定的，有一些不確定性，所以說在這樣的一些，包括在它準(zhǔn)確度、表面的完整度還有生產(chǎn)當(dāng)中的一個多變度和多樣性都是有待改善的。

到底這樣一個增材制造最適合應(yīng)用在哪些領(lǐng)域呢？大家在之前的幻燈片看到很多的例證和構(gòu)想，它最好能夠放在，比如說在牙科，可以說牙科領(lǐng)域的應(yīng)用在增材制造方面發(fā)展的非常迅速，我們還有一些其它領(lǐng)域也是非常具有前景的。

還有一些不是那么為大家所了解的增材制造領(lǐng)域就是能夠生產(chǎn)熱能管理和醫(yī)學(xué)的。除此之外還有一些其它的，包括貴金屬的使用。

挑戰(zhàn)是什么？現(xiàn)在有一些非常重大的挑戰(zhàn)是為增材制造人們應(yīng)該予以進(jìn)行改變�，F(xiàn)在包括這樣一些設(shè)備的校準(zhǔn)，還有一些標(biāo)度，是應(yīng)該更加的可追溯，并且更加的精準(zhǔn)。同樣我們需要在這樣一些運作的方法，還有一些工藝后期的方法上面，比如說一些熱處理以及表面的完善方面都應(yīng)該得到更好的改善。并且現(xiàn)在許多的一些材料都沒有完成這樣的研發(fā)，沒有完全能夠供應(yīng)到實際的生產(chǎn)當(dāng)中，所以說產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的過程需要得以完善。在這樣一些未來我們希望把它大規(guī)模的投入到制造和生產(chǎn)當(dāng)中，所以說這些挑戰(zhàn)必須得以應(yīng)付和克服。最大的挑戰(zhàn)一定是高效和高速的流程，同樣我們也應(yīng)該完成最終成品的精準(zhǔn)度。

這就是一個圖像的表達(dá)，向大家展示的一個是50微米，一個是20微米的模具形態(tài)。當(dāng)然說這樣的精度更高，所要花費的時間就更長。未來我們將使用這兩種不同的應(yīng)用來改善人們的生產(chǎn)狀況。這就是一些例證，有一些地方我們結(jié)合了減材和增材的制造工藝。

首先不管是在藥物或者說是對于大腦的這么一個刺激方面我們都使用了這兩種工藝，一個是慢性藥的傳輸系統(tǒng)。在左邊和右邊這個圖上大家可以看得很清楚，同樣我們還使用了一個減材的工藝來進(jìn)行達(dá)到更加精度化的要求。這就是我們把藥物傳輸?shù)酱竽X深處的工藝。

還有一些牙科的結(jié)構(gòu)和例證，可以說很長期以來我們都會使用這樣一些工藝來制造這樣的一些產(chǎn)品。牙冠也是使用了這樣一個工藝的，我們必須要實現(xiàn)這樣的一個最精準(zhǔn)的配型，并且能夠最終完成最理想的模具。

可以說這樣一個模具它是一個冷卻的模具，這樣一個冷卻通道它可以模擬非常復(fù)雜的冷卻通道，我們可以把它應(yīng)用到一些減材工藝。如果我們使用一些增材工藝的話，可以說做頂層的設(shè)計是比較不太推薦的，但是如果說結(jié)合一些減材工藝的話，我們可以說這樣一個冷卻的系統(tǒng)可以更加高效的制造出來。自行車也是一個很好的例子，告訴大家我們能夠使用鈦合金來進(jìn)行生產(chǎn)，可以說這比原來的一些設(shè)計相比是優(yōu)化了不少的。

最后進(jìn)行一個總結(jié)�，F(xiàn)在的現(xiàn)實就是，可以說事實上增材制造關(guān)鍵就在于制造，可以說制造商購買的并不是技術(shù)，他們購買的是問題的解決方案。其中一個非常關(guān)鍵的部分就是要找到如何能夠找到問題解決的辦法，哪些地區(qū)，哪些區(qū)域是應(yīng)該使用增材技術(shù)，哪些使用減材，哪些兩者結(jié)合。同樣我們更好的對于工藝方面獲取更多的知識，然后最關(guān)鍵就是對于知識和技術(shù)的了解。

我們現(xiàn)在處于跟那個時候比較相似的階段，我們認(rèn)為增材技術(shù)基本上可以完成所有的工作，我們應(yīng)該建造起一個新的機(jī)械工藝中心。

我想引用我一個同事的話，他說當(dāng)我們一個增材制造時代完全到的時候就會知道，因為它不會被稱為快速制造或者電子制造增材的生產(chǎn)，而是絕對會被稱作制造，謝謝。

Bob Bennett：在我的演講當(dāng)中，我想強調(diào)的是到底我們面臨什么樣的挑戰(zhàn)，我們在運用3D打印來設(shè)計這些不同的金屬材料元件的時候，我還會談一下3D打印的應(yīng)用，包括3D打印在我們的展覽當(dāng)中展示的這種應(yīng)用。

    給大家介紹一下Renishaw這個公司，我們有幾個部門，幾年前我們收購了一個比較小的公司，叫MTT，這是一個英國的公司，主要是制作增材材料的，我們把它的技術(shù)做到我們的業(yè)務(wù)當(dāng)中。包括兩個部分，一個是醫(yī)療，比如說像機(jī)床等等，這些都是度量學(xué)的設(shè)備。這個是牙科的、醫(yī)藥的，還有我們的產(chǎn)品線，增材技術(shù)包括了醫(yī)療和度量學(xué)。我們的牙科部門其實是用這個增材制造的3D打印的技術(shù)，用鎘和鈦合金作為材料。

    我們的公司收入達(dá)到了5億美元，我們18%的收入都是再投入到研發(fā)當(dāng)中，所以我們是一個純粹的技術(shù)公司。我們?nèi)�球都有員工，我們在中國的員工是達(dá)到120個，在中國設(shè)立了辦事處。MPT就是我所來自的部門。

    這是我們工廠的照片，在末端就是我們的辦公室，我們在英國有很大的技術(shù)公司，還有中國的上海也是覆蓋亞太區(qū)，還有美國的芝加哥，還有在德國也有我們重要的技術(shù)中心。

    我們這個機(jī)器的制造工廠擁有非�，F(xiàn)代的生產(chǎn)線，同時我們也在開發(fā)新的產(chǎn)品，我把它叫做資源集團(tuán)工程，包括軟工程、激光、軟纖維等等這些工程技術(shù)。

    在上海我們將制造一個新的工廠，它的面積是4000平方米。我們的技術(shù)支持和應(yīng)用服務(wù)都是在這個新的工廠當(dāng)中。這是我們當(dāng)前的設(shè)備，是AM250，就是增材制造250系統(tǒng)。它是200瓦到400瓦，對于這個汽油的消耗也非常低，每小時是10升。它也是支持鋁合金和相關(guān)的一些材料。

    在應(yīng)用來講的話，我們在做很多的原形，很多都是制造的技術(shù)，我們現(xiàn)在在英國航空公司包括軍事的一些設(shè)備都在用我們的技術(shù)。航空領(lǐng)域也是我們增長迅速的一個領(lǐng)域。還有機(jī)床制造，比如說IBC，這是德國的分公司，而且我們是全球提供相應(yīng)的服務(wù)。而且在流程和處理材料方面，在重慶和金華我們都有相關(guān)的研發(fā)。

    我想跟大家分享的是這個設(shè)計的過程當(dāng)中，AM提供的一些優(yōu)勢，我們?nèi)绾未_定這個部件是符合或者是適合用AM。AM主要的優(yōu)勢，首先它在打印非常薄的這種壁是非常有優(yōu)勢的，基于這種激光的系統(tǒng)，是用小直徑的光束，所以低于200微米都是可以使用這種技術(shù)。

    在這個圖上你可以看到，它是智能的通道，還有這個軸在這里，而且是非常輕量的結(jié)構(gòu)，這是在航空領(lǐng)域使用的一個結(jié)構(gòu)，極大地減少了它的重量。在這里我們還有這樣的一個部件，這是一個智能的插件。這是空客使用的結(jié)構(gòu)。

    是不是這些部件適合用AM或者3D打印呢？非常明顯的是，上面的這兩個圖，這是廉價制造的，而且是很快被制造的，只要有流程就可以。但是EDS的零部件，你看到它原始的設(shè)計被進(jìn)行了優(yōu)化，它可以介紹它的質(zhì)量，這也是AM應(yīng)該用的領(lǐng)域，對這些部件你從來不會用AM，也有一兩個部件可能需要很快來進(jìn)行制造，3D打印就可以實現(xiàn)這一點。但是對于大規(guī)模的應(yīng)用和優(yōu)化的話，顯然不是很恰當(dāng)?shù)摹?br />
    一個挑戰(zhàn)，對我們來講在3D的金屬打印，這是它的這種吊架，懸掛45度是需要有一個支撐的，但是并不是支撐的結(jié)構(gòu)，更多的像一個角，把它進(jìn)行一個恰當(dāng)角度的懸掛，這樣的話可以減少不必要的沖擊。

    在這里可以看到這個部件，因為它沒有得到支撐，所以最終出現(xiàn)了故障，所以我們需要固定金屬的支架。這樣的話，這個部件的表面就離這個粉末更遠(yuǎn)，這樣的話推開它在這個部分它的粉末其實已經(jīng)是受到了影響。在這里你可以看到，這很好展示了不應(yīng)該做什么，20%必須要有完全的支撐。

    對這些懸掛的件來講，這張圖給大家介紹的是，在一個垂直的平面上是非常容易的，沒有任何的問題，但是一旦接近45度，任何懸掛的表面都可能會失效。所以支撐結(jié)構(gòu)，必須要被采用。

    另外一個被懸的方案，看一下懸掛的切面。在這里，不是在這個領(lǐng)域應(yīng)用支撐結(jié)構(gòu)。可以在設(shè)計之后應(yīng)用上去，這取決于這個部件最終應(yīng)用在哪里。對于這個孔狀的部件也是需要支持的。如果不需要支撐，我們能夠轉(zhuǎn)的最大的孔就是在10毫米以內(nèi)。如果說我們有很大直徑的需求，那我們就可以把這個部件的幾何形狀給它進(jìn)行一個改變，這樣來去避免使用45度的支撐結(jié)構(gòu)。

    對于這個冷卻通道，一般情況下它是圓的，沒有問題。但是對于大的幾何體的話，或者大的直徑的這些部件，最好是用弧形的或者是橢圓形，這樣的話可能會帶來很大的波動。

    這里有一個閥體，這里是沒有支撐的，但是圓的直徑的話，帶來中間的支持，確實是可以解決的。我們可以看到這個方向的配置，這是很重要的，如果有這樣的一個很好的角度的放置，它可能就會支撐自己的表面。

    我們再來看這個格子狀的這個結(jié)構(gòu)。在這里這張圖并沒有遵循我剛才講的這些規(guī)則，因為它更多的是采用增值制造，非常必要的精格的結(jié)構(gòu)。

    我們再來看一下在汽車和賽車當(dāng)中，他們應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。因為像這種交通工具，它的速度非�？�，所以我們必須要去采用非常特殊的結(jié)構(gòu)，這也是一個很好的例子，用這個增材打印機(jī)技術(shù)來應(yīng)用到這個特殊的領(lǐng)域。

    還有DELPHI系統(tǒng)，在這里可以看到這是大眾公司的一個汽車部件。這需要幾個助理，比如說對機(jī)器鑄件的制造。來看一下在后續(xù)的這種處理，如何減少這些作業(yè)流程。這是最初的一個設(shè)計，非常好，四面都有一些通道，而且這些通道進(jìn)行了平滑處理，這樣的話我們就可以減少后續(xù)的處理流程。

    我們再把金屬件擴(kuò)展厚度，紅色的部分都是固定的幾何體，綠色的部分都是在設(shè)計領(lǐng)域可以來進(jìn)行改造的。所以，我們用這些突破軟件就可以來優(yōu)化這些部件承受影力和壓力。最終的效果是什么樣的呢？在這里我們可以看到，這是一個部件的圖片，它這樣一個有機(jī)的形狀可以能夠接受最大的扭曲和最大的變形壓力。

    我們可以看到，很多的這些承受硬力的部分都進(jìn)行了平滑的處理，而且重量也減少到了1.2公斤。各個不同的一些通道基本上這個長度都是一樣的，可以看到它的這個流量是進(jìn)行了很好的平衡，這也是1.279的模型。

    還可以制造一些混合的工具。在這里大家可以看到，這是直孔，這個機(jī)器很容易就可以實現(xiàn)，然后在上面把這個冷卻的通道設(shè)計在上部。在這里也是同樣的道理，在部件的內(nèi)部怎么來設(shè)計和制造出非常復(fù)雜的冷卻通道。

    我們再來看一下這個冷卻的效率�？磥磉@個部件，這是實時的一個數(shù)據(jù)。你可以看到它加熱和冷卻是非常迅速的，因為所有的這些通道是盡量地接近于表面的。

    這是傳統(tǒng)的熔件，用3D打印就可以創(chuàng)造出這樣一個非常復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)�？梢钥吹胶蛡鹘y(tǒng)的部件相比的話，我們看到它可以實現(xiàn)一個非常大的部件，而且它對熱的反射效率是非常高的，這個冷卻的通道顯然是非常昂貴的，但是它的投資回報也是可以在三個月之內(nèi)收回投資。

    關(guān)于第三個3D打印的自行車，Empire Cycles是我們的一個分公司，主要是制造高端的比賽用的自行車，主要是用碳鈦合金和光纖，用鈦，它的強度更高，這種技術(shù)可以證明。

    現(xiàn)在所有的這些框架它都是鋁合金做的高合金。首先我們要看一下在前面這個座位的支撐部分怎么來進(jìn)行優(yōu)化。這個圖給大家來解釋到底哪一些支撐可以是去掉的。這也是我們軟件最后形成的一個優(yōu)化的設(shè)計，但是一開始只是一個比較粗劣的方式，最終進(jìn)行更多的優(yōu)化，這是第一個版本，這里有很多支撐的結(jié)構(gòu)。這是中空的結(jié)構(gòu)，也是鈦做的。但是最重要的呢，是它減少了某些不必要的地方，這里太平了，這里也是。這個是平的，這個是弧形的，一些不必要的地方就可以去掉了，我們就把整個的這個架子，我們在以我們的平臺上制造出來的這個架子。它達(dá)到了歐洲的標(biāo)準(zhǔn)，而且比標(biāo)準(zhǔn)做得要好。最后，我們把整個的車框架建造出來，這三天多一點就做出了這個框架。

    所以這個說明什么問題呢？首先我們設(shè)計有更大的自由度，如果說我們的設(shè)計師懂得3D打印的話，他們就知道我們的工藝的話，就可以通過他們的設(shè)計來對有關(guān)的形狀，這樣的話對于有關(guān)的彎曲度進(jìn)行好的設(shè)計，這樣的話可以在技術(shù)上有這樣成熟的技術(shù)，而且在商業(yè)上也有很好的應(yīng)用前景。