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3D列印自打出現以來就頗受重視,3D列印可以實現很多傳統不敢想象的設計,那麼3D列印對比傳統制造有哪些優勢呢?
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  • 1 # 蜂鳥發現3D列印

    每次我們介紹一項新的技術時,人們往往第一個問題會問:“那我們傳統制造方式做什麼?”隨著技術的發展,我們逐漸會明白答案是什麼。

    接下來以最近兩年關注度非常高的金屬3D列印為例,做個分析,這項技術將對傳統鑄造產生什麼影響?很顯然,鑄造生產與3D列印本身不是對立的;事實上,現在很多鑄造砂模已經在使用3D列印技術製作,而且人們發現這項技術對生產很有幫助。

    除了可以列印3D模型外,金屬3D列印可以直接製造出每次設計改進的部件,這並不意味傳統鑄造技術的終結。相反,這是一種獨立的軌跡。法國Sogeclair利用該技術製造了一扇飛機艙門結構,使用金屬3D列印的原因是需要精確的內部幾何結構,而傳統的鑄造無法生產的。因此,金屬3D列印不是要搶傳統鑄造的生意,而是做傳統鑄造本來就無法完成的工作,所以沒有理由可以認為金屬3D列印會對傳統鑄造形成威脅。

    另外,金屬3D列印的成型空間有限制,目前僅適合較小的部件,並且價格相對要高很多。這不僅僅是金屬粉末的高成本,還因為昂貴的金屬3D印表機(幾百萬人民幣一臺)和相對較慢的製造速度。除此之外,完成3D列印的金屬件還需要人工加入處理。金屬列印原料粉末價格約每公斤1千到4千元左右,而鑄造用鋼每公斤不到10元。所有這些因素導致了金屬3D列印的平均成本高昂。

    隨著更便宜的印表機、更大的構建尺寸的逐步發展,金屬3D列印的價格必然會下降。那麼問題又來了,隨著成本的下降,還會有什麼影響嗎?

    法國Sogeclair利用模芯3D列印和傳統鑄造,成功製造出鋁製仿生學結構艙門。艙門是飛機上的運動功能部件,它的功能、使用壽命、安全性、維修性和可靠性,直接關係到飛機的出勤率。若艙門設計不當,飛機在高空中飛行的時候,可能發生艙門的意外開啟,會造成壓力艙洩壓,並嚴重影響飛機飛行姿態。為了達到高度的可靠性,艙門的設計上需要防止飛行中因機構損壞或任何單個結構元件損壞而開啟的可能性,這就為艙門的設計帶來了高度的複雜性。而為了滿足這一複雜性的設計,也給加工帶來了相當的挑戰。不僅僅數量眾多的連桿、鉸鏈結構帶來了加工的難度,還需要滿足各種力學效能的要求,包括門框部位的抗拉和抗彎效能,抗剪下和抗壓縮的構件,都需要滿足嚴苛的力學要求。

    法國航空供應商Sogeclair希望透過3D列印技術為飛機生產艙門,從而解決傳統加工方式所面臨的加工複雜性的挑戰。此外,Sogeclair希望透過3D列印技術節省材料,降低製造成本,並且大幅減輕艙門重量。這順應了航空航天領域的發展需求,能源的緊張使得飛機需要不斷提高燃料效率和經濟性,以降低其對環境的影響。而飛機的輕量化是實現降低燃料消耗的關鍵方式之一,減重帶來明顯的經濟性成為航空供應商的一致追求。

    不過,對於3D列印技術來說,加工飛機的艙門同樣面臨著挑戰,一是艙門結構的複雜性,如何避免使用支撐材料從而實現近淨形的加工結果;二是艙門結構尺寸大,如何能夠滿足大尺寸的加工而不需要二次拼接或者焊接。

    專案團隊決定摒棄傳統的艙門設計,而是採用了仿生學結構設計理念。透過仿生力學結構來減少材料使用,從而將重量減輕30%,並且不犧牲艙門所需要達到的力學強度。採用了3D列印系統,透過層層列印PMMA粉末顆粒,並使用粘結劑噴射法將粉末顆粒相互粘結在一起,飛機艙門的精密鑄造模芯就製造出來了。最終3D列印的PMMA材質的精密鑄造模具被送到鑄造廠,最後完成了鋁質材料的艙門鑄造。

    這個案例是否能給我們一些啟示,3D列印技術並不是和傳統鑄造競爭,而是可以起到相當大的協助,幫助完成高技術難度的鑄件生產,拓展業務。

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