3D打印的批量生产：未来正在来临

发布时间：2018-01-03 作者：Cabe Atwell 编译：e-works整理来源：e-works

关键字：3D打印增材制造

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利用3D打印进行大批量生产曾让人感觉遥不可及，而不断的技术创新让这一概念距离现实越来越近。

增材制造，又称为3D打印，自二十世纪八十年代出现以来一直是原型制作的完美手段。最初利用增材制造生产单个部件的过程（大部分是利用光固化技术）即费时又花钱，可用材料种类更是少，主要是聚合物和塑料。而历经30多年发展，增材制造技术大幅提升，使得无数创客和小型企业也可以利用这种技术优势进行快速成型。

图：越来越多3D打印机制造商开发出速度和精度更高的打印机，满足行业需求。

随着市场对具有新型设计的铝或铁质金属部件的需求提高，使3D打印在这一领域变得越来越强大。除了光固化成型法，还有很多其他3D打印技术，包括数字光处理（DLP）、熔融沉积成型（DLP）、选择性激光烧结（SLS）、选择性激光融化（SLM）、和电子束融化（EBM）。这些新技术应用的是新型材料，包括尼龙、ABS塑料、PLM、陶瓷、石膏、钛和其他的混合金属材料。

长期以来，使用增材制造技术的一大限制便是打印速度慢。3D打印物体和零件根据打印机和材料不同，需要花费数小时到数天之久。打印机尺寸也限制了打印对象的尺寸。例如，MakerBot Replicator+最大的建造尺寸是29.49 ×19.51 ×16.51cm，因此任何更大尺寸的零件只能分割成多份分别打印，这又比单次打印需要花费更多时间。

其他耗时的因素包括材料替换、打印基座校对、更改软件设置、CAD文件的转换等。这其中还不包括处理打印中出现的各种问题所需的时间。

图：MakerGear公司的 M2是一款即插即用的3D打印机，可以通过USB与设备连接，进行初始设置，上传3D模型实现打印。

缩短打印时间

一些大型3D打印机制造商已经实现通过新产品和新技术缩减打印时间。XYZ Printing和3D Systems已经开发出了容易装载的墨盒系统，省去了手动更换耗材线轴的麻烦，从而节省了部分打印时间。

其他制造商例如TierTime、Tevo、Prusa Research和Ultimaker已经开发出了一体机的方式，通过简化打印流程缩短打印时间。用户只需要提供电源、对软件进行初始设置、上传设计图，其余的事情就可以交给打印机完成，可以实现从设计文件转换到最终打印完成的高度自动化。

这些3D打印厂商寻求的是提高产量的同时削减生产时间的办法，提高每个流程的自动化效率，使之成为对个体和小型企业具有吸引力的快速成型技术解决方案。

批量生产的魅力

传统制造行业依靠的是零件和其他产品的大批量生产。而前面提及的大部分增材制造方案并不具备这一能力。尽管实现了部分时间的缩减，却依然不能快速的进行大批量生产。

而实际上，现阶段一些增材制造厂商已经超越了简单的快速成型，能够实现连续生产。

图：Carbon M2采用连续液态界面打印技术（CLIP）使传统3D打印机的生产速度提高了一百倍。

美国3D技术初创公司Carbon，是一家致力于推动3D打印技术成为大批量生产工具地方企业。去年该公司推出了一款全新的3D打印机M1，利用光固化成型方法，通过紫外线照射光敏树脂让零件从液体中“生长”出来。也许光固化成型也许看起来豪不起眼，因为其他3D打印商也在使用这种方法。但是Carbon使用的是一种新技术连续液态界面生产技术，实现在稳定液体中的打印，而非一层层的堆积打印。相比传统的光固化成型技术，M1打印速度要快一百倍。

今年Carbon又新推出了更大打印尺寸的升级版M2，打印尺寸为190x 118x 326毫米，比已经发布的M1（141x 79x 326毫米）增加了1倍多。该款3D打印机具备内置的表面加工单元，称为Smart Part Washer的智能打印件清洗机，可以移除打印零件上的多余树脂。这让M2可以连接到多个单元进行大批量生产。

Carbon公司的另一产品，“SpeedCell是一个互联的单元操作系统，可以实现成品零件的大规模重复性生产”。这将最终实现3D打印制造的大规模生产，和实现在传统制造流程中交付成品零件的功能。而Carbon的创新不止于此，随着公司宣布新型3D打印机M2支持对打印部件的消毒以应用到食品和医药行业。这一技术不仅将最大化缩小生产时间，也将减少劳动力成本。

SpeedCell分为设计版和生产版。设计版SpeedCell可以满足设计和工程人员的快速成型需求，仅支持一台M系列打印机的连接。生产版SpeedCell则针对应用多台打印机进行工业生产的制造商。两种机型都配备了Smart Part Washer提供打印件清洁功能。Carbon公司还为生产型的SpeedCell提供RPU70（硬质聚氨酯）树脂封装，并设计了MMD（计量、混合和分配）模型对连续生产供应恒定量的树脂，让用户不必为经常打开容器而中断生产。

目前，Carbon已经与福特和阿迪达斯两家公司签约，计划将3D打印技术应用到两家企业的工厂生产。阿迪达斯计划应用Carbon的3D打印技术批量生产Futurecraft 4D款跑鞋。福特计划将3D打印用到汽车零部件生产。Carbon未来还计划将增材制造的批量生产扩大到欧洲和全球市场。

金属增材制造的批量生产

利用增材制造进行大批量生产的另一例子是Desktop Metal的3D打印单元Studio和3D打印生产线Production。与Carbon M2完全使用聚合树脂不同的是，DM打印机使用的是金属材料。相比传统的金属3D打印，Studio和Production生产成品打印件的速度提高了一百多倍。

图：Desktop Metal工业级金属3D打印系统Production

类似于传统的塑料3D打印机，Studio是一层层的打印金属，而其他传统金属打印机基本是使用的减法。在原材料金属粉末化后，通过聚合物粘合，以挤出的形式堆积打印，类似于熔融沉积成型（FDM）打印机。在打印完成后，进行脱脂去除大部分多余材料。

在完成脱脂后，零件被送入微波熔炉进行烧结，让其具有更高强度（大约99.8%），并燃烧掉所有剩余的粘结剂，整个打印过程最快只需要1小时就能完成。该款3D打印机使用材料包括铝、铜、不锈钢以及其他200多种合金，对于需要快速成型的工程师和小型企业来说非常合适。

而另一款Production则用于大规模快速生产多种零件。相比而言，它甚至比传统铸造、机加工或锻造的方式更快，而且每小时能制造体积超过500立方英寸（约14立方米）的复杂部件，不需要任何刀具加工。它采用的是金属注射成型（MIM）方法，在打印过程中将金属粉末混合并注射形成想要的形状。然后清除多余材料再进入微波熔炉。如果需要提高生产速度，需要四台机器连在一起以获得最大产量。

这两款金属打印机目前还不足以替代传统制造，但仍不失为一个很好的起点。而出于满足大量定制产品的需求，未来制造企业也有希望将其纳入传统制造产线。

图：SPEE3D使用超音速层积方法能在10分钟内完成金属部件的打印。

SPEE3D打印机也能够进行大批量的金属增材制造，但利用的是非常规的超音速层积方法，使用纯动能融化金属粉末。这种技术类似于美军的冷喷涂技术，将金属粒子以超音速速度从高压喷嘴射出，撞击并粘合在金属基板上。

SPEE3D公司将这种技术称为“超音速3D层积”，它采用火箭喷嘴将气体加速到音速的三倍，使注射聚合物层积到基板上，基板通过六轴机器人控制，具有多个维度的自由度，因此不需要支撑结构。

整个建造过程不需加热，但它的限制是只能加工铜和铝质材料，且不支持复杂形状例如晶格状部件的生产。SPEE3D可以加工重量更重的部件，支持重量从0.5到10公斤。公司主要针对依靠铸造件的汽车和航天行业市场。这一市场需要快速的生产周转，因此零件的快速交付十分重要。

总结

这些案例表明表着部分先进的3D打印机制造商已开始具备批量生产的潜力。批量生产，速度是关键。仅仅在几年前，利用3D打印机进行批量生产还前所未闻，而技术的不断发展为速度和创新提供了新的结合方式，获得了新的可能性。制造行业大规模应用3D打印技术虽然现在还未真正到来，但这些新技术带来的巨大潜力必将使它们在不远的未来加入制造业生产线。3D打印用于批量生产的未来正在来临。

http://www.machinedesign.com/3d-printing/need-speed-3d-printer-manufacturers-eye-mass-production

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