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金属3D打印未来工业应用大盘点

  随着国内3D打印的兴起与在各方面应用的推广,金属3D打印作为未来工业应用的重点备受关注,业内结合市场上众多金属3D打印案例,对快速原型及模具、备品备件、零件整合、多功能精密部件四个台阶进行的分析介绍。

  一、快速原型及模具Prototype and Tooling

  案例:航空航天原型 Prototype Aero

  钛合金因为其高性能及轻量的特点,常用于航空航天领域,同时由于航空航天组件一般不会有批量加工的需求,单件产品可以承受3D打印的价格,所以在航空航天领域金属3D打印能够有较大发展得领域。例如,图中的航空零件以其复杂结构,高性能轻量的要求,通过钛合金3D打印完成该零件的打印,体现了3D打印技术在航空航天领域的优势。

  案例:新产品原型 Prototype New Product

  新的产品进入到市场的时候往往需要进行多次原型测试,并且响应效率越高越能提高产品的有效性。如果通过传统开模的方式生产产品的原型成本是十分昂贵的,并且开发周期很长,而3D打印能够实现快速快速原型并保证产品质量,为这样的原型生产开辟了一条捷径。

  案例:随冷模具 Tooling

  模具注塑时却冷阶段温度直接影响着注塑制品的质量和生产效率,添加随形冷却流道是复杂模具设计的优选,如果冷却水路距模具表面较近,则模具中积累的热量就会大大减少,且热量被限制在冷却水道与模具表面之间的区域,保证注塑件温度的恒定,提高模具的寿命。

  图中是贴合壁面的模具随形水路设计,具有传统水路无法比拟的冷却效果,分布均衡的随形水路设计,提供出众的冷却一致性。

  案例:模具 Tooling

  对于复杂杆定位器的零件,零件的复杂性就意味金属3D打印具备较大的优势,虽然零件可以通过传统方式加工出来,但需要的焊接和组装也会是非常复杂的。同时金属3D打印生产这类零件速度更快,并在一次性模具的制造方面具成本效益。

  案例:夹具 Fixturing

  对于大部分铸件来说均具备一定的特殊性,在一个快速的生产环境中,需要检查铸件的铸造工艺,而这种特殊性在3D打印这里得到解决。通过3D打印技术制造铸件的固定夹具,其定位和夹紧部分完全实现定制化。

  二、备品备件Replacement Parts

  案例:连接件 Engine Fittings

  对于不是关键的零部件,当出现故障需要更换的时候,当这些零部件又不是大众品,没有众多的库存可以选择,可以考虑通过3D打印的方式来替换,速度快且单件成本低。

  业界目前还没有形成一个全新的通过增材制造来完善备品备件体系的供应链,然而波音公司已经申请专利。通过其零件模型的数据库来管理这些零件的“虚拟库存”,当这些零件出现问题需要替换时,数据库会将该零件的模型发送到3D打印机将其制作出来。

 

  案例:结构件Structures

  航空航天行业都知道,在结构件的加工时,传统工艺需要达到高达70%~90%的大余量材料切除,这对于昂贵的材料来说造成了巨大的浪费。GKN航空公司的一项计算直观的体现了结构件节约的金属材料。0.77kg的结构件通过传统方式加工出来以4.85kg的立方体为例,需要去除4.08kg的铁屑。通过增材制造的方式加工出来则需要1.08kg的粉末,当然加工出来后还需要通过传统方式进行表面的精加工,这样在此基础上去除0.31kg的金属。相比于4.08kg的浪费,0.31kg的浪费仅占原来不到10%的浪费。

  案例:医疗Medical

  传统的机床要加工医学上用的小件产品就需要直径非常小的刀具,这些小的刀具由于刚性不强每次的切除量非常轻,加工时间通常很长,并且刀具的寿命通常短且带来不确定的表面精度。增材制造可以制造十分精致的产品,在医疗和牙科领域具有明显的优势。

  案例:植入物 Implant Case Study

  Mirco-CT: 通过GE的Locus Ultra微CT扫描可以得到154um的分辨率,这些图片可以用来生成骨头和植入物的3D网格模型。3D打印技术通过精确控制横断面轮廓,有效实现外在轮廓及内部结构的同步重建,因此能充分满足植入物与患者局部解剖结构的高度匹配。配合上前、后处理可进一步缩短等待时间。3个体化植入物的制造也可以避免长时间的等待,制造成本也随之下降。

  三、零件整合 Part Consolidation

  案例:散热器 Heat Exchanger

  传统的散热器需要很多部件组成,通过增材制造的方式可以将这些部件整合在一起一次完成,不但减少了供应商数量,减少了物流流程及工人组装的要求,而且因为不需要焊接和组装从而提升了部件的稳定性及效率。

  案例:自行车 Bicycle

  自行车的机构件可以很好的展示增材制造在零件整合方面的优势,该案例将原来的2.1kg的零件组合通过增材制造的方式将重量减轻至1.4kg。并且除了重量的减轻,整体性能也得到了提升。

  四、多功能精密部件 Multiple Performance Benefits

  案例:GE喷油嘴 GE Fuel Nozzle

  GE通过长达10多年的探索将其喷油嘴的设计通过不断的优化、测试、再优化,将喷油嘴的零件数量从20多个减少一个,通过增材制造的方法不仅改善了喷油嘴容易过热和积碳的问题,还将喷油嘴的使用寿命提高了5倍,并且将提高LEAP发动机的性能。这将增材制造的作用提到了一个新的里程碑,不再局限于是价格优势还是快的讨论层面,而是整体性能和经济效益的极大提升。

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