Πώς θα αλλάξει το Metal 3D Printing το παραδοσιακό βιομηχανικό σύστημα παραγωγής;

1. Μετατόπιση της λογικής κατασκευής: Μια μετατόπιση παραδείγματος από την "αφαίρεση" σε "προσθήκη"
Ο παραδοσιακός τρόπος δημιουργίας των πραγμάτων βασίζεται στην ιδέα της "απομάκρυνσης υλικών". Για παράδειγμα, η κατεργασία CNC σχηματίζει σταδιακά ολόκληρο το μεταλλικό κτύπημα με άλεση και γεώτρηση. Ο ρυθμός χρησιμοποίησης του υλικού είναι συνήθως μικρότερος από 60%. Το Metal 3D εκτύπωσης χρησιμοποιεί μια τεχνολογία κατασκευής προσθέτων που ονομάζεται "Layer by Layer Stacking". Αυτή η μέθοδος λιώνει τη μεταλλική σκόνη με μια δέσμη λέιζερ ή ηλεκτρονίων και μετατρέπει το μοντέλο 3D κατευθείαν σε συμπαγή αντικείμενα. Το ποσοστό των χρησιμοποιούμενων υλικών μπορεί να ανέλθει πάνω από το 90%.
Η κατασκευή κινητήρων αεροπλάνων είναι ένα καλό παράδειγμα αυτής της αλλαγής στη σκέψη. Το ακροφύσιο καυσίμου του κινητήρα Leap από την GE Aviation αποτελείται από 20 στοιχεία που εκτυπώνονται 3D μαζί για να γίνουν ένα σύνολο. Αυτό μειώνει το βάρος κατά 25% και ενισχύει την οικονομία καυσίμου κατά 15%. Ο κύκλος ανάπτυξης μούχλας, ο οποίος χρησιμοποιείται για έξι μήνες, έχει μειωθεί σε τρεις εβδομάδες, πράγμα που σημαίνει ότι ο ρυθμός επανάληψης του προϊόντος αυξήθηκε κατά οκτώ φορές. Αυτό το χαρακτηριστικό "σχεδιασμός ως παραγωγή" αψηφεί εξ ολοκλήρου τον παλιό κανόνα που "η κατασκευή καθορίζει το σχεδιασμό". Επίσης, καθιστά δυνατή τη δημιουργία ελαφρών σχεδίων όπως η βελτιστοποίηση τοπολογίας και η δομή του πλέγματος.
2. Αναδιάρθρωση της αλυσίδας εφοδιασμού: Μια ευέλικτη αλλαγή από την "παραγωγή κλίμακας" σε "οδηγείται από τη ζήτηση".
Η εκτύπωση Metal 3D αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο κατασκευάζονται βιομηχανικές αλυσίδες εφοδιασμού. Το μοντέλο "αποθέματος παραγωγής πρόβλεψης" που χρησιμοποιείται στην παραδοσιακή παραγωγή είναι γραμμική . 3 d εκτύπωση, από την άλλη πλευρά, έχει "σε - dead manufacturing" δυνατότητες "δεδομένου ότι μπορεί να παράγει πράγματα σε διάφορα μέρη ταυτόχρονα. Ο όμιλος BMW έχει κατασκευάσει την πρώτη 3D τυπωμένη ψηφιακή αποθήκη για ανταλλακτικά αυτοκινήτων. Αυτό επιτρέπει σε 20 βάσεις παραγωγής σε όλο τον κόσμο να κάνουν μέρη σε πραγματικό χρόνο, μοιράζοντας αρχεία σχεδιασμού μέσω του σύννεφου, το οποίο μειώνει τα έξοδα απογραφής κατά 95%.
Στην ιατρική περιοχή, αυτό το είδος μετατόπισης είναι πιο ενοχλητικό. Για τους ασθενείς με όγκους οστού, τα εξατομικευμένα εμφυτεύματα κράματος τιτανίου χρειάζονται έναν τυπικό κύκλο προσαρμογής 3 μηνών. Αντίθετα, η τεχνολογία 3D εκτύπωσης χρησιμοποιεί δεδομένα σάρωσης CT για να δημιουργήσει ένα μοντέλο 3D και τελειώνει ολόκληρη τη διαδικασία, από το σχεδιασμό έως τη χειρουργική εμφύτευση, σε 72 ώρες. Το Πεκίνο Jishuitan Hospital αναφέρει ότι τα τρισδιάστατα έντυπα εμφυτεύματα δεσμεύονται με τα οστά 40% ταχύτερα από τα πρότυπα εμφυτεύματα και ο χρόνος που χρειάζεται για την ανάκτηση μετά τη χειρουργική επέμβαση κόβεται κατά 60%.
3. Ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός στην επιστήμη των υλικών: Η απόδοση μετακινείται από "γενικά υλικά" σε "λειτουργικές κλίσεις".
Το Metal 3D εκτύπωσης όχι μόνο μεταβάλλει τον τρόπο με τον οποίο κατασκευάζονται τα πράγματα, αλλά αλλάζει ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί η έρευνα των υλικών. Ο σχεδιασμός του καλουπιού περιορίζει τις παραδοσιακές τεχνικές χύτευσης, γεγονός που καθιστά δύσκολο να επιτευχθεί κατανομή κλίσης των υλικών ιδιοτήτων. Με τη προσεκτική διαχείριση της σύνθεσης σκόνης και της εισόδου ενέργειας, η εκτύπωση 3D μπορεί να κάνει λειτουργικά διαβαθμισμένα υλικά (FGM). Για παράδειγμα, στις λεπίδες στροβίλων των κινητήρων αεροσκαφών, αλλάζοντας το ποσοστό του κοβαλτίου και του αλουμινίου στο νικέλιο - που βασίζεται σε σκόνη κράματος καθιστά τη ρίζα της λεπίδας ικανή να χειρίζεται τις θερμοκρασίες τόσο υψηλές όσο 1200 βαθμούς, ενώ η άκρη της λεπίδας παραμένει αρκετά ισχυρή. Οι παραδοσιακές τεχνικές δεν μπορούν να κάνουν αυτό το υλικό να λειτουργεί όπως κάνει.
Αυτή η ικανότητα καινοτομίας υλικών είναι ακόμα πιο πρωτοποριακή στον τομέα της βιοϊατρικής επιστήμης. Η ομάδα του Πανεπιστημίου της Σαγκάης Jiao Tong δημιούργησε ένα τρισδιάστατο πορώδες ικρίωμα οστών από κράμα τιτανίου που ταιριάζει απόλυτα με το ελαστικό μέτρο του ανθρώπινου φλοιώδους οστού αλλάζοντας το πορώδες (60%-80%) και το μέγεθος των πόρων (200-500 μm). Οι κλινικές ενδείξεις δείχνουν ότι η αποτελεσματικότητα της αγωγιμότητας των οστών αυτού του στεντ είναι τριπλάσια από αυτή των συμβατικών εμφυτευμάτων και η εμφάνιση μετεγχειρητικών προβλημάτων έχει μειωθεί κάτω από το 5%.
4. Η εξέλιξη της βιομηχανικής οικολογίας: Ανακατασκευή της αξίας από τον "ανταγωνισμό εξοπλισμού" έως την "οικολογία δεδομένων"
Η εκβιομηχάνιση του Metal 3D εκτύπωσης δημιουργεί ένα νέο εμπορικό οικοσύστημα. Οι κατασκευαστές εξοπλισμού δεν πωλούν πλέον μόνο υλικό. Επίσης, γίνονται γεμάτα - προμηθευτές λύσης αλυσίδας "Εξοπλισμός+Υλικά+Υπηρεσίες". Η πλατφόρμα "Metal 3D Printing Cloud" της Platinum Technology περιλαμβάνει μονάδες για τον εξοπλισμό παρακολούθησης, τη διατήρηση μιας βάσης δεδομένων των διαδικασιών και τη διαχείριση παραγγελιών. Οι πελάτες μπορούν να χρησιμοποιήσουν την εφαρμογή για να δουν πώς η εκτύπωση τους πηγαίνει σε πραγματικό χρόνο και η πλατφόρμα βελτιώνει την αποτελεσματικότητα της βελτιστοποίησης των παραμέτρων της διαδικασίας κατά 70%.
Αυτά τα δεδομένα - που οδηγείται από την αλλαγή στο περιβάλλον είναι πιο ξεκάθαρη στο καλούπι - κάνοντας τη βιομηχανία. Μια εκκίνηση στο Shenzhen δημιούργησε ένα έξυπνο σύστημα μούχλας που χρησιμοποιεί ψηφιακή τεχνολογία δίδυμων και τρισδιάστατα τυπωμένα καλούπια με αισθητήρες θερμοκρασίας και πίεσης για να κόψει τον κύκλο χύτευσης με έγχυση από 120 δευτερόλεπτα σε 85 δευτερόλεπτα. Ο ρυθμός των ειδικευμένων προϊόντων αυξήθηκε από 92% σε 98,5%. Αυτό το "έξυπνο" μοντέλο εκτύπωσης αλλάζει τους κανόνες για το πόσο βιομηχανικό εξοπλισμό αξίζει.
5. Πρόκληση και μέλλον: Μετακίνηση από "Τεχνολογική Επανάσταση" σε "Βιομηχανική Συνεργασία"
Το Metal 3D εκτύπωσης έχει πολλές δυνατότητες, αλλά εξακολουθούν να υπάρχουν τρία μεγάλα προβλήματα που πρέπει να λυθούν πριν να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μεγάλη κλίμακα: πρώτον, πόσο καλά λειτουργεί ο εκτυπωτής. Η τρέχουσα ταχύτητα κατασκευής της τεχνολογίας Laser Selective Melting (SLM) είναι περίπου 0,1-1kg/h, η οποία δεν είναι αρκετά γρήγορη για επιχειρήσεις όπως τα αυτοκίνητα που πρέπει να κάνουν πολλά πράγματα γρήγορα. Το δεύτερο πρόβλημα είναι η δαπάνη των υλικών. Η τιμή της σκόνης κράματος τιτανίου είναι 8000 γιουάν ανά χιλιόγραμμο, η οποία είναι δέκα φορές η τιμή των κανονικών μπιλλετών. Τρίτον, δεν υπάρχουν αρκετά πρότυπα. Μόνο το 15% των 3D τυπωμένων αντικειμένων σε όλο τον κόσμο έχουν πλήρη κριτήρια δοκιμών.
Αυτά τα προβλήματα πιέζουν την τεχνολογία για να κάνουν νέες προόδους. Η διαδικασία τήξης της δέσμης ηλεκτρονίων (EBSM) επιταχύνει την κατασκευή σε 5 kg/h αυξάνοντας την ενεργειακή πυκνότητα. Το Xi'an Jiaotong University ανέπτυξε την τεχνολογία "Cold Spray 3D Printing", η οποία χρησιμοποιεί στερεά - εναπόθεση σωματιδίων κατάστασης για να κάνει γρήγορα πρωτότυπα των τμημάτων κράματος αλουμινίου. Αυτό μειώνει το κόστος κατά 40% σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους. Η ομάδα εργασίας ISO/ASTM έχει δημοσιεύσει 23 παγκόσμια πρότυπα για 3D εκτύπωση που καλύπτουν ολόκληρη τη διαδικασία, από υλικά έως διαδικασίες έως δοκιμές.