Directed Manufacturing公司將金屬增材制造變成一項(xiàng)如當(dāng)今的塑料增材制造一樣可用于零部件制造的成熟技術(shù)。該公司預(yù)計(jì),這項(xiàng)工作會(huì)一直進(jìn)行，所以預(yù)期將購(gòu)買(mǎi)更多的金屬增材制造設(shè)備。

　　Directed Manufacturing公司的5臺(tái)塑料增材制造機(jī)99%的時(shí)間都投入到量產(chǎn)部件的制造過(guò)程當(dāng)中，其中包括燃油箱、外殼、翼梢小翅、無(wú)人飛機(jī)部件以及各種專(zhuān)業(yè)化的外科手術(shù)器械和外科手術(shù)對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)向件。這些選擇性激光燒結(jié)產(chǎn)品均屬于復(fù)雜、高價(jià)值且生產(chǎn)批量小的產(chǎn)品，采用增材制造方式極為合適。過(guò)去，增材制造工藝總是與原型制造聯(lián)系在一起，如今，Directed的用戶(hù)已經(jīng)不會(huì)再這樣看待增材制造能力。

　　增材制造加工的對(duì)象通常是塑料。這家位于德克薩斯州Austin市的增材制造承包商還能采用3D打印工藝來(lái)制造金屬部件。從歷史上看，工業(yè)界接受增材制造可用于塑料部件生產(chǎn)的做法經(jīng)歷了長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年時(shí)間。該公司說(shuō)，加工所用的材料和工藝都必須經(jīng)過(guò)證實(shí)，而設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)方案必須適應(yīng)于增材制造所能提供的幾何形狀上的自由度。金屬增材制造被接受的過(guò)程比塑料增材制造加快了不少，但目前還沒(méi)有成功，預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)的引爆點(diǎn)可能在今年來(lái)到。至今為止，這家公司絕大多數(shù)的金屬增材制造能力已全部投入到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)當(dāng)中，但其中一些已開(kāi)發(fā)完畢的產(chǎn)品如今已經(jīng)投入到金屬增材制造設(shè)備的制造過(guò)程中。公司預(yù)計(jì)將購(gòu)買(mǎi)更多的金屬增材制造設(shè)備，以滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的需求。

圖1 Directed Manufacturing公司的Erling LaSalle正在為

一臺(tái)金屬增材制造機(jī)的下一個(gè)構(gòu)建作業(yè)周期做準(zhǔn)備

　　金屬增材制造設(shè)備由Renishaw公司(以CNC機(jī)加工相關(guān)的技術(shù)聞名)出品。去年，Directed公司成為了這家公司的選擇性激光熔融機(jī)的第一個(gè)美國(guó)商業(yè)用戶(hù)。Renishaw的增材制造設(shè)備采用了開(kāi)放式架構(gòu)，允許諸如Directed公司這樣的用戶(hù)針對(duì)用戶(hù)指定的新材料開(kāi)發(fā)和定制設(shè)備參數(shù)。Directed的經(jīng)理們說(shuō)，這項(xiàng)特色以及Renishaw公司對(duì)新材料的開(kāi)發(fā)進(jìn)行協(xié)助的承諾是公司決定選擇這款設(shè)備的主要因素。該設(shè)備的另一項(xiàng)寶貴價(jià)值是其具有12in(1in=25.4mm)的構(gòu)建高度,而Directed公司的其他3臺(tái)增材金屬制造機(jī)均只有最高10in的構(gòu)建高度，2in的差異可能看起來(lái)很小，但其影響制造機(jī)內(nèi)的工作流程，而制造機(jī)內(nèi)的工作流程已被證實(shí)為決定部件能否采用增材制造加工的關(guān)鍵因素。

　　節(jié)約成本

　　Alex Fima和James Hockey分別是Directed公司的技術(shù)業(yè)務(wù)發(fā)展人員以及銷(xiāo)售人員，Alex Ramirez負(fù)責(zé)管理生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。他們表示，金屬增材制造不僅正在以與塑料增材制造一樣，從原型制造轉(zhuǎn)向量產(chǎn)，而且金屬增材制造技術(shù)的轉(zhuǎn)變速度更快一些。參考塑料增材制造發(fā)展里程只是原因之一，另一個(gè)原因是金屬部件的買(mǎi)方更有可能獲得成本降低但技術(shù)上較為成熟的產(chǎn)品，利用增材制造能夠達(dá)到該節(jié)約效果。

　圖2 Directed Manufacturing公司已經(jīng)成功地開(kāi)展了塑料

　　部件的增材制造業(yè)務(wù)，圖中用于膝蓋外科手術(shù)的對(duì)準(zhǔn)工具

　　就是為了對(duì)患者進(jìn)行CAT掃描測(cè)量而定制的，該公司期望

　　為類(lèi)似于其已提供的塑料部件的金屬部件的制造提供服務(wù)

　　Hockey說(shuō)，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)就是一個(gè)例子。處在發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝領(lǐng)域的成本改進(jìn)潛力在很大程度上已經(jīng)被發(fā)掘一空了，廠(chǎng)商已獲取成熟的技術(shù)成果。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商正在尋找非傳統(tǒng)的方法，希望達(dá)到顯著節(jié)約成本的效果。增材制造能以多種方式提供這樣的節(jié)約效果。

　　其中一個(gè)方式就是通過(guò)減少材料用量和部件重量來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)約。Directed公司目前進(jìn)行的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作當(dāng)中，大部分涉及到細(xì)化和重新設(shè)計(jì)部件，以嘗試用最高的材料利用效率來(lái)制造這些產(chǎn)品。通過(guò)增材制造工藝生產(chǎn)的部件可以非常精細(xì)和復(fù)雜，而且這些部件也不全是實(shí)心的。生產(chǎn)復(fù)雜部件以及空心部件能將部件無(wú)需的材料全部省去。增材制造的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)部件的適用性和效能做出優(yōu)化，而不必?fù)?dān)心對(duì)優(yōu)化后部件的形狀再如何鑄或機(jī)加工。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)制造商可以改變部件以?xún)?yōu)化燃油或空氣的流動(dòng)，但不會(huì)對(duì)部件做出任何幾何形狀上的妥協(xié)。Hockey說(shuō)，增材制造不要求更換刀具或夾具，因此它對(duì)于小批量生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是經(jīng)濟(jì)合理的。許多高價(jià)值的量產(chǎn)部件所需數(shù)量?jī)H為每年1000件左右。

　　增材制造所節(jié)約的成本主要來(lái)自于減少或消除裝配工作量。一個(gè)由10余個(gè)零部件緊固連接或焊接形成的復(fù)雜組件可以重新設(shè)計(jì)成采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的一體化金屬部件。盡管這種方式并非廉價(jià)，但裝配關(guān)鍵部件所需的勞動(dòng)力價(jià)格和由于裝配出錯(cuò)而付出的代價(jià)也不低廉。當(dāng)與裝配相關(guān)的成本能夠避免時(shí)，增材制造能夠通過(guò)減少零部件總數(shù)而實(shí)現(xiàn)大幅度的成本節(jié)約。

　　圖3 Renishaw公司生產(chǎn)設(shè)備的撓性葉片能夠制

　　造精巧復(fù)雜的部件外形，包括壁厚很薄的部件。

　　圖中的螺釘是在該公司設(shè)備上垂直構(gòu)建而成

　　機(jī)床優(yōu)勢(shì)

　　Renishaw公司的加工設(shè)備的特殊設(shè)計(jì)拓展了增材制造的效益，設(shè)備的構(gòu)建尺寸就是其中一個(gè)方面。

　　Directed公司的Ramirez說(shuō)，Z軸方向超大的距離對(duì)于不使用此設(shè)備就無(wú)法進(jìn)行增材制造的部件具有很重要的意義。

　　這臺(tái)設(shè)備的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)與構(gòu)建過(guò)程中每一層作業(yè)經(jīng)過(guò)材料上方的刀片作用力有關(guān)。Renishaw的機(jī)器使用的是撓性葉片，它具有較高的靈活性。與這家企業(yè)目前所用設(shè)備的較硬葉片相比，這似乎是一項(xiàng)微小的變動(dòng)，但Ramirez說(shuō)，這項(xiàng)改變擴(kuò)展了增材制造部件的設(shè)計(jì)范圍。撓性葉片較低的作用力讓Directed公司得以制造出壁更薄且外形更為精細(xì)的部件，而其他葉片做不到這點(diǎn)。

　　圖4 James Hockey展示了撓性軟葉片的可更換部分，

　　該葉片讓這臺(tái)設(shè)備能夠構(gòu)建出精巧細(xì)致的構(gòu)件

　　增材制造部件的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生臨時(shí)性支架，這些支架將在部件完工時(shí)除去。Renishaw設(shè)備能夠制造出更纖細(xì)的支架，纖細(xì)至足以徒手折斷拆除。在Directed公司的其他金屬增材制造機(jī)上，部件的支架必須通過(guò)后續(xù)機(jī)加工步驟來(lái)除去。但同時(shí)Ramirez希望能夠看到新型設(shè)備在控制界面的改進(jìn)。與競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品機(jī)型不同的是，這臺(tái)設(shè)備的界面不能在加工循環(huán)開(kāi)始前在控制屏幕上以圖形化方式驗(yàn)證構(gòu)建循環(huán)。操作者只能偶爾在構(gòu)建循環(huán)開(kāi)始時(shí)通過(guò)在設(shè)備窗口觀(guān)察來(lái)發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單的編程錯(cuò)誤，從而停止構(gòu)建循環(huán)，糾正錯(cuò)誤然后重新開(kāi)始，這樣很浪費(fèi)時(shí)間。

　　尺寸和速度

　　Renishaw公司正在努力地細(xì)化設(shè)備，其中一部分也是采納了Directed公司的反饋意見(jiàn)。金屬的增材量產(chǎn)制造概念目前還非常新穎，能夠進(jìn)行此類(lèi)制造過(guò)程的設(shè)備仍然在快速改進(jìn)。對(duì)于絕大多數(shù)用于此類(lèi)工作的設(shè)備，都存在著特定的限制，限制這些設(shè)備的主要因素不僅是構(gòu)建尺寸，還有在此尺寸范圍內(nèi)緩慢的構(gòu)建速度。制造金屬部件時(shí)的最佳尺寸是壘球大小的部件，一個(gè)該尺寸的金屬部件的增材制造過(guò)程用時(shí)為18～20h。

　　增材制造技術(shù)經(jīng)常與速度有關(guān)，3D打印技術(shù)仍然掛著“快速原型制造”的標(biāo)簽，而這個(gè)術(shù)語(yǔ)值得從兩方面來(lái)推敲——快速、原型。Directed和其他公司正在證明，這項(xiàng)技術(shù)不只局限于原型制造,但同時(shí)對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)也不一定是快速的。在塑料部件的增材制造過(guò)程當(dāng)中，這些條件互相限制作用較小。Directed的塑料增材制造機(jī)體積較大，速度較快。該公司期望金屬增材制造機(jī)也能夠在這兩個(gè)方面都做到改善。