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金屬3D打印擁有的巨大潛力足以顛覆傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造方式；它有助于推動(dòng)有價(jià)值的產(chǎn)品創(chuàng)新，為開(kāi)創(chuàng)全新業(yè)務(wù)模式創(chuàng)造機(jī)會(huì)。本文將探討增材制造將給市場(chǎng)帶來(lái)哪些實(shí)質(zhì)性的變化，以及企業(yè)應(yīng)采取何種措施來(lái)引領(lǐng)這場(chǎng)制造技術(shù)的革命。

上一篇介紹了增材制造應(yīng)用的階梯模型的前兩級(jí)臺(tái)階，在本文中，將繼續(xù)介紹更上方的兩級(jí)臺(tái)階。

臺(tái)階2-零件集成

這是開(kāi)始改變產(chǎn)品設(shè)計(jì)的第一步，以便充分利用增材制造能夠加工復(fù)雜形狀的特性。在這種情況下，希望通過(guò)將多個(gè)零件集成到單一且完整的加工件中，精簡(jiǎn)產(chǎn)品中的零件數(shù)量。這一級(jí)臺(tái)階，有三個(gè)增材制造功能可發(fā)揮作用：

a.多特征部件

增材制造允許為部件設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)特征，然后只需一次操作便可完成加工，無(wú)需額外的流程步驟。可消除工藝的復(fù)雜性，轉(zhuǎn)而將其注入到零件中。

將多個(gè)加工步驟合并為單一的增材制造操作，自動(dòng)加工出的單一加工件便可替代復(fù)雜的裝配流程，降低模具成本、縮短總加工時(shí)間以及縮短交貨時(shí)間等。

b.消除結(jié)合點(diǎn)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，對(duì)傳統(tǒng)制造過(guò)程無(wú)法一次完成的復(fù)雜形狀，需加入接合點(diǎn)。接合點(diǎn)是指配對(duì)特征、緊固件、插頭、墊片和密封圈等。它們會(huì)增加產(chǎn)品的零件數(shù)量、重量、加工和裝配時(shí)間，也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，各部件之間匹配不佳，埋下故障和性能隱患。因此最好避免接合點(diǎn)！

增材制造可在一次操作中加工出復(fù)雜形狀 — 例如下圖所示的扭曲狀波導(dǎo)管，有助于節(jié)省裝配成本，提高長(zhǎng)期使用效益。

c.連環(huán)結(jié)構(gòu)

可在一次增材制造過(guò)程中生產(chǎn)具有連環(huán)結(jié)構(gòu)的部件，無(wú)需進(jìn)一步裝配操作。如此可制造出外觀整潔、極具吸引力的多功能零件。

臺(tái)階3—DfAM優(yōu)化

到達(dá)階梯頂部可利用最為高級(jí)的增材制造功能。運(yùn)用增材制造專用設(shè)計(jì) (DfAM) 原理，充分利用其帶來(lái)的設(shè)計(jì)自由，獲得創(chuàng)新、定制的解決方案。

a. 空心/多孔結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的許多零件為實(shí)心結(jié)構(gòu)，盡管空心結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并不遜色，但傳統(tǒng)加工方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，成本昂貴。增材制造通過(guò)單一加工過(guò)程輕松加工出空心結(jié)構(gòu)，材料使用少、加工時(shí)間短。例如網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在保持強(qiáng)度的同時(shí)，重量減輕50%。

b. 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化也可減輕零件重量，原理是定義相鄰結(jié)構(gòu)的接觸面及其所承受的載荷。考慮這些載荷對(duì)材料產(chǎn)生的應(yīng)力，并去除應(yīng)力最小區(qū)域中的材料，只保留能以最有效方式傳輸指定載荷的區(qū)域中的材料。

以下為空間探測(cè)設(shè)備使用的一支架，其重量是極為關(guān)鍵的因素。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化，支架變?yōu)榭招慕Y(jié)構(gòu) —“命運(yùn)之手指”—重量減少了三分之一，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)間也大大縮短。

c. 增強(qiáng)美觀性

增材制造技術(shù)讓我們能隨心所欲地設(shè)計(jì)各種不尋常的天然形狀，生產(chǎn)出創(chuàng)新且富有吸引力的產(chǎn)品，例如珠寶。

d. 增加表面積

承載接觸面需較大的表面積，以確保良好的附著性。骨科植入體尤其如此，醫(yī)生希望提高金屬植入體和鄰近骨骼間的相容性，確保二者穩(wěn)固接合，盡量防止出現(xiàn)“應(yīng)力遮擋效應(yīng)”，避免后續(xù)手術(shù)修復(fù)治療。大面積接觸表面，還有利于提高金屬與復(fù)合材料之間的接合強(qiáng)度。

e. 提高傳熱性

設(shè)計(jì)新型熱交換器是增材制造技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用。為最大限度提高一種液體與另一種之間的換熱效率，熱交換器內(nèi)部應(yīng)具有大量復(fù)雜的微型薄壁管道和二次表面。增材制造能經(jīng)濟(jì)高效地加工出內(nèi)外部細(xì)節(jié)特征，產(chǎn)品性能更高，重量更輕。對(duì)賽車、公路車輛及綠色能源產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

f. 高強(qiáng)度合金

某些合金材料具有理想的熱屬性和機(jī)械屬性，但加工難度大，實(shí)際應(yīng)用受到限制。增材制造本質(zhì)是熔接過(guò)程，只要能將合金“霧化”為粉末，就可使用激光技術(shù)加工材料。

g. 微型結(jié)構(gòu)材料

增材制造可加工出精細(xì)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，為生產(chǎn)具有特定屬性的金屬“泡沫”創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。此類微型結(jié)構(gòu)材料經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)可具有各向異性的屬性 — 例如不同平面具有不同的剛性和導(dǎo)熱性。標(biāo)準(zhǔn)和定制的微型結(jié)構(gòu)材料為生產(chǎn)輕質(zhì)、高性能產(chǎn)品開(kāi)啟新的機(jī)遇。

h. 按照物料清單進(jìn)行生產(chǎn)

增材制造無(wú)需刀具，模具，可將不同產(chǎn)品組件的制造過(guò)程集成到單一的加工工序中，一次性制造所有主要組件，對(duì)其進(jìn)行后處理并完成組裝。有助于簡(jiǎn)化生產(chǎn)調(diào)度、減少庫(kù)存。還可有選擇地將其與本地化生產(chǎn)，大規(guī)模定制相結(jié)合

我們?yōu)槿虻谝惠v3D打印山地自行車制造的車架就是個(gè)應(yīng)用典范。

i. 大規(guī)模定制

只要有想要制造零件的CAD模型，無(wú)論是制造與之前完全相同的零件，或有稍許差異，使用增材制造在成本和加工時(shí)間方面幾乎沒(méi)有差別，能以經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方式生產(chǎn)定制零件。雷尼紹的種植牙業(yè)務(wù)每天要根據(jù)不同口腔技工所的設(shè)計(jì)文件，制造形狀各異的修復(fù)體。這些修復(fù)體可在一次加工過(guò)程中完成，降低成本。

定制化零件能更好適應(yīng)其應(yīng)用環(huán)境，安裝更簡(jiǎn)便、使用效果更好，從而能提供更高價(jià)值的服務(wù)。當(dāng)定制化生產(chǎn)與增材制造的其他特點(diǎn)相結(jié)合，便擁有了顛覆傳統(tǒng)大規(guī)模生產(chǎn)模式的力量。

希望這篇文章可幫助您分析增材制造將對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響，并思考您應(yīng)如何應(yīng)對(duì)以便引領(lǐng)行業(yè)變革。