3D打印如何推動工業(yè)4.0？

來源：電子工程專輯

想像一下，在家里或辦公室打印出一部完整的、功能齊全的智能手機。3D打印(3DP)，又名增材制造(AM)，可以將未來的工廠重新定義成一種可以放在桌面上的設(shè)備。

現(xiàn)在距離這個目標(biāo)還有很長的路要走，但是3D打印已經(jīng)應(yīng)用在制造電子產(chǎn)品，如連接器、印刷電路板、射頻放大器、太陽能元件、嵌入式電子產(chǎn)品和外殼。線上制造平臺Hubs編制的一份報告顯示，打印技術(shù)和材料的進(jìn)步幫助3D打印實現(xiàn)了其工業(yè)潛力。

市值1.01億美元的3D印表機制造商Markforged發(fā)言人Sam Manning表示：“作為一個產(chǎn)業(yè)，3D打印肯定正處于一個轉(zhuǎn)折點，很多人都愿意打印最終用途的部件。這與五年前相比有很大的不同。”

在整個制造業(yè)，3D打印解決了許多產(chǎn)業(yè)特有的問題。制造商不再需要依賴海外合作伙伴進(jìn)行原型設(shè)計和生產(chǎn)。設(shè)計可以安全地直接下載到印表機，從而降低IP盜竊的風(fēng)險，元件可以在消耗時依照所需的確切數(shù)量進(jìn)行建構(gòu)。這使企業(yè)擺脫了最低訂單要求和裝運/交付提前期的影響。用供應(yīng)鏈術(shù)語來說，3D打印是“及時生產(chǎn)的助推劑”。

幾年前，全球市值297.2億美元的EMS供應(yīng)商Flex就將3D打印確定為其工業(yè)4.0戰(zhàn)略的支柱。該公司設(shè)計團(tuán)隊和制造團(tuán)隊經(jīng)常對如何建構(gòu)產(chǎn)品有不同的看法，3D制造透過提供即時原型和模型縮小了這一差距。隨著產(chǎn)品的開發(fā)，3D技術(shù)會為過程中的每一步創(chuàng)建一個數(shù)字儲存庫。設(shè)計變化可以快速合并，并建立一個新的3D模型。

制造商還認(rèn)識到3D打印的成本和永續(xù)性優(yōu)勢。從原材料到紙板箱的浪費基本上被消除了，庫存不再需要在倉庫中儲存和維護(hù)，運輸和配送成本是最低的。根據(jù)Hubs的報告，流程自動化正在透過切片機最佳化、智能零件定位、批量布局和后處理來提高打印速度、品質(zhì)和一致性。

切片(Slicing)是將3D模型轉(zhuǎn)換為印表機指令集的過程。Manning說：“工廠將不再需要每年檢查庫存，以確保庫存中有合適的零件，或者，萬一沒有所需的零組件，就只能坐在那里等待�，F(xiàn)在的模式是‘拿一個，做一個’�！�

越來越多的軟件解決方案將3D打印生產(chǎn)鏈中的各個階段連接起來并實現(xiàn)自動化。Markforged開發(fā)了自己的軟件，完全自動化的工作流程可實現(xiàn)無人值守的3D打印，工廠幾乎不需要人工監(jiān)督。

Manning說：“我們的軟件確保切片是準(zhǔn)確的，并在打印之前模擬零件，以確保拉伸強度。如此，你便擁有了一個零件的數(shù)字儲存庫。”

新進(jìn)度
3D打印/增材制造領(lǐng)域由硬件(主要是印表機)、材料和軟件組成。據(jù)Hubs報導(dǎo)，大型金屬增材制造領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。SLM Solution正在為美國空軍建造一個具有1.5公尺Z軸的激光粉末床融合系統(tǒng)，該系統(tǒng)將使用多個激光器來生產(chǎn)大型金屬零件。

大型復(fù)合材料專家Caracol正在開發(fā)一種近凈形金屬絲電弧增材制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用金屬絲原料和機器人焊接臂來創(chuàng)建大型結(jié)構(gòu)或修復(fù)金屬零件。

迄今為止，最大的3D打印產(chǎn)品是波音(Boeing)使用的配平工具。該工具在加工和鉆孔時固定在波音777x的機翼蒙皮。

3D打印材料包括種類不斷增加的工程熱塑性塑膠和樹脂、復(fù)合材料、聚合物粉末和金屬粉末。靜電放電樹脂可用于電子產(chǎn)品、穿戴式設(shè)備中的阻尼彈性體樹脂，以及運輸和其他產(chǎn)業(yè)中的阻燃材料。在熔融沉積成型中，非平面打印已經(jīng)取得了突破，軟件可以打印曲線，消除懸垂的支撐，提高垂直強度。

“我們不只是制造印表機，”Manning說，“我們制作材料并處理軟件。當(dāng)整個生態(tài)系統(tǒng)協(xié)同工作并不斷向人工智能(AI)和機器學(xué)習(xí)(ML)學(xué)習(xí)時，3D打印的采用率將會提高�！�

Markforged可以立即將設(shè)計發(fā)送到13,000臺經(jīng)過ISO安全認(rèn)證的已連接印表機中的任何一臺�！爱�(dāng)你考慮能夠解決當(dāng)前的供應(yīng)鏈問題時，你所要做的就是點擊‘發(fā)送’和‘打印’，”Manning說。

3D打印使用案例
無論產(chǎn)品是智能手機還是墊片，3D打印都非常適合原型制作、工具制作和大規(guī)模定制。原型在全面生產(chǎn)之前評估產(chǎn)品的設(shè)計和功能；新的設(shè)計或特性可以更靈活地演進(jìn)、測試和驗證。

“我認(rèn)為，我們將看到的最重要的事情之一是，你甚至在按下‘打印’之前，就可以在云端中進(jìn)化你的產(chǎn)品，而不是使用增材制造進(jìn)行快速原型和打印。”Manning說，“你會確切地知道零件在強度和耐用性方面的規(guī)格�！�

工具涉及創(chuàng)建用于生產(chǎn)的專用設(shè)備。3D打印能夠依需求生產(chǎn)工具、夾具和裝配輔助工具，可以最大限度地減少機器停機時間、提高生產(chǎn)靈活性并解鎖定制解決方案。豐田(Toyota)將增材制造用于模具，將敏捷性、更快的交貨時間和設(shè)計自由度作為三大優(yōu)勢。

3D打印還為小批量制造提供了一種經(jīng)濟(jì)可行的方法。企業(yè)可以提供限量版產(chǎn)品和備件生產(chǎn)，同時最大限度地降低成本。豐田正在使用惠普(HP)的3D打印技術(shù)來依需求制造替換零件，以及短期的最終用途零件。

3D打印實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高效的大規(guī)模定制。CAD檔案可根據(jù)客戶需要修改，產(chǎn)品可批量打印�？萍夹聞�(chuàng)公司Formify使用3D打印根據(jù)客戶的手部圖像，生產(chǎn)定制符合人體工程學(xué)的電腦鼠標(biāo)。

“供應(yīng)鏈正在努力盡可能高效地運作，”Manning說，“市場上普遍發(fā)生的情況是，越來越多的人想要定制產(chǎn)品。因此，從本質(zhì)上講，每件商品的生產(chǎn)量會減少，因此運輸5件比運輸50件更緊湊，3D打印所能做的就是現(xiàn)場打印這5個項目。大多數(shù)企業(yè)都擔(dān)心自己的底線，一旦你能夠小批量定制，更多的公司就會關(guān)注3D打印，并找到有利于公司的方法�！�

批量生產(chǎn)是為了提高效率而連續(xù)生產(chǎn)多種相同產(chǎn)品的過程。Hubs報告稱，隨著工作流程日益數(shù)字化和自動化，制造商更容易全天候生產(chǎn)零件。在3D打印中，批量生產(chǎn)對于小零件尤其可行，因為其中幾個零件可以放入單個建構(gòu)中。例如，Protolabs利用150臺3D印表機，每年生產(chǎn)多達(dá)100萬個零件。

永續(xù)
制造商面臨著不斷提高效率和削減成本的壓力，同時還要成為負(fù)責(zé)任的環(huán)境管理者。3D打印在制造商的綠色倡議中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。例如，與電腦數(shù)值控制(CNC)加工等減材制造工藝相比，3D打印產(chǎn)生的材料浪費更少。對于粉末印刷，3D打印可以重復(fù)使用和回收粉末。

3D打印的功耗也更低。Markforged的​​客戶Athena Manufacturing進(jìn)行關(guān)燈制造。Athena的機器人可以移除打印床，將其放在一邊并放上新的打印床，然后第二個機器人按下“打印”按鈕�！八麄儾粩嗟厣�產(chǎn)零件——不是快速原型，而是交付給客戶的零件，”Manning說。

根據(jù)Hubs的說法，人工智能驅(qū)動的軟件工具還可以最大限度地降低打印失敗的風(fēng)險并最佳化打印過程的CAD設(shè)計，從而幫助減少添加劑浪費。

作為一種數(shù)字制造方法，3D打印可以在本地生產(chǎn)零件，無需復(fù)雜的物流和運輸。分散式制造網(wǎng)路可以透過提供與世界各地合格制造商的聯(lián)系來促進(jìn)本地3D打印，智能零件設(shè)計正在幫助航太和汽車工業(yè)實現(xiàn)更好的燃油效率。透過增加零件的輕量化，飛機和車輛可以消耗更少的燃料。Hubs報告稱，將飛機重量減輕20%，可以使燃油效率提高10%。

最后，像汽車和飛機這樣的長壽命設(shè)備可以利用3D打印來延長它們的使用壽命。這些產(chǎn)品中使用的元件經(jīng)常會過時，3D打印可以根據(jù)需要生產(chǎn)替換零件，備品可以在家或在辦公室打印。

根據(jù)Hubs的資料，到2022年，3D打印市場(包括3D打印系統(tǒng)、軟件、材料和服務(wù)的收入)將達(dá)到170億美元，年成長率為13%。2023年的預(yù)測是基于17%的年復(fù)合成長率(CAGR)，到2023年將達(dá)到199億美元。

“3D打印是工程師的另一種工具，”Manning說，“它不會取代傳統(tǒng)制造業(yè)。但工程師們開始學(xué)習(xí)增材制造課程。在設(shè)計時，從增材制造的角度思考是非常不同的。我們希望在5年后，工程師們能在傳統(tǒng)方式的基礎(chǔ)上進(jìn)行加法思考�！�

(參考原文：How 3D Printing Boosts Industry 4.0，by Barbara Jorgensen，國際電子商情Momoz編譯)

本文原刊登于國際電子商情