3D打印落地應(yīng)用，是一個(gè)綜合性的大問(wèn)題，我們沒(méi)有辦法在一篇文章中探討太多。在此前的文章中，我們已經(jīng)探討了材料、打印速度以及后處理給增材制造帶來(lái)的挑戰(zhàn)，本期，我們將從零件質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理能力三個(gè)方面繼續(xù)探討3D打印大規(guī)模落地應(yīng)用面臨的問(wèn)題，以及解決當(dāng)前問(wèn)題取得的進(jìn)展。

Velo3D技術(shù)合作副總裁表示，3D打印零件的性能一致性是該技術(shù)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。

傳統(tǒng)的數(shù)控加工、注塑或鑄造已經(jīng)非常成熟，3D打印為零件制造提供了一種新方法，但這項(xiàng)技術(shù)存在傳統(tǒng)制造所沒(méi)有的新缺陷，零件質(zhì)量會(huì)因制造批次不同而存在差異。對(duì)于金屬3D打印來(lái)說(shuō)，零件內(nèi)部的粉末夾雜、微裂紋和未熔合缺陷，使制造的不穩(wěn)定性尤其突出。

零件質(zhì)量變化的關(guān)鍵來(lái)源之一是材料問(wèn)題。對(duì)于一些至關(guān)重要的應(yīng)用，如飛機(jī)部件或醫(yī)療設(shè)備等，對(duì)零件的性能和精度有很高的要求，材料也必須100%不受污染。然而因存儲(chǔ)或處理不當(dāng)或原料質(zhì)量問(wèn)題而產(chǎn)生的雜質(zhì)會(huì)影響零件的最終性能，還有可能導(dǎo)致打印失敗。確保材料質(zhì)量需要標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方法和工具，目前業(yè)內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一和普遍認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。為了克服這些問(wèn)題，3D打印的從業(yè)者以及一些高校實(shí)驗(yàn)室，正在努力開(kāi)發(fā)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

過(guò)程監(jiān)控技術(shù)可以解決部件質(zhì)量追溯問(wèn)題

影響零件質(zhì)量變化的另一個(gè)挑戰(zhàn)在于3D打印設(shè)備缺乏先進(jìn)的過(guò)程控制能力。為了盡量減少零件質(zhì)量的不穩(wěn)定，3D打印機(jī)需要從開(kāi)環(huán)控制轉(zhuǎn)換為閉環(huán)控制，從而在打印過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)以解決問(wèn)題。閉環(huán)控制可以通過(guò)在3D打印機(jī)中嵌入傳感器和攝像頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控制造過(guò)程。閉環(huán)以及實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)可保持對(duì)制造過(guò)程的控制，可制造出具有一致幾何形狀、表面光潔度和材料性能的零件。

不過(guò)，通過(guò)閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)質(zhì)量的控制，仍然是一項(xiàng)相對(duì)較新且有難度的技術(shù)，絕大多數(shù)的廠商目前仍只能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控而無(wú)法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)反饋。截至2019年，這種智能型的3D打印機(jī)也只有很少的廠商可以真正實(shí)現(xiàn)。

如果業(yè)內(nèi)擁有明確且被普遍理解和接受的標(biāo)準(zhǔn)，那么對(duì)所有的行業(yè)從業(yè)者都大有好處。有了標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)就可以把相同的產(chǎn)品進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，做出更加科學(xué)的決策。

在制造業(yè)中，標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，它們概述了交付優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品必須滿足的數(shù)據(jù)要求。原材料、打印機(jī)，設(shè)備操作員和工程師，供應(yīng)商以及制造過(guò)程本身都需要標(biāo)準(zhǔn)以及根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行資格認(rèn)證，這些是制造出復(fù)合質(zhì)量要求零件的保證。

SAE規(guī)劃了最早的增材制造標(biāo)準(zhǔn)

盡管3D打印已經(jīng)發(fā)展了30多年，但制造業(yè)直到最近幾年才開(kāi)始將其視為一種生產(chǎn)方法，3D打印行業(yè)才剛剛開(kāi)始制定與生產(chǎn)相關(guān)的和整個(gè)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。歐瑞康增材制造首席工程師Matthew Donovan介紹，3D打印可以一種新的方式制造零件，這確實(shí)偉大，但如果無(wú)法證明零件的質(zhì)量，那么則會(huì)引起質(zhì)疑。標(biāo)準(zhǔn)能夠使行業(yè)玩家跨領(lǐng)域生產(chǎn)和銷(xiāo)售零件，并最終得以應(yīng)用。

截至目前，缺乏3D打印標(biāo)準(zhǔn)仍然是阻礙該技術(shù)被廣泛采用的主要瓶頸之一。但是，在這方面已經(jīng)有了很多發(fā)展，一些標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)組織如ISO和ASTM，已經(jīng)建立了致力于增材制造的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)委員會(huì)。截至2018年，這兩個(gè)組織已經(jīng)批準(zhǔn)了28個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，未來(lái)幾年還將發(fā)布更多。 

ASTM / ISO增材制造標(biāo)準(zhǔn)框架（點(diǎn)擊閱讀）

行業(yè)合作關(guān)系也極大地促進(jìn)了標(biāo)準(zhǔn)的制定。歐瑞康和波音之間的合作促進(jìn)了增材制造在航空航天和國(guó)防領(lǐng)域使用，并實(shí)現(xiàn)了鈦合金粉末3D打印材料和工藝的標(biāo)準(zhǔn)化。2019年，ASTM與奧本大學(xué)、NASA、EWI以及英國(guó)制造技術(shù)中心（MTC）合作建立了卓越增材制造中心（AM CoE），致力于搭建研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化之間的橋梁，填補(bǔ)關(guān)鍵行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)空白。2019年9月，ASTM宣布了第二輪融資旨在支持AM CoE的標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目，解決快速增長(zhǎng)的增材制造行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的需求。盡管標(biāo)準(zhǔn)制定是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，但最終會(huì)幫助制造商更快、更輕松地開(kāi)發(fā)和使用3D打印工藝。

設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理能力也是行業(yè)發(fā)展面臨的問(wèn)題，一直以來(lái)，業(yè)內(nèi)企業(yè)多將重點(diǎn)放在開(kāi)發(fā)出效率更高的設(shè)備，對(duì)于智能化的軟件解決方案則重視不足。

3D打印并不像媒體宣傳的那樣按一下按鈕就可以制造物體，工業(yè)3D打印更需要大量的設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作。由于長(zhǎng)期以來(lái)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助工程軟件在很大程度上不能滿足3D打印的要求，使得設(shè)計(jì)過(guò)程變得復(fù)雜。例如，傳統(tǒng)的CAD軟件在設(shè)計(jì)梯度材料、晶格結(jié)構(gòu)或可控孔隙率結(jié)構(gòu)方面存在困難。此外，3D打印設(shè)計(jì)流程涉及多個(gè)步驟，而且需要使用更多其他軟件，這通常使設(shè)計(jì)陷入困境。

3D打印涉及到的軟件

Autodesk制造生產(chǎn)行業(yè)戰(zhàn)略和業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)介紹，3D打印的零件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理過(guò)程通常需要在多個(gè)軟件間流轉(zhuǎn)，用戶需要使用CAD工具完成設(shè)計(jì)并將零件轉(zhuǎn)換為STL格式，然后將其導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件中，經(jīng)處理后才導(dǎo)入設(shè)備。實(shí)際上在這個(gè)過(guò)程中可能要評(píng)估打印的安全性、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量?jī)?yōu)化空間，支撐添加以及模擬分析，這些步驟需要前后交叉、反復(fù)進(jìn)行，且會(huì)使用到不同的軟件及多種文件格式，整個(gè)工作流程可以說(shuō)非常繁復(fù)而且相互脫節(jié)。

設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理過(guò)程可以說(shuō)耗時(shí)且容易出錯(cuò)，往往需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)去分別完成各項(xiàng)工作。業(yè)界也正在試圖以多種方式減少模型的準(zhǔn)備工作，一些設(shè)計(jì)軟件公司如Autodesk 、PTC和DassaultSystèmes正在將特定的3D打印功能融合到傳統(tǒng)的CAD程序中。PTC宣布推出的Creo 3D計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)平臺(tái)，引入了實(shí)時(shí)仿真新功能，擴(kuò)展增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和增材制造設(shè)計(jì)功能，以及眾多關(guān)鍵生產(chǎn)增強(qiáng)功能，可使工程師們?cè)谝粋€(gè)環(huán)境內(nèi)，充分利用創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制造能力。

3Dxpert從設(shè)計(jì)到制造提供完整流程解決方案

一些3D打印機(jī)制造商也開(kāi)發(fā)了自己的軟件解決方案來(lái)簡(jiǎn)化模型準(zhǔn)備工作。Stratasys以及3D Systems分別開(kāi)發(fā)了為減少多次數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換的GrabCAD和3Dxpert軟件。 

目前雖然在增材制造設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理方面取得了一些進(jìn)步，但仍有發(fā)展空間。為設(shè)計(jì)人員提供在CAD環(huán)境中修改3D模型的能力，并在不需要繁瑣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的情況下快速迭代這些模型，這將成為降低增材制造使用門(mén)檻和提高效率的關(guān)鍵。

END

本期，我們從3D打印零件的質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理方面分析了目前3D打印技術(shù)大規(guī)模落地應(yīng)用存在的問(wèn)題，以及本行業(yè)為此所做的努力和取得的進(jìn)展。總的來(lái)說(shuō)，進(jìn)展有目共睹，但要實(shí)現(xiàn)更好的應(yīng)用，技術(shù)的發(fā)展還需要更加智能化、相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)更加明確化、3D打印相關(guān)操作更加簡(jiǎn)潔化。

轉(zhuǎn)載自3D打印技術(shù)參考