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增材制造超越了原型设计

新的模拟和材料的进步使3D打印成为最终用途零件生产的可行性。

新的模拟和材料的进步使3D打印成为最终用途零件生产的可行性。

宝马的增材制造园区将专注于生产和原型零件。图片由宝马提供。


今年早些时候,西屋电气公司报告说,它已经在Exelon Byron 1号核电站中安装了3D打印的顶针堵漏装置,据报道这是能源行业的首例安装。

“增材制造是核工业激动人心的新解决方案,”Exelon Generation的Ken Petersen说'核燃料副总裁。“简化方法有助于满足行业需求'对各种小批量,高度关键的工厂组件的需求。我们很高兴能与Westinghouse成为这一行业里程碑上的合作伙伴,并帮助进一步证明这项技术的可行性。”

西屋公司已在核电站中安装了3D打印部件。 图片由西屋公司提供。

由于这是一个新应用,Westinghouse创建了316L不锈钢合金和Inconel合金A718标本进行测试。据该公司称,这些合金非常适合核应用。

虽然这只是增材制造零件的最新示例,但肯定不是唯一的例子。在五月, 通用原子航空系统(GA-ASI) 在其中一架遥控飞机内完成了3D打印部件的首次试飞。这很重要,因为生产航空级增材制造零件仍然是该行业的主要挑战。该公司与GE Additive AddWorks合作开发了金属激光粉末床熔合(LPBF)。八个月后,他们在SkyGuardian RPA上测试了由钛制成的金属印刷NACA进气口。

与它所代替的三部分零件相比,印刷零件更轻且更便宜(除了检查外,还需要工具和焊接)。 GA-ASI还与澳大利亚合作'Conflux Technology开发增材制造的热交换器。

通用航空’SkyGuardian RPA飞向天空。 图片由GA-ASI提供,GEADPR036。

当前的事件也使增材制造脱颖而出,因为公司在边界封闭的世界中努力调整生产,员工在家里而不是在办公室工作,许多工厂或仓库被关门或被迫与骨干人员一起经营。

尤其是在缺少个人防护装备(如面罩)和重要通风设备的医疗保健领域,配备了手持设备的3D打印公司和其他制造商很快发现自己会生产医疗设备以满足当地需求。突出了增材制造’作为提供供应链响应能力和灵活性的重要工具的价值。

软件提高了可靠性

尽管如此,生产零件的增材制造在某些行业之外并不普遍。传统上,该技术已用于原型制作,但是这种情况已经开始改变。

Jabil的2017年研究 发现虽然有81%的制造公司表示他们正在使用3D打印,但只有29%的制造公司将其用于生产零件。但是93%的受访者预计在未来5年内将更多地将3D打印用于生产零件。

可用材料的扩展将有助于推动这一发展,成本下降,速度提高以及零件的​​可靠性和准确性也将得到促进。 3D打印机一直在努力保持一致性—许多像GE这样的早期采用者发现,在生产相同零件的同一型号打印机上,甚至在一台机器随时间产生的打印件之间,零件质量也可能有很大差异。质量可能受温度,机器运行时间的影响 and operator habits. 

“据估计,公司需要五次或更多次尝试从其增材制造设计模型中3D打印合格零件的过程,”西门子数字工业软件公司增材制造软件计划副总裁亚伦·弗兰克尔(Aaron Frankel)说。“这种高故障率不仅损害了添加剂的经济可行性,而且也阻碍了将该技术应用于大批量生产的努力。 3D金属打印尤其如此。 ” 

通过校准机器以适应打印机和材料受时间和温度的影响,解决了许多质量问题。改进的仿真技术;以及可以在生产运行期间调整机器性能的现场监控解决方案。

但是,校准只能进行到此为止。近年来,尽管附加硬件的性能有了显着提高,但过去软件性能和文件格式仍然明显滞留。继续使用过时的软件和STL文件格式意味着,如上所述,每次对零件进行鉴定的尝试都可能需要数小时甚至数天的时间来进行构建准备和切片。如果您必须多次执行此操作,则可以添加 up to days 甚至数周的文件处理时间,'甚至不包括3D打印时间。考虑到这一点, 炸药 with support from NVIDIA已开发出一种新的几何内核,该内核可利用GPU的计算能力,并能够使用数学上纯的CAD数据 而不是像STL这样减少翻译数据。这意味着在Dyndrite内核上开发的新软件可以大大减少冗长的处理时间–诸如切片之类的当前可能需要数小时的过程被减少到几秒钟。  

达到生产级增材制造要求 software automation. 通过将Python API添加到Dyndrite中,工程师和技术人员可以轻松地自动化构建准备过程中复杂而繁琐的部分。示例包括零件的嵌套,自定义标签等–现在只需几秒钟即可完成操作。 炸药已经在早期取得了关键性的成功,并且最近宣布与HP建立合作伙伴关系。  

增材制造(DfAM)功能的设计和生成设计工具正在大量CAD和仿真工具集中使用。“零件失效的主要原因是该设计从未针对3D打印进行过优化,”Materialise设计工程经理Dries Vandecruys说。“为具有悬垂且壁厚不逐渐增大的传统制造而设计的零件极大地增加了失败的可能性。因此,首先,在您使用金属3D打印时要考虑其特殊性’重新设计零件。”

ABI研究’生成设计评估 去年包括了9家主要供应商的排名,其中包括ANSYS,Altair,Autodesk,Dassault Systèmes,GRM咨询,ParaMatters,PTC,nTopology 和西门子。这些公司中的许多公司还与3D打印机制造商合作,后者已经开发了自己的软件解决方案,以帮助弥合CAD和AM之间的鸿沟。

PTC在2018年收购了Frustrum,为Creo平台提供针对增材制造的生成设计功能。 MSC Software(Hexagon的一部分)正在利用AMendate收购中基于AM的设计优化优势。 Autodesk在Fusion 360 Generative Design产品中拥有自己的本地工具。

n拓扑利用AI来创建符合增材制造标准的模型。 图片由nTopology提供。

n拓扑,借助其nTop Platform软件,正尝试使用人工智能路线和生成设计来加速设计迭代,以使创建模型的方式自动化以符合增材制造标准。 nTop Platform使用方程式直接表示3D实体,这是产品开发的隐式建模方法。每个方程表示从空间中任何点到形状的距离。默认情况下,光线追踪始终处于启用状态,从而可以在编辑时真实地查看产品。它旨在增强现有的CAD,CAE和其他解决方案。

最新版本 VERICUT V.9.1 包括用于模拟添加剂以及CNC加工和混合操作的验证和优化工具。该软件’s的“默认默认加工类型”功能使VERICUT能够预测用于以增材方式构建设计零件所需的系统资源,包括起始库存构建板或模型。

失真补偿是另一个关键问题,一些软件公司也正在解决。 

仿真软件制造商Ansys提供了专门针对金属AM的ANSYS Additive Suite。功能包括热仿真,拓扑优化,AM过程仿真 以及几何图形的编辑和修改。

“失真补偿是客户使用我们的ANSYS Additive Suite的主要原因之一,”Ansys的AM主管Brent Stucker说。“该方法始终是特定于机器和材料的。您正在做的事情是弄清楚几何形状在生产过程中将如何变化,然后使用算法修改几何形状以解决该变化。” 

作为其失真校准的一部分,Ansys’该软件整合了3D打印系统制造商提供的机器行为以及材料供应商提供的材料特性。仿真软件有助于准确的失真预测’基于硬件和材料制造商的数据,可以数字方式重现打印过程中发生的热化学变化的能力。 

一种新方法

像通用电气这样的公司很早就了解到,在其自身的运营中推进资产负债管理将需要一种不同的方法。该公司现在拥​​有自己的3D打印子公司,以及强大的研发部门,这不仅有助于在自己的制造部门中扩大金属印刷的用途,而且还为其他公司提供了解决方案。 GE也是首批提供真正的航空零件的公司之一—GE9X发动机用镍合金印刷的燃油喷嘴。 

宝马也采用了这种方法,并开放了自己的方法 增材制造园区 将于7月在慕尼黑举行,届时将生产原型和系列零件,并提供支持研究活动。

“我们的目标是将越来越多的3D打印方法工业化以用于汽车生产,并在流程链中实施新的自动化概念,” adds Daniel Schä费尔,宝马集团生产整合和试点工厂高级副总裁。 “这将使我们能够简化用于批量生产的组件制造并加快开发速度。同时,我们正在与车辆开发,零部件生产,采购和供应商网络以及公司的其他各个领域进行合作,以系统地集成该技术并有效地利用它。”

去年,宝马通过增材制造生产了约30万个零件。这些零件包括很多塑料零件,还包括金属功能零件(例如劳斯莱斯幻影上的某些零件)。增材制造园区目前雇用多达80名员工,并运营着约50种与金属和塑料一起使用的工业系统。另外50个系统正在全球的生产现场运行。

霍尼韦尔航空航天公司最近宣布与VELO3D建立合作伙伴关系,以使VELO3D合格’S蓝宝石系统可在霍尼韦尔生产飞机部件’凤凰城的设施。这些公司将重点放在用于高温应用的INCONEL镍基合金上。 

“我们符合VELO3D的资格’的蓝宝石系统,旨在打印可以’不能在现有的3D金属打印机上制造。他们的技术将帮助霍尼韦尔开发新的生产零件应用程序,同时满足我们对认证的材料要求,” says Dr. Sö霍尼韦尔航空航天公司技术和高级运营高级总监eren Wiener。

生产零件的增长AM不需要公司利用新技术,仿真和材料功能。在创建任何给定组件期间,还需要设计专家和制造专家之间更加紧密的协作。

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