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美國推動增材制造進入移動行業

2019-11-14 06:46:51

  近年來,隨著制造技術和經濟發展水平的提高,人們的消費習慣逐步往個性化消費模式轉變,這種轉變帶來了傳統制造模式的改變,相對應的制造技術手段也發生了變化。為了適應這種變化,技術專家們一直在尋找合適的技術手段。20世紀80年代中期,增材制造技術開始發展,為未來制造業、未來社會生產模式以及人類生活方式的變革提供了一種前所未有的技術方法。

  

羿戓制造所了解,美國汽車研究中心(CAR)于2019年3月發布了白皮書《推動增材制造進入移動行業——商業案例:增材制造移動行業聯盟(MCAM)》。此白皮書站在汽車行業發展的角度,闡述了近年來由于人們對移動出行越來越多的個性化、安全性、信息化服務需求,汽車制造行業在設計、制造、商業模式、快速反應能力等環節需要進行快速徹底的改進。而增材制造技術為以上目標的實現提供了一種可行的技術保障手段,肯定了以美國汽車研究中心為核心建立的“增材制造移動行業聯盟”對汽車行業個性化發展所具有的重要意義。 



  表1:增材制造技術種類、典型材料、主要應用和示例公司

  (來源:美國混合動力制造技術公司(HMT)、3D科學谷、汽車研究中心調查)

  汽車制造只是全球制造業的一個縮影,我們可看出增材制造技術對整個制造業發展所帶來的深刻影響。




表2:汽車制造商的增材制造應用方案(來源:汽車研究中心調查)

  增材制造技術在工業制造領域應用的意義

  傳統的制造手段嚴重制約了設計師的想象力和創造力,扼殺了人們對更加個性化產品需求的欲望。增材制造技術的應用無疑會使設計人員掙脫禁錮創造力的無形枷鎖,設計出更加優秀的產品,這全靠增材制造獨具特色的成型方式帶來的變革,這是因為:

  ●設計師可在保證產品性能的前提下設計出結構更復雜的零部件,并最大可能的減少零部件數量,優化裝配流程;

  ●可以最大限度地應用拓撲優化方法,使產品輕量化設計變得更加容易實現;

  ●更多的高性能復合材料在設計中得以應用;

  ●可以最大限度地滿足人們對個性化產品的需求。

  在制造環節方面,主要體現為:

  ●由于增材制造原則上無需模具,設計限制少,因此可以大幅度縮短原型制造周期;

  ●在單體或小批量生產時,可使用增材制造生產模具,大幅度降低一些由于設計變更導致的昂貴的前期成本;

  ●引入增材制造生產的模具,可使模具制造交付周期縮短40%-90%,產品廢品率減少近90%。

  隨著增材制造技術的引入,產品商業模式也會發生深刻變革,例如:按需生產、分散式生產、降低產品維護周期、客戶參與制造、降低物流成本等。

  總之,增材制造給傳統制造業帶來的改變及發展遠景是令人鼓舞和期待的,但該技術現階段面臨的挑戰也需要我們正確地去面對。

  現有增材制造技術在制造行業面臨的挑戰

  增材制造技術始一出現,帶給人們傳統思維方式的沖擊是無以復加的,經過三十多年的飛速發展,更令人欣喜若狂、期待滿滿。但任何技術的出現、發展、走向成熟的歷程從來都不是一馬平川的,增材制造技術現階段面臨的挑戰主要有:

  ●在打印產品質量方面:一是不同設備、不同批次的產品質量存在差異;二是制造過程中可操作變量對零部件質量有何影響,尚無深層次的認知;三是目前還沒有打印成品無損檢測評價技術和標準。

  ●打印技術缺陷急需解決:一是打印過程中由于零部件各個位置幾何尺寸不連續,造成冷卻速度不同,易發生變形,影響尺寸精度;二是層與層之間粘結強度不足,易產生應力集中;三是混合材料打印技術還有待開發、完善。

  ●由于現有設備打印效率不高,故零部件制造周期不適合大批量生產,而且打印部件的后處理工序復雜耗時,人工浪費巨大;

  ●增材制造相應耗材現階段市場供應品種還顯匱乏,質量無規范控制標準,現有材料認證標準都偏向于傳統制造模式。

  但是,無論面臨多大挑戰,人類在新技術上探索、應用的腳步永遠不會停止。 

  對我國制造業發展的啟示

  據eCPD所了解,我國的增材制造產業經過近三十年的發展,在國家的大力推動下,已經形成可觀的產業規模,發展勢頭迅猛。但不可否認的是,我們在原創技術的掌握、研發上還與發達國家有較大差距,例如軟件開發能力不足、關鍵硬件依賴進口、打印材料品種較少等。未來如再不加以重視,產業發展勢必受到嚴重制約。

  以美德為代表的發達國家,早已將增材制造放在戰略發展的高度,已經形成國家重視扶持、企業踴躍參與、研發機構積極配合的良好態勢。而我國自從2013年對增材技術呈現出不理性的熱度之后,經過幾年來的行業洗禮,逐步到達目前正常發展的理性階段,很多企業尤其是大型企業已經開始在生產中應用增材制造技術,尤其是在航空航天、醫療、機械制造、輕工行業、文化創意、復合材料、產品設計等行業,已經顯示出增材制造技術的應用所帶來的增值效應,解決了很多以前無法解決的制造難題,推動了相應行業的發展。

  經過多年的發展和行業內的艱難探索,增材制造行業得到了長足的進步,但是由于增材制造技術特點的先天限制,導致這種技術依然處于適用于難加工材料、復雜形狀、復雜裝配空間所需或者傳統制造方法無法實現的零部件,或者這些零部件能夠承受高成本、長時間制造的約束。大規模的市場應用目前依然有困難。個人認為增材制造技術雖然本質上是屬于個性化制造方法,但是應該在充分發揮個性化制造特點的基礎上,尋找適用于批量生產擴大市場應用范圍的可能,從而推動增材制造行業的快速發展,特別是在以下幾個方面:

  ●提高增材制造設備的打印效率,這就要從關鍵零部件入手,如:激光打印頭的改進、打印物理速度的提高等。目前國內有廠家已經在提供激光打印頭效率方面取得了突破性的進展。

  ●著重發展間接增材制造,如:鑄造打印(包括砂型砂芯、蠟型、陶瓷型芯型殼等)金屬模具的打印尤其是具有復雜隨形流道的注塑模具。

  ●繼續大力發展醫療打印,尤其是目前已經呈快速發展趨勢的物理醫療打印,從政策層面給予一定的優惠支持(如加快醫療器械許可證的發放周期等),同時也要時刻關注生物醫療打印的科研發展,尤其在國家層面上給予多一點的經費和政策扶持。可以預見,醫療打印是未來增材制造發展最快、市場容量最大的一個行業。物理醫療打印為人類提供了一個以前根本無法想象的提高醫療效果、改善生活質量的強有力的技術手段。而人體**三維的重現,從虛擬到現實通道的物理連接得以實現,為醫患雙方展現了一個全新的互動空間,大大提高了醫療質量,改善了患者的生活質量。生物醫療打印未來的可能實現為人類展現了一個難以想象的未來世界,一旦真的進入臨床應用,也許是比組織基因工程更快得到實際應用效果的一種醫工結合的技術手段,未來預期不可想象。增材技術應用于醫療行業是數字化醫療的重要方向,是醫工結合的典范,必將對醫療行業的變革產生深遠的影響。

  ●用于綠色再制造行業,是增材制造技術發揮優勢的重要領域,也符合綠色循環生產的要求。例如:我國預計到2020年汽車保有量將突破2.7億輛,每年報廢≧1200萬輛,大力發展汽車循環經濟已經迫在眉睫,而汽車零部件綠色增材再制造技術是廢舊汽車循環再利用的最重要環節。該項技術如果在全國范圍內普及實施,將對我國綠色循環經濟的發展提供強勁助力。

  ●生產管理模式的變革,要向大規模的區域增材制造服務中心發展,在綠色化、智能化、網絡化的基礎上發展超級智能增材制造工廠,這是推動增材制造行業發展的一個有效途徑。 

  ●繼續尋找其他的增材制造應用領域,如連續碳纖維復合材料打印、建筑結構打印等。

  由國家工信部等十二部門聯合出臺的《增材制造產業發展行動計劃(2017~2020年)》提出,到2020年,增材制造產業年銷售收入超過200億元人民幣,年均增速在30%以上。增材制造技術發展是不可逆轉的!目前,我國增材制造的產業規模已實現快速增長,在航空航天、汽車、軍工、醫療等領域得到廣泛應用。同時,涌現出了西安鉑力特增材技術股份有限公司、湖南華曙高科技有限責任公司、廣州愛司凱股份有限公司等一批具有一定競爭力的增材制造骨干企業,一大批工藝裝備實現產業化,行業應用不斷深化,產業支撐體系初步建立。只要我們堅定信心,勇于創新,踏實工作,以國家民族利益為己任,不久的將來增材制造技術必將在我國各行各業開花結果,助力“中國制造”領跑世界制造業!


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    產品設計定位 中國制造業 制造業薪酬體系
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