案例:光固化3D打印技術進入到產(chǎn)業(yè)化領域的前沿趨勢
在麥肯錫關于3D打印的應用市場預測中,到2025年,3D打印在消費端的市場將達到4千億美金。麥肯錫還預測到2025年,3D打印在復雜、小批量的產(chǎn)品制造領域的應用將達到3000億美金的市場容量。那么,吸引制造商在產(chǎn)品生產(chǎn)時應用3D打印技術的原因是什么呢?
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A.?無?;?。因為制造模具的成本高,周期長,這使得3D打印在小批量,定制的制造領域具有節(jié)約時間,降低成本的優(yōu)勢。
B.?成本對設計的復雜性不敏感。傳統(tǒng)制造工藝在加工尤其復雜的設計的時候面臨兩個難題,一是成本隨著產(chǎn)品的復雜性而急劇上升,二是對于過于復雜的設計,難以制造出來。3D打印成本對設計的復雜性不敏感。
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這就給3D打印技術的應用帶來了實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的基礎。根據(jù)魔猴網(wǎng)的市場觀察,在塑料消費產(chǎn)品或機械零部件的直接制造領域,3D打印技術的這兩種優(yōu)勢已引起產(chǎn)品制造商的興趣,部分制造商已經(jīng)在最終產(chǎn)品或零部件制造中應用3D打印技術,本期,魔猴網(wǎng)就分享兩個基于光聚合工藝的3D打印技術在塑料產(chǎn)品及零部件生產(chǎn)中的應用案例。
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從0到1,實現(xiàn)微流體噴嘴的一體化設計
家用、商用攪拌機制造商Vitamix在制造商用攪拌機噴嘴時嘗試使用了3D打印技術。這些微流體噴嘴的作用是用于從300微米孔中噴射加壓水,以便快速有效地沖洗攪拌器容器。噴嘴定期暴露于漂白劑、清潔劑和其他消毒劑中。因此,Vitamix對于這些噴嘴的功能要求是雙重的:
具有堅固的微流體設計,以便進行高速和高壓噴射水,噴嘴需要具有非常特殊和精細的幾何形狀;
可靠性,特別是在商業(yè)食品服務環(huán)境中應對日常磨損的能力。
注塑生產(chǎn)時所采用的噴嘴設計,由6個零件組裝而成,圖片來源:Carbon
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最初,設計師們?nèi)圆捎昧嗽杏糜谧⑺苌a(chǎn)的噴嘴設計方式,噴嘴由六個獨立零件組裝而成,設計師通過3D打印設備制造這六個塑料零件,然后組裝成噴嘴。采用這種設方式,可以降低模具成本,縮短零件交付周期,在幾天內(nèi)完成零件(而采用注塑成型則需要幾個月的時間),并能夠在保證零件具有高幾何保真度的同時也具有良好機械性能。然而,這種方法仍然需要多部件組裝,并沒有充分利用到3D打印技術在制造復雜結構方面的優(yōu)勢。
從傳統(tǒng)設計走向為增材制造而設計-Vitamix噴嘴設計方式的演變,圖片來源:Carbon
于是,Vitamix設計團隊再次審視整個工藝,這一次,設計師突破了設計自由度和設計優(yōu)化的界限,把目標放在制造整個噴嘴上,將這個噴嘴設計優(yōu)化成一個單一的功能集成零件,沒有裝配要求,實現(xiàn)了噴嘴的完全優(yōu)化。優(yōu)化后的整體噴嘴具有300微米的孔和復雜的微流體通道結構,使用材料減少了30%,制造的手工勞動減少了55%,噴嘴的成本降低約33%,新噴嘴的耐用性提高了10倍以上。
通過有限元仿真識別潛在的應力區(qū)并確保生產(chǎn)可制造性,圖片來源:Carbon。
噴嘴的設計師采用Carbon的剛性聚氨酯(RPU)材料和DLS(數(shù)字光合成)3D打印設備對零件進行3D打印。
最終通過測試的3D打印噴嘴設計,圖片來源:Carbon。
Vitamix在應用3D打印技術的過程中還加強了產(chǎn)品快速迭代的能力,使用注塑成型方法,單個設計迭代和所需模具可能需要8到10周,而采用3D打印技術,可以進行快速的設計驗證以及最終的可制造性驗證,產(chǎn)品工程師在短短四周的時間內(nèi)成功地在噴嘴設計上迭代了六到七次。目前,Vitamix準備通過3D打印技術生產(chǎn)上萬個功能集成化噴嘴。
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批量定制化生產(chǎn)
Gillette(吉列)利用Formlabs光固化(SLA)3D打印機作為剃須刀手柄定制化生產(chǎn)設備,推出了48種不同的設計方案,以及多種顏色供消費者選擇,消費者還可以添加自定義文字。
Razor Maker?的設計師能夠快速測試設計創(chuàng)意,在幾天之內(nèi),就可以將設計構思轉(zhuǎn)變?yōu)?D模型,最后再制造成實體產(chǎn)品。魔猴網(wǎng)認為,3D打印技術的應用使吉列加快了產(chǎn)品上市速度,縮短反饋循環(huán),并在設計上更快地迭代,這與快速迭代的消費品市場尤其的合拍。
在設計方面,由于3D打印能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的設計,設計師推出了更為復雜的設計款式。
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由于3D打印技術在剃須刀手柄定制化生產(chǎn)中的應用,吉列的服務模式也發(fā)生了改變,消費者可以參與到產(chǎn)品設計中來。首先,消費者通過Razor Maker?網(wǎng)站設計一個獨一無二的手柄,然后將生成的設計轉(zhuǎn)換為3D文件。Razor Maker?制造團隊將多個設計文件發(fā)送到3D打印機,進行批量定制生產(chǎn)。完成3D打印的手柄,經(jīng)過清洗、后固化、涂料和組裝等后處理流程,最后交付給消費者。
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傳統(tǒng)制造技術,如注塑成型,是難以實現(xiàn)規(guī)?;ㄖ粕a(chǎn)的,而無需使用模具,直接制造產(chǎn)品,易于制造小批量定制化產(chǎn)品是3D打印的固有優(yōu)勢。在這個應用中,3D打印技術消除了對注塑模具的需求,因此吉列無需對該產(chǎn)品進行前期模具的投資。
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3D打印與注塑競爭的可能性有多大?無疑,注塑工藝的優(yōu)勢在于大批量,而3D打印的優(yōu)勢在于小批量或者是生產(chǎn)非常復雜的設計。目前,3D打印的在塑料產(chǎn)品生產(chǎn)領域的發(fā)展空間要么是小批量簡單設計,要么是大批量非常復雜的設計。
3D打印技術要想在大批量復雜產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝上獲得比注塑工藝更大的優(yōu)勢就需要打印速度更快。而提升打印速度,正是塑料3D打印技術發(fā)展中的一個明顯的趨勢。比如說Stratasys研發(fā)實驗室孵化出來的Evolve Additive公司,推出了一種與中等批量注塑生產(chǎn)競爭的3D打印技術-選擇性熱塑性電子照相過程(STEP),Evolve Additive稱該技術,至少比粘合劑噴射3D打印技術快一個數(shù)量級。
來源:http://www.51shape.com/