增材制造的工业化与金属数字工厂

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两个多世纪以来，工业工厂生产在四个主要方面表现出色：过程的可重复性、生产部件的耐用性、工作流程的生产效率以及经济的运营总成本。工厂工作流程已经过优化，从而以尽可能低的成本生产尽可能多的优质部件。任何寻求与标准流程一起被接纳的新的生产方法或工作流程，都必须满足或改进这些经过时间考验的元素。

当今的制造业正在经历快速转型：这一过程称为工业4.0

新的市场需求推动制造商提高速度和灵活性。新的商业模式需要快速响应客户需求和快速的设计迭代。制造商需要更短的生产周期和更快的产品生态系统演化；他们必须以数字化速度打造实体产品。

3D打印工业4.0重要组成部分

幸运的是，对于面临这些压力的制造商而言，3D打印技术的功能不断提高，已经成为行业工厂生产的战略资产。新材料、新的打印方法、新的设计能力和新的工作流程意味着数字化制造方法现已成为可能。在过去的30年里，3D打印一直是设计评审、原型制作、一次性用品或搭桥制造的主要研发内容。现今，3D打印加入工厂车间，并可以成为批量生产最终产品的一部分。

3D打印已大量进入加入工厂车间

使用数字工厂技术制作的部件可实现工业4.0对产品和流程的承诺，这是使用传统方法所无法实现的。

先进的设计算法可实现采用晶格而非实体来制造部件，并可对几何形状进行拓扑优化，使部件质量更轻但更加坚固。可以更轻松地交付由多个部件组合成单部件组件的集成式和一体式部件。此外，这些部件可结合新型流体和气流通道，从而提高效率并延长部件使用寿命。

金属数字工厂

金属制造的目前趋势是，要求更快地以小批量交付更加新颖且功能更多的部件。这一趋势在很大程度上受航天市场推动，尤其是航天器方面，它们要求在短时间内交付低成本但功能更强的部件，它们所使用的是任务关键、高价值的部件。为了提高航天领域的燃油经济性，开展了大量关于增材制造如何能够在提高功能的同时降低零件重量的研究。

轻量化为发射成本的降低带来了机遇

纳米卫星和立方体卫星（尺寸可以从适合手掌的大小到冰箱大小不等的小型卫星）的发展趋势正推动部件设计进入新时代，即部件更加轻巧、紧凑和耐用。这反过来又导致对小型卫星运载火箭的需求越来越大，它们作为常用更大的极地和地球同步卫星运载火箭的替代方案，为小型卫星提供更实惠的发射选择。

3D systems为法国航空公司Thales开发的卫星支架

航空应用也推动金属增材制造研究水平的提高。随着对商用机身需求的增加，飞机行业正在采用新方法以降低飞机重量、提高燃油效率和降低供应链复杂性，同时保持并提高安全标准。

空客首个适航金属3D打印射频滤波器

这些新方法涉及用于非关键型和关键型部件的轻质材料的新创新，并更多地关注了增材制造。SmartTech Markets在2017年发布的《2017年增材制造在航天领域的机遇—民用航空》中预测金属增材制造设备（不包括服务和材料）仅民用飞机行业一项的总市场收入将在2016到2027年间增长700%。该文章还预测向飞机原始制造商提供专业服务的“增材制造航天工厂”的数量将会大幅增加。

东方航空已将增材制造运用到民航维修改装领域

包括工业燃气轮机(IGT)和运输行业在内的关键行业中的这些趋势和预计增长，需要通过金属增材制造的强化方法来获得可提高生产效率、降低运营成本和更具成本效益的部件。为了满足这些新的需求，需要借助数字工厂提供的创新生产速度和能力。其具体表现在：

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金属增材制造为原始设备制造商带来了显著的生产效益，而可扩展性、可追溯性和可重复性方面的最新进展则能够体现这一颠覆性技术所带来的好处。金属增材制造通过优化的部件设计和功能设计，赋予了制造商一系列优势，这些优化减轻了部件重量并提高了部件性能。同时，在瞬息万变的市场上，缩短了产品开发时间和生产时间。

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原文始发于微信公众号（3D打印技术参考）：增材制造的工业化与金属数字工厂