奥迪实现高效3D打印产出的应用经验

2018年8月29日

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奥迪实现高效3D打印产出的应用经验

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在往期文章中，笔者提到奥迪在2002年已经购买了第一台Stratasys FDM 打印机，3D打印的引入不仅用来制作原型，还开始制作汽车备件，从而大大减少了压铸等传统工艺的使用，奥迪公司无疑在此方面取得了巨大成功。本篇文章分析奥迪实现高效3D打印产出的应用经验。

奥迪实现高效3D打印产出的应用经验

奥迪3D金属打印中心

工业级设备

购入3D打印机、输入CAD数据、开始打印过程、完成优化组件制作，当用户真正开始这一流程时就会发现，生产出合格的零件并不是那么简单，而奥迪在2014年就将打印的金属部件直接安装在了汽车上。其所属的整个大众集团在全球拥有120多家工厂，可开展金属和塑料3D打印，奥迪Ingolstadt金属打印中心拥有3台金属机—EOS M400、290以及SLM Solution 280 HL。基于粉末床的SLM技术对于汽车制造来说无疑是最先进和成熟的，而诸如多激光束、独特的气体过滤技术以及成熟的工艺输出确保了零部件的高效率和高质量制作。经过多年摸索，3D打印已经在其公司内部产生出了奥迪标准。

专业的3D打印技术团队

Ingolstadt金属打印中心隶属模具制造部，具有独立生产车间。为实现高效产出，奥迪改装了SLM送粉系统，配备材料仓库、后处理室以及热处理车间，并拥有多名工程师和技术人员分别处理不同的任务。为了使打印部件达到要求的高质量，应用工程师必须非常了解设备。

奥迪实现高效3D打印产出的应用经验

热成型工具

工程师在真正开始打印之前就需要很多经验。除了要符合增材制造的设计结构外，还需要考虑零件结构强度、可能发生的变形、支撑结构设置以及零件的摆放位置等。虽然设备商都会对此进行培训并提供技术支持，然而金属打印过程复杂多变，仅仅依赖设置好的得工艺方案远远不能解决所有问题，高质量零件的打印需要依赖应用工程师的专业知识以及对可能出现问题的反应能力，这也是为什么奥迪需要受过专门训练的员工，金属打印团队在此方面积累了大量经验。

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用于钣金零件的切割刀片

经过多年积累，Ingolstadt金属打印中心设备齐全，成功开发多种工艺技术，在设备使用、材料、工艺以及零件设计方面积累大量经验，零部件成品率极大提高，损坏已经很少发生。其负责人声称这归功于多年的积累和以及工程师丰富的经验。

广泛的经验交流

经验技术的交流对于技术的进步直接而高效，Ingolstadt金属打印中心负责人的很大一部分任务是就在大众集团内部进行交流，如与使用其他打印设备的同事一起制定设备和软件开发规范，探讨安全生产条例，零件高精度制作、支撑快速去除的方法等等。当前虽仍没有完善的解决方案，但该中心会将行业的高要求传递给软件和设备开发商。通过这种方法，集团以外的用户也可以在这一模式中受益。

零件打印过程的监控似乎被奥迪格外看重，工程师每次轮班均需拍照记录，对智能监控的需求极为迫切。奥迪期望打印机可以自动评估打印过程，提供反馈并可以进行周期性的工艺调整，而且可以在必要时自动取消打印。但奥迪并未说明对此需求的原因，笔者猜测这可能与零件性能以及打印过程的稳定性有关。

主动寻求技术改进和突破

即使智能监控未能发展到令人满意的地步，但实际上依靠成熟的工艺，设备也可以自动运转，即便周末也无需人为干预。零件打印完成后可在打印中心完成切削、车削和热处理。热处理过程看起来似乎不起眼，但增材制造的零件性能却极大依赖该过程。为材料开发热处理工艺需要相当长的时间，而且激光熔化成型的零件有别于传统的铸造零件，具有不同的微观组织结构，因此需要新的热处理工艺。其实这也为传统的制造商创造了新的业务领域，然而由于增材制造尚未引起传统产业链环节的充分认识，他们对3D打印的零部件尚缺乏必要的知识和经验，而Ingolstadt金属打印中心两年时间打印了4000个零件，这是很大的业务量。

奥迪实现高效3D打印产出的应用经验

在EOS M400侧方位操作

奥迪实现高效3D打印产出的应用经验

奥迪为SLM Solutions280 HL改装了一台粉末给料机

奥迪在增材制造工艺链中投入了大量人力，除了设备自动化和热处理进一步发展外，还包括进行了加快送粉速度、改进设备清洁效率的方法，这些结合在一起的小细节在实际生产中节省了大量时间。

高效产出

Ingolstadt金属打印中心的一个成功案例是转向箱原型的打印，该请求来自前期开发中心。他们将交货时间从七周减少到一周，并将该部件的生产成本降低了10倍，这足以证明3D打印工艺的优势。而且近年来在材料和工艺开发方面取得的进步，使一些3D打印的部件也可用作备件。奥迪也已经在使用这种工艺制造展览模型、预生产车辆和赛车零件。

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lunar quattro铝合金车轮

备件生产是金属打印中心的一个重要项目，他们使用的材料主要是AlSi10Mg。3D打印的W12发动机水冷系统连接件已成功通过奥迪的质量检测，可以接受订购。该团队与奥迪传统售后部门密切合作，在该部件获得成功使用后，他们确定了适合3D打印的其他部件。3D打印用于备件生产，不仅可以减少库存，更关键的是可以减少制造备件生产所需的各种工具，极大降低成本。

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3D打印经拓扑优化的蜂窝结构

金属打印中心三分之一的订单涉及设备生产，如冷却模具插件以及用于工厂和夹具结构的仿生优化组件。3D打印在此方面的优势包括模具冷却效率的大幅提升以及仿生组件重量的减轻，例如用于固定装置的零件以前重12kg，经过仿生设计和3D打印制作，重量减轻三分之一。通过这种方式，生产的设备可以更轻、工作效率更高，甚至生产质量也得到提高。