3D打印實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能優(yōu)化，加速商業(yè)化

制造企業(yè)應(yīng)用增材制造技術(shù)的原因有幾種，有些應(yīng)用是為了在更短時(shí)間內(nèi)制造出少量產(chǎn)品，有些應(yīng)用則是從材料節(jié)省的角度上考慮，用增材制造技術(shù)制造昂貴的難加工材料，而有一類應(yīng)用則出于優(yōu)化產(chǎn)品功能的目的，即通過增材制造設(shè)計(jì)思維對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，然后用增材制造技術(shù)生產(chǎn)這些創(chuàng)新的產(chǎn)品。

培養(yǎng)為增材制造而設(shè)計(jì)的能力并不是一件簡(jiǎn)單的事情，改變產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思維需要時(shí)間，但是早期利用增材制造技術(shù)開發(fā)功能驅(qū)動(dòng)型產(chǎn)品的制造業(yè)用戶更有機(jī)會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)中迅速超越競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

以增材制造設(shè)計(jì)思維實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能優(yōu)化

金屬增材制造功能驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用并不是為了以3D打印作為概念進(jìn)行炒作，在這些產(chǎn)品中3D打印技術(shù)是一種必要的制造手段。這樣的例子如今已經(jīng)有很多種，例如：

●半徑極小、具有均勻壁厚的高性能發(fā)動(dòng)機(jī)零件；

●具有復(fù)雜內(nèi)部通道的工業(yè)部件；

●具有小型內(nèi)部通道，復(fù)雜外部幾何形狀以及薄壁特征的衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)組件；

●具有復(fù)雜曲面和內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)的他鈦合金自行車車架；

●隨形設(shè)計(jì)的夾具；

●擁有優(yōu)化流體通道的液壓歧管；

●鈦合金、鈷鉻合金等帶有多孔結(jié)構(gòu)的骨科植入物；

●翅片極薄、帶有狹小內(nèi)部通道的熱交換器；

●晶格結(jié)構(gòu)（在不犧牲強(qiáng)度要求的情況下減輕重量）；

●功能性移動(dòng)的組件，如動(dòng)感珠寶；

從以上例子中也可以看到，很多增材制造應(yīng)用是傳統(tǒng)制造技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)或者是通過傳統(tǒng)制造技術(shù)制造成本不合理的產(chǎn)品。通常，用傳統(tǒng)制造技術(shù)比用增材制造技術(shù)貴一個(gè)數(shù)量級(jí)的復(fù)雜產(chǎn)品更適合采用增材制造技術(shù)進(jìn)行制造。

但是這時(shí)并不是簡(jiǎn)單的將傳統(tǒng)制造技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)則下設(shè)計(jì)的產(chǎn)品直接通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)出來，而是需要針對(duì)增材制造技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的功能、性能，比如說使零件具有集成化的功能，使產(chǎn)品變得輕量化但具有良好的剛度等。

商業(yè)化已在路上

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，以上列舉的例子在市場(chǎng)中幾乎都可以看到清晰的商業(yè)化趨勢(shì)，這其中除了包括GE飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴，骨科3D打印植入物等已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的應(yīng)用，還有一些復(fù)雜工業(yè)零部件也進(jìn)入到了商業(yè)化階段，下面是兩種有代表性的應(yīng)用。

- 液壓

意大利液壓件制造商aidro hydraulics 推出了金屬3D打印的液壓閥產(chǎn)品。

在液壓閥塊中有許多管道相交在一起，以往這些交叉歧管是通過機(jī)械加工交叉鉆孔的方式制造的，但由于機(jī)加工的角度限制，通常需要在流道內(nèi)部添加插頭來調(diào)整流量。而當(dāng)采用增材制造技術(shù)制造液壓閥塊時(shí)，則可以對(duì)內(nèi)部歧管管路進(jìn)行優(yōu)化，得到更為優(yōu)化的流體流動(dòng)路徑，帶有優(yōu)化流體通道的液壓閥塊可以通過增材制造設(shè)備進(jìn)行一體化制造，無需在閥塊中另外進(jìn)行交叉鉆孔加工。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，空客也在與其合作伙伴開發(fā)3D打印液壓件，空客目標(biāo)是通過金屬增材制造技術(shù)量產(chǎn)飛機(jī)擾流板液壓件。

- 熱交換器

成立于2011年的英國公司HiETA，正在通過增材制造的方法開發(fā)用于生產(chǎn)各種熱管理應(yīng)用的復(fù)雜、輕型結(jié)構(gòu)的金屬零件。制造的零件包括用于微型燃?xì)廨啓C(jī)的熱交換器、渦輪機(jī)械和燃燒部件，還包括那些用于燃料電池的相變換熱器和綜合廢熱回收系統(tǒng)，以及用于高效內(nèi)燃機(jī)散熱的部件。

傳統(tǒng)上，熱交換產(chǎn)品通常由焊接在一起的薄片材料制成。設(shè)計(jì)的復(fù)雜性使得生產(chǎn)具有挑戰(zhàn)性并且耗時(shí)，而且用于焊接工藝的材料增加了部件的整體重量。

通過3D打印，HiETA生產(chǎn)的零件通常比市場(chǎng)上同等效率傳統(tǒng)方法制造的產(chǎn)品重量輕40％。這是因?yàn)?D打印技術(shù)允許設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)單個(gè)組件中的許多新穎的高性能表面，這些集成式一體化的設(shè)計(jì)對(duì)于傳統(tǒng)加工方法來說是非常困難的。

由于在HiETA之前，很少有專門的機(jī)構(gòu)研究通過增材制造的工藝來制造熱交換器。HiETA在開發(fā)3D打印熱交換器的過程中經(jīng)歷了很多挑戰(zhàn)，包括確認(rèn)3D打印工藝可以成功地制造足夠薄的壁并且滿足剛性等方面的質(zhì)量要求，開發(fā)專用參數(shù)包，開發(fā)用選區(qū)激光熔融3D打印技術(shù)制造熱交換器的設(shè)計(jì)指南和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)等。