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分布式增材制造生产需要做好哪些准备?

来源:国际工业激光商情 发布时间:2023-03-10 211
工业金属加工工业激光激光设备零部件光学材料与元件其他 3D打印
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——来自GKN Additive公司的启示

分布式制造的前景很诱人,但要实现这一目标,增材制造首先需要掌握大规模生产。GKN Additive在美国密歇根州的工厂展示了这段旅程可能会是什么样子。

幸运可能会眷顾大胆的人,但在增材制造行业,工作需要是要有准备的。至少在增材制造的厂商在向分布式制造进军市场中,会选择这样做。如今的增材制造厂商如何在日益敏捷的生产环境中取得成功?


至少部分答案可以在GKN Additive的生产基地找到。此前,Forecast 3D公司的增材制造业务被总部位于英国的GKN PM收购。现在公司的大部分厂房已经指定用于增材制造研发、制造和生产,为未来的机会做好准备。


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通用汽车2022 款雪佛兰Tahoe 的TPU 密封件,如图所示(顶部)和蒸汽处理后(底部)


在过去7年多里,GKN Powder Metallurgy一直在为增材制造的未来做准备。凭借在冶金和通过冲压、烧结和金属注射成型(MIM)等技术生产零件方面积累了丰富的技术经验,该公司在增材制造方面的首次重大尝试是作为惠普(HP)的金属粘合剂喷射(metal Jet)的合作伙伴,其技术组合还包括用于生产金属零件的激光粉末床熔融。


2019年对Forecast 3D的收购将聚合物3D打印纳入到GKN PM的产品组合中。Forecast 3D位于加利福尼亚州的卡尔斯巴德工厂,拥有世界上最大的多喷射融合(MJF)打印机装置之一。在过去3年中,两家企业致力于将不同的知识基础、文化和资源整合到一个具有凝聚力的增材制造业务中。


新的奥本山工厂是实现这一整合的又一步,聚合物和金属增材制造设备在同一地点,并专注于零件生产。在今年年底之前,该工厂计划运行一批高生产率的聚合物和金属增材制造设备。副总裁Ken Burns表示:“这不是为了制作原型,而是一个高效的制造车间。”虽然一些研发工作将在这里进行,但奥本山工厂将用于金属和聚合物的增材制造,无论是长期还是短期。

准备是灵活生产的基础


长期、批量生产是GKN PM在传统金属零件制造业务中的强项。当该公司第一次涉足增材制造行业时,持续生产就成为了既定目标。金属3D打印特别是粘合剂喷射,被视为原型制作和全尺寸金属注射成型或冲压和烧结之间的一步,GKN PM预计增材制造将在较低但仍然重要的持续生产水平上打开新的商机。


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奥本山工厂还拥有一对用于聚合物零件生产的Carbon M2,这项技术补充了HP Multi-Jet Fusion 的能力


短期、快速和灵活的工作是增材制造业的发展方向,即使在汽车行业也是如此。事实上,奥本山工厂已经生产的零件中有90%是为这些客户提供的。电动汽车(EV)市场的不断增长是主要原因之一,但该公司也在传统燃油车市场寻找机会,特别是在增材制造可以快速交付零件并解决供应链挑战的领域。


GKN Additive总裁John Dulchinos在去年举办的“2022年RAPID+TCT”活动上发表讲话,讲述了该公司如何利用多喷射融合的产能生产2022年通用雪佛兰“Tahoe”车型所需的6万个零部件。在这款车上有一个后期增加的部件,需要提高汽车的燃油经济性。该零件的生产因模具需要12周的准备时间而推迟。因此,GKN Additive与合作伙伴BASF Forward AM和Additive Manufacturing Technologies(AMT)合作开发了替代方案。该公司最终用巴斯夫的Ultraint TPU1热塑性粉末3D打印了密封件,而AMT则提供了饰面所需的蒸汽平滑。在短短6周内,就交付了全部数量的零件。


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两台MJF 打印设备后面的空地,将有更多其他设备加入,为之后的灵活生产做好准备


这些零件代表了一种紧急情况,是GKN Additive偶然获得的一次机遇,但也是通过计划获得的。3D打印能够在一半的时间内交付零件,而且GKN Additive已经与通用汽车建立了关系,成为该汽车制造商的合格供应商之一。有意地追求和抓住未来的生产工作,将意味着以同样的方式做好准备,为可能出现的情况保持准备。

增材制造准备就绪的六大特点


1.多种材料
在这种情况下,GKN PM在粉末金属方面的既定传统得到了为多喷射融合平台开发的聚合物材料的补充。对于一家长期经营的金属公司来说,采用生产聚合物增材制造似乎有些奇怪,但该公司投资的主要解决方案有一个共同的特点,即它们是为规模而开发的。


Dulchinos说:“GKN PM是一家纯粹的制造公司。该公司正在开发用于交付大量3D打印零件的系统,无论这些零件是聚合物还是金属。未来,聚合物的打印零件可以替代机械加工、铸造或成型的金属零件,从而实现的重量和成本节约。


2.多个平台
GKN Additive的奥本山工厂还将在应用材料的工艺和设备类型方面实现多样化。在金属打印方面,该工厂配备了多台EOS M290打印机,用于金属的激光粉末床熔融,并将增加一台EOS M400,以承担新的生产任务。HP金属喷射平台形式的粘合剂喷射平台将紧随其后。在聚合物方面,奥本山工厂同时设有HP Multi-Jet Fusion和碳数字光处理(DLP)3D打印机。


3.在客户附近
接近市场可以让增材制造厂商减少运输并加快交货时间,但位置对新产品的开发也至关重要。虽然GKN Additive在加利福尼亚州卡尔斯巴德的工厂拥有北美最大的MJF打印机,但奥本山工厂也有必要拥有自己的MJF产能。


这是因为在密歇根州,与汽车客户的合作要容易得多,也更方便。当客户能够直接接触到制造现场时,正确的设计可以更快地实现,即使全面生产后来可能发生在卡尔斯巴德。


4.后处理和精加工
2022年5月,奥本山工厂的后处理仅限于部分拆包、去粉和切断,而其他工作则在场外进行,通常在卡尔斯巴德进行。正如Dulchinos所言,客户想要成品的零件。此后,聚合物增加了蒸汽抛光、喷丸和染色,金属的额外加工和热处理能力也在进行中。奥本山工厂将这些步骤纵向整合再次提高了交付打印产品的准备程度。


5.开放式设备的容量
在传统的制造工艺中,如铣削这道工序,全尺寸加工的数量可能非常大而且生产会持续进行,这时企业会购买一台新设备专门用于铣削。然而在增材制造行业,需要处理的零件数量较少,市场上立即可用的新设备的饱和度较低。企业增加一台需要几个月才能收到的新打印机,来为一个可能在8周内完成的零件加工,意义不大。
相反,希望利用新机会的增材制造厂商需要有已经存在的加工能力。但这可也能意味着打印设备可能会经常性地处于空闲状态,但这种风险是不可避免的,以便在生产任务到来时有能力承接。


看似过剩的设备却使GKN Additive有可能抓住像通用汽车密封件这样的快速周转的订单需求。Burns说:“在你真正了解应用之前,你就必须拥有技术。”该组织已经在Carlsbad和奥本山工厂两地运营36台MJF打印机,每周可生产数十万个零件,未来的扩张还包括在欧洲增加产能。


6. 敏捷性
Dulchinos和Burns都强调,GKN Additive需要在运营中实现数字化和敏捷化。增材制造生产的零件外观和交货方式与传统制造不同。增材制造的批量更小,交货时间更短,而且零件种类更多。这也是GKN PM收购Forecast3D的部分原因。


Dulchinos说:“Forecast带来了一种高混合的思维方式,填补了专注于大批量的GKN PM之前的空白。在Carlsbad工厂,一天加工的零件可能包括从成本仅为25美元的小型零件到价格为10万美元以上的大批量生产。未来增材制造的模式不是来自生产数百万个相同的零件,而是来自生产数万个不同的零件。”

更远的合作


所有这些特点,都为GKN Additive未来能通过增材制造进行灵活生产奠定基础。这一愿景也将包括在各工厂之间进行生产分配。除了设备和人员方面的差异,密歇根州工厂在地理和气候方面与加州工厂不同,包括温度和湿度的波动也可能直接影响到材料性能和设备运行。


该公司不是在不同的工厂之间复制相同的业务,而是打造分布式制造的产能版块,这种分散和灵活性灵活性将来可以扩展到更大的规模。

作者:Stephanie Hendrixson(Additive Manufacturing责任编辑)


来源:荣格-《国际工业激光商情》

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