傳統(tǒng)制造業(yè)是如何運(yùn)作的？
1、傳統(tǒng)工藝：從設(shè)計師到制造商
如何將一個想法變成現(xiàn)實？幾十年來，這一直是一個古老的故事。工程師設(shè)計零件并決定其形狀、材料和其他因素，就這樣，一個基本的原型就可以被制造。但是，當(dāng)涉及到制造最終用途的零件時，工程師必須找到一個制造商能夠使零件達(dá)到專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)模。零件可以在任何地方設(shè)計，但是制造這些零件需要大量的機(jī)器。
根據(jù)所制造的零件，制造商可以使用任意數(shù)量的制造工藝來制造。它們可以使用機(jī)械加工，其中一大塊金屬被切割成所需的尺寸和形狀；它們可以將金屬片彎曲和壓印成一種新的形狀；它們可以使用鑄?；蚬ぞ邚囊后w塑料中制造大量零件。
像這樣的傳統(tǒng)制造工藝是非常有用的，并將繼續(xù)使用多年。然而，他們也有自己的缺點。
2、傳統(tǒng)制造業(yè)的弱點：
1）廢料；
2）附加設(shè)備；
3）熟練勞動力。
傳統(tǒng)制造技術(shù)中最常見的一種是“減法制造”。這個術(shù)語是用來描述那些將一大塊不成形的材料切割成所需形狀的過程。最常見的減法制造形式是數(shù)控加工。但是，雖然減法制造對于高質(zhì)量材料的加工是很好的，但它并不總是有效的。這是因為用減法工序制造零件必然產(chǎn)生多余的材料：起始塊或“工件”必須大于一部分，因為工具最終會將其切割成符合尺寸的零件，所有被切下來的東西都變成了廢物。
此外，傳統(tǒng)的制造工藝往往需要額外的設(shè)備。鑄造過程需要一些東西，如模具和模具，這需要時間和金錢來制造，但當(dāng)工作完成或達(dá)到壽命時，它們最終會被丟棄。
，實際安裝和操作這些傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)是一個小問題。傳統(tǒng)的機(jī)器通常占用很大的占地面積，這就產(chǎn)生了對大工廠空間的需求，而這是需要花費大量的資金來租賃或購買的。雖然有些過程（例如數(shù)控加工）是由計算機(jī)控制的，但許多過程需要熟練的機(jī)械師手工操作。所有這些問題都成了企業(yè)進(jìn)入傳統(tǒng)制造業(yè)的阻礙。

增材制造現(xiàn)在定義了用于創(chuàng)建新零件和產(chǎn)品的大型工業(yè)（和業(yè)余愛好）系統(tǒng)。更常見地稱為3D打印，此類別中的大多數(shù)系統(tǒng)的特征在于它們逐層構(gòu)建零件的方法。
各個系統(tǒng)之間存在顯著差異，目前存在10種類型的3D打印。但是，這些和更典型的工業(yè)流程之間的主要區(qū)別可以分為幾類：
1、速度定義了從設(shè)計到完成可以制造給定部件的速度。
2、成本是創(chuàng)建單個零件所需的平均資金數(shù)額。
3、質(zhì)量是衡量零件和程度的現(xiàn)實標(biāo)準(zhǔn)。
4、一致性是在相同的制造運(yùn)行之間“相同”部件的相似之處。
5、靈活性定義了在制造過程中可以輕松定制或修改設(shè)計。
6、可訪問性粗略衡量一個人或企業(yè)可以輕松獲得創(chuàng)建零件或產(chǎn)品的方法。
7、可持續(xù)性是對單個零件制造產(chǎn)生的廢物量的粗略衡量，以及與其他工藝相比，零件可以回收的難易程度。

1.金屬材料3D打印技術(shù)
三維打印的鈦合金大整體主軸承結(jié)構(gòu)等大型零件的金屬材料性能可以達(dá)到或接近鍛件的水平。利用三維打印技術(shù)對渦扇發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行修復(fù)，實現(xiàn)了三維打印和零件基體結(jié)合區(qū)域的性能，以滿足零件的要求。與傳統(tǒng)焊接相比，金屬3D打印修復(fù)具有以下特點：
主要結(jié)果如下：(1)熱影響區(qū)小，不影響基體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布；
（2）無需加熱及后續(xù)熱處理;
（3）3D打印結(jié)構(gòu)緊湊，與基體冶金結(jié)合，性能接近零件原始結(jié)構(gòu)。
(4)三維打印區(qū)的組織和性能達(dá)到鍛件的水平；
（5）自動化控制，加工余量少。
1.1 大型鍛件局部3D打印成形
以AP 1000核電主管線為例，要求超低碳氮控不銹鋼整體鍛造。鍛件生產(chǎn)的主要難點是形成兩個噴嘴，鍛件的材料利用率低于15%。受渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)葉片三維打印修復(fù)技術(shù)的啟發(fā)，核電主管道的成形可以簡化為鍛造或擠壓不銹鋼管+三維打印噴嘴。該方法可大大降低核電主管道的生產(chǎn)難度和成本。
具有局部難成形特性的大型鍛件，如核電主管線和多噴嘴頭，可通過三維打印成形。該方法在保證鍛件整體質(zhì)量的前提下，大大降低了鍛件的生產(chǎn)難度、成本和周期。此外，大鍛件局部三維打印的思想還可以擴(kuò)展到大鍛件的三維打印拼焊技術(shù)。如果三維打印區(qū)、三維打印區(qū)和基體鍵合區(qū)的金屬材料性能能夠滿足鍛件的要求，說明三維打印焊接鍛件可以替代整體大型鍛件。
1.2 大型鍛件缺陷修復(fù)
大型鍛件表面和內(nèi)部的超標(biāo)缺陷，以及由于材料不足而造成的加工余量不足，可能導(dǎo)致整個鍛件報廢，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和能源浪費。由于焊接組織的性能低于鍛件，鍛件一般不允許補(bǔ)焊，但金屬三維打印技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種情況。目前，金屬3D打印的一些材料性能已達(dá)到鍛造水平。如果三維打印結(jié)構(gòu)與鍛造基體的結(jié)合能夠滿足鍛造的要求，可以采用三維打印技術(shù)對大鍛件的缺陷區(qū)域進(jìn)行局部修復(fù)，提高鍛造合格率。未來，隨著3D打印技術(shù)的改進(jìn)，與大型鑄件的允許補(bǔ)焊類似，大型鍛件也允許3D打印和修復(fù)，這將是大型鍛件生產(chǎn)工藝的革命性突破。
1.3 大型零件在線修復(fù)
發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、渦輪葉片、船用曲軸等大型零部件在使用過程中會出現(xiàn)局部裂紋、磨損和變形。傳統(tǒng)的補(bǔ)焊方法只能通過機(jī)加工、預(yù)熱、焊接、機(jī)加工、熱處理等工藝進(jìn)行修復(fù)。維修工作需要在大型專業(yè)設(shè)備上進(jìn)行，但維修面積的性能低于原零部件組織的性能，增加了維修成本，維修周期和維修效果不理想。由機(jī)器人和3D打印技術(shù)組成的便攜式金屬3D打印設(shè)備，可以改變這種狀況，實現(xiàn)大型零件的現(xiàn)場維修，甚至在線維修。機(jī)器人金屬三維印刷技術(shù)修補(bǔ)大部件的具體操作步驟如下：
（1）確定修理方案，對修理區(qū)域進(jìn)行預(yù)處理；
(2)利用三維成像技術(shù)對修復(fù)區(qū)進(jìn)行三維逆向建模；
(3)將修復(fù)區(qū)域的三維模型轉(zhuǎn)化為機(jī)械手的運(yùn)動軌跡。
(4)確定3D打印參數(shù)，定位機(jī)器人，修復(fù)；
（5）修補(bǔ)區(qū)域的表面處理和檢查。

今天，很多飛機(jī)部件都是3D打印的，當(dāng)然，保證這些部件的質(zhì)量是非常重要的。雖然添加劑制造具有巨大的潛力，但確保印刷質(zhì)量和了解如何達(dá)到預(yù)期的質(zhì)量是一個值得研究的領(lǐng)域。
模擬可以幫助這一點，模擬可以證明和模擬金屬激光熔煉的過程和價值。它不僅有助于減少故障，而且有助于提高零件的質(zhì)量，有助于縮短制造商的學(xué)習(xí)曲線。
你猜怎么著？你不必付這么昂貴的學(xué)費。“
許多制造商不知道如何考慮材料的特性以及這些特性如何影響最終產(chǎn)品或其加工性能。大多數(shù)時候，我們都能得到滿意的印刷效果，基于廠家的不斷嘗試，不斷“交學(xué)費”的結(jié)果。
模擬研究了粉末材料在激光燒結(jié)過程中的行為預(yù)測以及不同材料性能對產(chǎn)品性能的影響。
當(dāng)然，除了材料的特點外，在不同材料添加制造設(shè)備的細(xì)節(jié)上也有許多不同之處。建模和仿真的挑戰(zhàn)是捕捉特定制造商的獨特性。從質(zhì)量和認(rèn)證的角度來看，仿真軟件需要與不同的設(shè)備協(xié)作，根據(jù)物理可量化的機(jī)器參數(shù)建立數(shù)據(jù)文件。其他因素，包括粉末后處理變體，也需要考慮性能的添加劑制造結(jié)果。
這帶來了模擬的復(fù)雜性。相對來說，實現(xiàn)材料添加制造建模所需的幾何形狀比較簡單，難點在于實現(xiàn)非常嚴(yán)格的性能標(biāo)準(zhǔn)，包括強(qiáng)度和疲勞性能，尤其是在航空航天領(lǐng)域。
仿真軟件本身也需要不斷優(yōu)化，這就需要整合整個增量制造生態(tài)系統(tǒng)。仿真軟件需要與機(jī)器制造商合作，以獲得設(shè)備物理參數(shù)的權(quán)利。需要與材料供應(yīng)商合作，確保材料的科學(xué)指標(biāo)是正確的。它需要與測試專家合作，以確保它正在進(jìn)行中。測試的部件是正確的；需要與用戶合作，以確保更多的預(yù)測與實際結(jié)果相匹配。根據(jù)所有材料、設(shè)備和產(chǎn)品的關(guān)鍵信息，預(yù)測如何改變材料、機(jī)器和模型。模擬的最終目標(biāo)是讓人們不需要支付“學(xué)費”，把設(shè)備當(dāng)作測試產(chǎn)品。模擬的目的是為了避免浪費時間、金錢和錯誤。

在過去的幾年里，F(xiàn)-ILT的科學(xué)家們一直在開發(fā)添加激光粉末床融合技術(shù)，從原型技術(shù)到小型復(fù)雜零件的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)。LPBF已被用于航空航天、渦輪機(jī)械、設(shè)備等工業(yè)生產(chǎn)復(fù)雜的功能部件。然而，一個缺點是不可能打印三維硬化零件（金屬零件表面強(qiáng)化工藝）和熱處理鋼：在LPBF工藝中，可以額外制造合適的合金和鍛件，而不會產(chǎn)生裂紋或缺陷。目前，沒有足夠的材料用于工業(yè)制造。
正是由于這個原因，由NRW的Leitmark支持項目支持的四家工廠工程公司SMS集團(tuán)，德國Eelstahlwerke特鋼，Kreeld，F(xiàn)raunhofer ILT分裂錐和F-ILT，啟動了AddSteel項目，以開發(fā)新的鋼鐵材料。AddSteel項目合作伙伴選擇在迭代過程中開發(fā)合金，并對LPBF工藝和設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)整。之后，將為制造將用于測試和驗證性能和成本效益的新組件和備件而構(gòu)建技術(shù)抗議者。
新型合金前景
沃格爾波特說：“短信集團(tuán)已經(jīng)建立了一個工廠，可以噴嘴正確的金屬粉末。"在合金被轉(zhuǎn)化為粉末后,德國EdelasthlWerke特殊鋼目前正在供應(yīng)新的合金,"Fraunhofer ILT"不久將在其LPBF系統(tǒng)上進(jìn)行測試。
任何有興趣的人都有機(jī)會在11號展廳的Fraunhofer聯(lián)合展覽D51上了解更多關(guān)于AddSteel項目的信息。FormNext 2019將于2019年11月19日至22日在法蘭克福舉辦關(guān)于材料制造和下一代工業(yè)生產(chǎn)的展覽和會議。