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3D打印技術的優勢

作者: 來源: 日期:2019/4/11 8:55:42 人氣:1009
規模經濟是支持現代工業經濟的無形力量,工廠和生產線是現代工業社會大規模生產的特點。然而這樣的生產成本并不低,企業必須雇用技術精湛的技術人員和工程師,準確地將概念設計轉化為實際的物品,校準工廠的機器和監督裝配生產線。為了收回前期在設計和生產中的投資,企業必須出售大量的產品,這樣才能從最初的投資中獲益。因此,大規模生產犧牲了產品的多樣性。

  而3D打印的特點是小批量、定制化,降低了新產品推向市場的風險和成本。人們無需裝配線也不需要工廠,也不需要雇用熟練的設計師、工程師。3D打印無需機械加工或模具,就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的物體,從而極大地縮短了產品的生產周期,提高了生產率。盡管仍有待完善,但3D打印技術市場潛力巨大,勢必成為未來制造業的眾多突破技術之一。通過具體分析,我們認為3D打印技術至少包含以下十個方面的優勢。

  (1)設計空間無限
  傳統制造技術和工匠制造的產品形狀有限,制造形狀的能力受制于所使用的工具。例如,傳統的木制車床只能制造圓形物品,軋機只能加工用銑刀組裝的部件,制模機僅能制造模鑄形狀。而3D打印機可以突破這些局限,開辟巨大的設計空間,制造出傳統工藝難以加工甚至無法加工的產品。

  (2)改善產品設計
  原型是產品的初稿,它有助于設計師、工程師和制造商進行多重反復的檢查,真切地體驗產品的外觀、手感。傳統的原型是利用泡沫或黏土進行手工制作,通過3D打印快速創建概念模型,設計者和客戶之間能夠更好的交流。在傳統的工業制造,如果一個設計概念在制成產品之后存在缺陷,企業需要承擔大量材料的浪費成本。而利用3D打印技術制作概念模型,能夠快速調整最初的設計并不斷改進。

  3D打印的汽車組件產品原型
  除了概念設計之外,3D打印還被用于創建功能性原型,因為3D打印技術制成的物品本身具有耐高溫、耐化學腐蝕等性能,通過對原型進行各種性能測試,以改進最終的產品設計參數,大大縮短了產品從設計到生產的時間。3D打印加快了設計進程,在產品的安全性和合理性設計、人體工程學設計、市場營銷和設計等方面不斷改善,從而實現在將產品全面投入生產前對其進行優化,創造出更好的產品。

  利用功能性測試的3D打印膠帶座
  (3)多樣化生產不會增加成本
  就傳統制造而言,物體形狀越復雜,制造成本越高。但對于3D打印機而言,制造形狀復雜的物品其成本并不會相應增長。另外,傳統的制造設備功能較少,做出的物品形狀種類有限。一臺3D打印機可以打印不同的形狀,它可以像工匠一樣每次都做出不同形狀的物品。這種制造多樣化而不增加成本的打印將從根本上打破傳統的定價模式,并改變我們整個制造業成本構成的方式。

  (4)產品無需組裝

  3D打印具備一體成形的特點,這樣對減少勞動力和運輸方面的花費有顯著的幫助。傳統的大規模生產是建立在產業鏈和流水線基礎上的,在現代化工廠中,機器生產出相同的零部件,然后由工人進行組裝。產品組成部件越多,供應鏈和產品線都將拉得越長,組裝和運輸所需要耗費的時間和成本就越多。而3D打印一體化成形的特點,無需再次組裝,從而縮短供應鏈,節省在勞動力和運輸方面的花費。

  美國通用(GE)制造的一體成型的發動機噴嘴,原本由20個部件組成

  (5)縮短交付時間
  3D打印因為可以根據人們的需求進行打印,這種即時生產將大大減少企業的庫存量,使得企業能夠根據用戶的需求來啟動3D打印機,制造出定制的產品來滿足客戶需求,所以新的商業模式將成為可能。如果人們所需的物品可以按需就近生產,那么這種零庫存、零時間交付的生產方式還可以減少長途運輸的成本。

  (6)制造技能門檻降低
  傳統的制造機器需要熟練的專業人員進行機器調整和校準,培養一個嫻熟的工人往往需要幾年的時間。而3D打印機所需要的操作技能將比傳統設備少很多,因此3D打印的出現將顯著降低生產技能的門檻。這種擺脫原來高門檻的非技能制造業,將進一步引導出眾多新的商業模式,并能在遠程環境或極端情況下為人們提供打印服務。

  (7)不占空間,便攜制造
  3D打印機可以自由移動,并制造出比自身體積還要龐大的物品。例如,注塑機只能制造比自身小很多的物品,而部分3D打印機能夠制造出比自己大很多的物品。另外,民用消費級3D打印設備還可以自由移動,由于其較高的便攜性,出現了一批家用或桌面型的3D打印機,這些都是有賴于3D打印機所需更小物理空間這一優勢。

  桌面級3D打印設備

  (8)節省原材料
  傳統的金屬加工有著十分驚人的浪費量,一些精細化生產甚至會造成90%原材料的丟棄浪費。而3D打印機的浪費量將顯著減少,隨著打印材料的進步,3D打印“凈成形”制造將成為更加節約環保的加工方式。

  利用激光近凈成型技術(LENS)制造飛機發動機葉片

  (9)材料無限組合
  傳統的制造機器在切割或模具成型過程中難以將多種原材料融合在一起,3D打印的原材料之間可以任意組合,制造出人們想要的性能結構。比如在尼龍-玻璃纖維或者尼龍-碳纖維復合材料能夠提高尼龍的機械性能,在鎳合金粉末里加入50%的鈦金屬可以顯著提高性能,現在已有科研人員在進行碳納米管、石墨烯等復合新材料的研發。

  世界首輛尼龍-玻纖復合材料的3D打印汽車

  (10)精確的實體復制

  傳統的磁帶只能通過實體物理傳遞來確保信息不被丟失。而數字音樂文件的出現使得信息脫離了載體,可以被無限次復制而不降低音頻質量。3D打印技術也有望在整個制造領域把數字精度延伸到實體世界之中。3D掃描和3D打印技術將共同提高實體世界和數字世界之間形態轉換的分辨率,縮小實體世界和數字世紀之間的距離。

  3D掃描之后打印的人像

  以上部分優勢有的已經得到證實,有的可能會在未來二三十年成為現實。3D打印將一次次突破人們熟悉的、歷史悠久的傳統制造技術瓶頸,推陳出新,為人類以后的制造創新提供一個更加廣闊的舞臺。
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