การพิมพ์โลหะ 3 มิติจะเปลี่ยนระบบการผลิตอุตสาหกรรมแบบดั้งเดิมอย่างไร

1. การเปลี่ยนแปลงในตรรกะการผลิต: กระบวนทัศน์เปลี่ยนจาก "การลบ" เป็น "เพิ่มเติม"
วิธีดั้งเดิมในการทำสิ่งต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับแนวคิดของ "การกำจัดวัสดุ" ตัวอย่างเช่นการตัดเฉือนซีเอ็นซีค่อยๆก่อตัวเป็นโลหะทั้งหมดโดยการกัดและเจาะ อัตราการใช้วัสดุมักจะน้อยกว่า 60% Metal 3D Printing ใช้เทคโนโลยีการผลิตสารเติมแต่งที่เรียกว่า "Layer by Layer Stacking" วิธีนี้จะละลายผงโลหะด้วยเลเซอร์หรือลำแสงอิเล็กตรอนและเปลี่ยนรุ่น 3 มิติให้เป็นของแข็ง เปอร์เซ็นต์ของวัสดุที่ใช้อาจสูงกว่า 90%
การสร้างเครื่องยนต์เครื่องบินเป็นตัวอย่างที่ดีของการเปลี่ยนแปลงในการคิดนี้ หัวฉีดเชื้อเพลิงเครื่องยนต์ Leap Engine จาก GE Aviation ประกอบด้วยองค์ประกอบ 20 รายการที่พิมพ์ 3 มิติเข้าด้วยกันเพื่อให้กลายเป็นหนึ่งทั้งหมด สิ่งนี้จะลดน้ำหนักลง 25% และเพิ่มการประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิง 15% วัฏจักรการพัฒนาแม่พิมพ์ซึ่งใช้เวลาหกเดือนถูกลดลงเหลือสามสัปดาห์ซึ่งหมายความว่าการทำซ้ำผลิตภัณฑ์ได้เพิ่มขึ้นแปดครั้ง คุณสมบัติ "การออกแบบเป็นการผลิต" นี้ท้าทายกฎเก่าที่ "การผลิตกำหนดการออกแบบ" นอกจากนี้ยังทำให้สามารถสร้างการออกแบบที่มีน้ำหนักเบาเช่นการเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยีและโครงสร้างตาข่าย
2. การปรับโครงสร้างห่วงโซ่อุปทาน: การเปลี่ยนแปลงที่ยืดหยุ่นจาก "การผลิตมาตราส่วน" เป็น "ความต้องการขับเคลื่อน"
การพิมพ์โลหะ 3 มิติกำลังเปลี่ยนวิธีการสร้างห่วงโซ่อุปทานอุตสาหกรรม โมเดล "การทำนายการผลิตสินค้าคงคลัง" ที่ใช้ในการผลิตแบบดั้งเดิมคือการพิมพ์เชิงเส้น . 3 d ในทางกลับกันมี "ในความสามารถในการผลิต -} ความต้องการ" เนื่องจากสามารถผลิตสิ่งต่าง ๆ ได้หลายแห่งในเวลาเดียวกัน กลุ่ม BMW ได้สร้างคลังสินค้าดิจิตอล 3 มิติแรกของโลกสำหรับชิ้นส่วนรถยนต์ สิ่งนี้ช่วยให้ฐานการผลิต 20 แห่งทั่วโลกสร้างชิ้นส่วนแบบเรียลไทม์โดยการแบ่งปันไฟล์การออกแบบผ่านคลาวด์ซึ่งลดค่าใช้จ่ายสินค้าคงคลัง 95%
ในพื้นที่ทางการแพทย์การเปลี่ยนแปลงแบบนี้ก่อกวนมากขึ้น สำหรับผู้ป่วยเนื้องอกกระดูกการปลูกถ่ายไทเทเนียมอัลลอยไทเทเนียมส่วนบุคคลต้องการวงจรการปรับแต่งมาตรฐาน 3 เดือน ในทางตรงกันข้ามเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติใช้ข้อมูลการสแกน CT เพื่อสร้างแบบจำลอง 3 มิติและเสร็จสิ้นกระบวนการทั้งหมดตั้งแต่การออกแบบไปจนถึงการปลูกถ่ายศัลยกรรมใน 72 ชั่วโมง โรงพยาบาลปักกิ่ง Jishuitan กล่าวว่าการปลูกถ่าย 3 มิติที่พิมพ์ออกมาเป็นกระดูกได้เร็วกว่าการปลูกถ่ายมาตรฐาน 40% และเวลาที่ใช้ในการพักฟื้นหลังการผ่าตัดจะถูกตัด 60%
3. ก้าวไปข้างหน้าอย่างมากในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุ: ประสิทธิภาพการทำงานจาก "วัสดุทั่วไป" เป็น "การไล่ระดับสีที่ใช้งานได้"
การพิมพ์โลหะ 3 มิติไม่เพียง แต่เปลี่ยนแปลงวิธีการทำสิ่งต่าง ๆ แต่ยังเปลี่ยนวิธีการวิจัยวัสดุ การออกแบบแม่พิมพ์ จำกัด เทคนิคการหล่อแบบดั้งเดิมซึ่งทำให้ยากที่จะได้รับการกระจายคุณภาพของวัสดุ โดยการจัดการองค์ประกอบของผงและอินพุตพลังงานอย่างระมัดระวังการพิมพ์ 3 มิติอาจทำให้วัสดุที่ให้คะแนน (FGM) ตัวอย่างเช่นในใบมีดกังหันของเครื่องยนต์อากาศยานการเปลี่ยนสัดส่วนของโคบอลต์และอลูมิเนียมในนิกเกิล - ผงโลหะผสมที่ใช้ทำให้รากใบมีดสามารถจัดการอุณหภูมิได้สูงถึง 1200 องศาในขณะที่ปลายใบมีดยังคงแข็งแรงพอ เทคนิคดั้งเดิมไม่สามารถทำให้วัสดุนี้ทำงานได้อย่างที่เป็นอยู่
ความสามารถในการคิดค้นวัสดุนี้ยิ่งใหญ่ขึ้นในขอบเขตของวิทยาศาสตร์ชีวการแพทย์ ทีมมหาวิทยาลัยเซี่ยงไฮ้ Jiao Tong ได้สร้างโครงกระดูกโลหะผสมไทเทเนียมที่มีรูพรุน 3 มิติที่ตรงกับโมดูลัสยืดหยุ่นของกระดูกเยื่อหุ้มสมองของมนุษย์โดยการเปลี่ยนความพรุน (60%-80%) และขนาดรูขุมขน (200–500 μm) หลักฐานทางคลินิกบ่งชี้ว่าประสิทธิภาพการนำกระดูกของการใส่ขดลวดนี้เป็นสามเท่าของการปลูกถ่ายทั่วไปและการเกิดปัญหาหลังการผ่าตัดลดลงต่ำกว่า 5%
4. วิวัฒนาการของนิเวศวิทยาอุตสาหกรรม: การสร้างมูลค่าใหม่จาก "การแข่งขันอุปกรณ์" เป็น "นิเวศวิทยาข้อมูล"
อุตสาหกรรมการพิมพ์ 3D โลหะกำลังสร้างระบบนิเวศเชิงพาณิชย์ใหม่ ผู้ผลิตอุปกรณ์ไม่ได้ขายฮาร์ดแวร์อีกต่อไป พวกเขายังกลายเป็นเต็ม - ซัพพลายเออร์โซลูชันโซลูชันของ "อุปกรณ์+วัสดุ+บริการ" "Metal 3D Printing Cloud Platform" ของ Platinum Technology รวมถึงโมดูลสำหรับการตรวจสอบอุปกรณ์รักษาฐานข้อมูลกระบวนการและการจัดการคำสั่งซื้อ ลูกค้าสามารถใช้แอพเพื่อดูว่าการพิมพ์ของพวกเขาเป็นอย่างไรในเวลาจริงและแพลตฟอร์มปรับปรุงประสิทธิภาพของการเพิ่มประสิทธิภาพพารามิเตอร์กระบวนการ 70%
ข้อมูลนี้ - การเปลี่ยนแปลงที่ขับเคลื่อนในสภาพแวดล้อมนั้นชัดเจนที่สุดในแม่พิมพ์ - อุตสาหกรรม การเริ่มต้นในเซินเจิ้นได้สร้างระบบแม่พิมพ์อัจฉริยะที่ใช้เทคโนโลยีคู่ดิจิตอลและแม่พิมพ์พิมพ์ 3 มิติที่มีเซ็นเซอร์อุณหภูมิและความดันเพื่อตัดรอบการฉีดขึ้นรูปจาก 120 วินาทีถึง 85 วินาที อัตราผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการรับรองเพิ่มขึ้นจาก 92% เป็น 98.5% รูปแบบการพิมพ์ "สมาร์ท" นี้กำลังเปลี่ยนกฎว่าอุปกรณ์อุตสาหกรรมมีค่าเท่าใด
5. ความท้าทายและอนาคต: การย้ายจาก "การพัฒนาทางเทคโนโลยี" เป็น "การทำงานร่วมกันทางอุตสาหกรรม"
การพิมพ์โลหะ 3 มิติมีศักยภาพมากมาย แต่ก็ยังมีปัญหาใหญ่สามประการที่ต้องแก้ไขก่อนที่จะสามารถใช้งานได้ในขนาดใหญ่: อันดับแรกเครื่องพิมพ์ทำงานได้ดีแค่ไหน ความเร็วในการก่อสร้างในปัจจุบันของเทคโนโลยีเลเซอร์เลือก (SLM) อยู่ที่ประมาณ 0.1-1-1 กก./ชม. ซึ่งไม่เร็วพอสำหรับธุรกิจเช่นรถยนต์ที่ต้องการทำสิ่งต่างๆมากมายอย่างรวดเร็ว ปัญหาที่สองคือค่าใช้จ่ายของวัสดุ ราคาของผงโลหะผสมไทเทเนียมคือ 8000 หยวนต่อกิโลกรัมซึ่งเป็นสิบเท่าของราคาของบิลเล็ตปกติ ประการที่สามมีมาตรฐานไม่เพียงพอ มีเพียง 15% ของรายการที่พิมพ์ 3 มิติทั่วโลกมีเกณฑ์การทดสอบเต็มรูปแบบ
ปัญหาเหล่านี้กำลังผลักดันเทคโนโลยีเพื่อสร้างความก้าวหน้าใหม่ กระบวนการ Melting (EBSM) อิเล็กตรอน (EBSM) เพิ่มความเร็วในการก่อสร้างเป็น 5 กิโลกรัม/ชม. โดยการเพิ่มความหนาแน่นของพลังงาน มหาวิทยาลัย Xi'an Jiaotong พัฒนาเทคโนโลยี "Cold Spray 3D Printing" ซึ่งใช้การสะสมอนุภาคของรัฐ - ของแข็งเพื่อสร้างต้นแบบของชิ้นส่วนอลูมิเนียมอัลลอยด์อย่างรวดเร็ว สิ่งนี้จะลดค่าใช้จ่าย 40% เมื่อเทียบกับวิธีการดั้งเดิม คณะทำงานร่วม ISO/ASTM ได้ตีพิมพ์ 23 มาตรฐานทั่วโลกสำหรับการพิมพ์ 3 มิติที่ครอบคลุมกระบวนการทั้งหมดตั้งแต่วัสดุไปจนถึงกระบวนการไปจนถึงการทดสอบ