增材制造的兴起

理查德•黑格(Richard Hague)教授的桌子上散落着一大堆奇怪的东西:一个小型喷气发动机模型、一个柴油燃油泵外壳、一件背部有拉链的锁子甲、一个足球护膝和一只骨骼很小的手。一组看似随机的物体，但有一个重要的共同点:它们都是由机器制造的，可以用来从头开始打印功能部件。

黑格是拉夫堡大学世界领先的增材制造研究小组(AMRG)的负责人，他解释说，这些所谓的“增材”机器使用一系列基于激光或先进的打印技术来逐层建立模型，与传统制造技术相比，具有许多令人信服的优势。

他们能够从头开始构建令人难以置信的几何复杂性模型，省去了工具成本。另外，几乎没有浪费。传统的“减法”制造工艺通常会去除高达95%的原材料，以达到成品部件，而增材制造机器只使用制造零件所需的材料。

“这项技术几乎是你能得到的最接近涅槃的技术。”

Richard Hague教授，AMRG

但最引人注目的是，黑格解释说，这项技术给了设计师几乎无限的自由。“它将你从传统制造工艺的束缚中解放出来。它改变了你可以制造的产品种类和你设计东西的方式。你可以做出非常非常复杂的几何图形。这几乎是你能体验到的最接近涅槃的音乐。”Critically, this unprecedented design freedom enables the production of lightweight optimised components that are impossible to make with traditional techniques. Hague is effusive on the possibilities and potential of the technology, and in particular the UK’s expertise in the field. ’We talk a lot about new industry and new jobs, high-value manufacturing and advanced manufacturing - it fits any of those definitions,’ he said.

令人欣慰的是，他并不是唯一一个支持这项技术的人。事实上，英国拥有许多可以恰如其分地将自己描述为世界领先的集团。该领域的另一位领导者是Dan Johns，他领导着位于布里斯托尔附近EADS创新工厂的增材层制造中心(CALM)。约翰斯说:“即使完全不改变组件，增材制造(ALM)也意味着你从地下提取的材料减少了26倍。”这不仅仅是节约材料的问题。“寻血猎犬”超音速汽车项目的工程顾问约翰·派珀(John Piper)一直与约翰斯的团队合作，他概述了其他一些好处。“机械加工从一块铝或钛开始，”他说。“生产这种钢坯的过程需要大量投资:热处理、轧制、再加热、切割，然后送到机器上。”再加上制作工具的问题，甚至在开始加工之前，你就会看到非常重要的过程输入。而在传统的机械加工中，大部分昂贵的材料都被扔进了屑桶里。”

ALM为航空业解决了一个长期存在的问题

在EADS，约翰斯举起了一个笨重的金属部件，看起来像一把带弯柄的方形园艺铲。他说，这是一架A380飞机起落架的一部分，是用传统机械加工制造的。“以此为出发点，我们使用计算机应力分析和拓扑优化来揭示该组件的载荷和应力位置，并使用这些数据来设计仅由承载载荷的部分组成的组件。”

然后，他举起了一个由优雅的、有机的金属曲线组成的部件，这些曲线围绕着该部件与起落架结构的其他部分连接的点流动。它像一个按比例放大的鸟的头骨。他说，这就是你用ALM做出来的东西。“它的结构很复杂，但由于我们是一层一层地建造它，所以这根本没有什么区别。”它的重量不到原来部件的一半，我们已经去掉了所有多余的重量，但它的功能完全相同。”

这个过程从一个CAD文件开始，对组件进行三维建模。一旦实体模型就位，工程师们就必须做出制造决策——其中最重要的是构建组件的层的方向。这在很大程度上仍然是一个判断问题，没有自动或计算机化的捷径——约翰的团队将其描述为“ALM的黑色艺术”。但是，一旦决定了这一点，ALM机器本身就会接管，将模型切割成层，层的厚度取决于机器的类型和使用的材料。

有趣的是，这是英国另一个重要的利基工程专业领域之一，有助于推动增材制造行业向前发展。CALM团队的许多成员来自赛车运动，约翰斯认为英国在这一领域的主导地位对开拓ALM专业知识有积极的帮助。

“我们的技术可以制造出比我们设计出的更复杂的东西。”

Richard Hague教授，AMRG

“是f1让我进入了ALM，”他解释道。“我们一直在使用CAD通过快速原型制作实体模型，然后在风洞中进行测试。”The system used most often was stereolithography, which uses a liquid resin solidified in layers by a UV laser. ’We wanted to go beyond that to see what we could do with metal-based systems and other polymers, and see where that could fit in to the production cycle.’ Scaling up the process from models to full-sized components was an obvious step, which led Johns to EADS.

他认为这条路线极其重要，是英国的真正优势。他说，赛车行业是航空航天和汽车供应链之间的桥梁。“它已经成为一个论坛，例如，习惯于研究战斗机中使用的高科技工艺和材料的人，与具有大规模生产背景的人混合在一起，他们专注于在短时间内解决具体问题。”这是让ALM等技术以实用的方式进入主流的重要途径。

回到拉夫堡，黑格的团队正在积极解决许多挑战，这些挑战可能有助于将该技术进一步推向制造业的主流。其中最雄心勃勃的项目之一是由tsb资助的300万英镑的Atkins项目，该项目旨在研究航空航天和汽车行业如何从这项技术中受益。

黑格的团队领导着一个包括波音、维珍航空、宾利、德尔福和英国机床公司MTT在内的财团，他们正在研究增材制造技术如何帮助减少零部件生产和使用过程中的浪费、重量和排放。黑格解释说:“如果你在生产阶段使重量更轻，你使用的材料就更少，如果你在使用阶段使重量更轻，你使用的燃料就更少——这是双重打击。”

事实上，航空航天业尽管保守主义盛行，但采用增材制造工艺的历史相对较长。波音公司大约在10年前就在F18上安装了激光烧结冷却管道，787梦想飞机也采用了一些非关键的激光烧结部件。与此同时，空客公司正在测试约翰团队制造的部件，包括控制面、冷却系统、减轻重量的起落架和支架部件。

英国增材制造咨询公司Econolyst的总经理菲尔·里夫斯博士(Phil Reeves)表示，这项技术还为航空业长期存在的问题提供了一个有趣的解决方案。他说，一旦飞机起飞、首次飞行并着陆，CAD数据就不再有用了，因为飞机已经改变了形状。根据里夫斯的说法，增材制造技术可以使飞机公司生产经过优化的替换零件和备件，以适应这些变化。

“我们已经确定了培育全尺寸客机机翼的前景。”

丹·约翰斯，EADS

但到目前为止，增材技术的最大采用者是医疗设备行业，在世界各地，许多患者都在使用由临床医生用激光烧结机生产的髋关节置换术、牙冠甚至颅骨植入物。事实上，增材制造最大规模的应用是助听器的生产，定制助听器外壳现在几乎完全使用增材制造技术。

然而有趣的是，里夫斯声称，在医学界采用这项技术的最大推动力不是定制，而是经济。他说:“目前，在植入物中使用金属添加剂的兴趣主要是为了负担得起的医疗保健。”“例如，髋臼杯(髋关节的窝)的传统制造工艺是通过CNC加工的滴锻，然后在上面涂上一层涂层，让骨头生长到涂层中。”有了添加剂，因为我们是在颗粒中建造的，我们可以改变密度，使植入物的表面有多孔性，这样你就不必再经过二次下游的陶瓷操作。便宜多了。”

不仅仅是现有的工程部门在推动该领域的创新。有趣的是，许多增材制造机——本身就是小批量产品——都是由增材制造机上制造的零件制造而成的。“制造这些机器的人用机器制造机器，”里夫斯说。一台EOS机器有24个部件是在EOS机器上制造的

里夫斯还对一些使用增材技术生产产品的在线消费企业的出现感到特别兴奋。例如，新加坡公司Jujups网站的访问者可以设计他们自己的个性化马克杯，然后用增材制造机生产，而荷兰消费品公司Freedom of Creation现在是世界上最大的激光烧结产品生产商。

但是，虽然这种模式帮助增材制造行业打下了一些基础，但它有潜力为要求苛刻的应用创造功能组件，这对工程师来说是最令人兴奋的。

那么，增材组件是否可以用于高应力承载应用?

里夫斯说，从理论上讲，生产的组件已经足够强大，可以在大多数测试场景中使用。理论上，金属增材制造的零件具有比铸造的更好的机械性能，并逐渐趋向于锻造，但目前在材料和工艺质量方面还没有统一的标准。他说:“一旦我们开始看到一些公认的测试标准，我们就会看到人们开始对这项技术抱有信心，并将其投入应用。”

一个要求很高的工程项目，即试图创造陆地速度纪录的“猎犬号”(Bloodhound) SSC，已经在考虑用ALM制造高负载组件(见下框)。但对于大型生产项目来说，资质问题至关重要。EADS是面临这一挑战的公司之一，正致力于通过将ALM组件送入太空的项目实现标准化。

ALM工程师克里斯·特纳正在为今年发射的Astrium通信卫星设计组件，特别是在发射过程中保持精密太阳能电池板折叠在卫星旁边的控制和释放机制。他说，这将由六个部件组成的组装取代为一个部件，从而减少了零件数量，省去了大量的组装。由于每颗卫星都是定制的，ALM的小体积能力使其成为设计组件的理想选择。此外，如果它们能经受住火箭发射的高重力和振动，就会给其他行业的客户信心，让他们相信这项技术适用于他们。

“这都是资格认证过程的一部分;用户必须确保组件能够正常工作。”这贯穿了整个过程;我们必须对颗粒大小、激光功率和脉冲持续时间等各个方面进行限定。但一旦我们做到了这一点，我们就可以开始扩大思路了。”

但这并不完全是监管的问题，尽管如今的增材制造部件质量很高，但这项技术仍有巨大的改进空间。

一个主要问题是当前机器的灵敏度，需要仔细优化以产生所需的机械性能。

黑格说:“目前这些都是相当精密的机器。”“为了得到一个完美的优化组件，你必须对机器进行特征描述。

“保持温度非常困难，而且在不同的日子、不同的建筑和不同的地点，激光烧结机往往会得到不同的性能——如何控制机械性能是一项研究挑战。”

另一个问题与提高人们对这项技术能力的认识有关。“我们仍处于将这些系统用于生产的早期阶段，”里夫斯说。“许多增材制造机器的用户仍在使用它们制作原型，而不是进行生产。”Hague agreed that educating companies about the opportunities created by additive technology is a stiff challenge. ’If you’re a designer in company making a component, to design it in a different way using a different material and a different process is quite a big ask.’ The technology, he said, needs vocal champions.

另一个阻碍增材技术广泛应用的技术问题是现有设计软件的局限性。

黑格说:“传统的CAD系统和设计工具并不能真正胜任处理这种复杂性的工作。”我们的制造技术可以制造出比我们实际设计出的更复杂的东西。我们的研究小组付出了很大的努力来开发新的软件技术。”At EADS, Johns is experiencing the same problem and looking at imaging software used in the creative industries, such as computer gaming, and in medical visualisation systems for inspiration.

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里夫斯设想在未来十年里会有一些更根本的进步。他说，目前我们倾向于用一种材料制造零件。“但我们将开始看到功能嵌入到零件中:电子轨道，光学轨道，具有不同应变特性的不同材料，甚至可能在零件制造时打印传感器。”他认为，以这种方式取代多个制造操作将使增材制造工艺更具成本效益。

Johns解释说，目前围绕这一问题的研究主要集中在聚合物成分上。“目前，ALM中使用的聚合物是低模量的;他说，你不会想把它们放在飞机上。“我们的很多研究都是针对PEEK等高性能聚合物，这让我们有机会引入碳纳米管技术等新技术。”

Johns说，EADS团队已经成功地在ALM结构中生长出了排列整齐的纳米管。他说，围绕一种我们称之为优托品的材料，我们开发了很多知识产权。“这是未来的幻想，但我们可以将碳纳米管的价值带入材料系统，控制材料的结构和功能。”这将使我们能够考虑嵌入式传感器技术。你甚至可以用它们来变形翅膀。”

里夫斯说，下一代机器将利用先进的技术变得更快。“我们将不再采用传统的方法，即获取单个能量点并前后光栅化。我们会把整层都暴露出来，然后让它们闪光。”

考虑到新一代大型、更快的增材机器构建先进功能部件的愿景，这些部件受到最厌恶风险的行业的信任，我们似乎有理由问一问，这种新的制造技术先锋能否取代传统工艺?

“我不认为我们会看到模塑或机械加工的消亡，”里夫斯说，“但我们肯定会看到专门的制造设施使用这种技术，我们也会看到这些技术开始出现在传统的车间里。”

事实上，根据约翰斯的计划，ALM将在飞机制造业占据重要地位。他说，在我们的技术路线图上，我们确实从支持alm的制造系统中发展出了大规模的结构。“这确实意味着我们有可能研制出全尺寸客机的机翼，我们计划在2020年以后的某个时候研制。”“这不是一个牵强的想法，”约翰斯坚持说。“去北威尔士的布劳顿(空客机翼制造工厂)，你会看到35米长的龙门式加工中心，上面有CNC头，用于定制整个机翼外壳的加工。把加工头换成激光沉积头，你就可以马上看到各种可能性。”

但也许ALM可能带来的最大改变是工程师的工作方式，事实上，这是一种时间上的改变。CALM的ALM工程师克里斯·特纳说，这项技术恢复了设计师和制造商之间的联系，这种联系可以追溯到工业革命时期和第一批工厂。“我们得到即时反馈;我们可以做出改变，重新设计和重建。它让我以不同的方式思考工程和制造;这是一种解脱。”

接下来是什么

桌面的工厂

增材机械打入消费市场

今年早些时候，惠普(Hewlett-Packard)推出了一款“价格实惠”的台式3D打印机，批评人士对其11200英镑的价格嗤之以鼻。这并不是一些人所期待的人民打印机。

但是，随着这项技术的普及，成本将不可避免地下降，许多人认为，用不了多久，增材制造机的消费市场就会真正起飞。

增材制造行业顾问菲尔•里夫斯博士(Phil Reeves)说，我们将看到低端入门机器的价格不断下降，最终变成消费品。“在10年内，我想不出有什么理由我们不能生产出低于500英镑的机器。”

“世界上有数以百万计的爱好者——无论他们是在制造遥控汽车、逼真的军舰复制品还是机器人战争中的机器人，只要一家大型电子公司就能看到其中的价值。”

“我们将看到生产机器和这些低成本制造技术之间的真正分歧，”里夫斯说。“我不明白为什么不认真对待工业设计的人在几年内不会拥有一台机器。这就像你办公室里有一台激光打印机一样普遍。”