可扩展的升级潜力篇-2019最脑洞大开的3D打印视频集锦(上)

长期以来,增材制造-3D打印技术被视为一种原型制作方法,随着增材制造设备、材料和软件解决方案的可用性越来越高,增材制造承载着产品创新与重塑能力,日益成为高附加值零部件制造的重要技术。

视频透视3D打印技术令人惊叹的可扩展潜力与产品重塑能力,3D科学谷特地为谷友甄选了2019年之脑洞大开最系列之可扩展的升级潜力篇

block 可扩展的零件

Video_Cover_Siemens_HP视频:多维度迭代,针对成本和功能优化的通风管道案例

大多数熟悉增材制造(AM)的人们都知道,简单地将用于其他制造方法生产的零件通过3D打印来制造几乎没有意义。增材制造的真正优势在于,用来制造传统制造技术难以实现的设计。

但是,根据3D科学谷的市场观察,大多数公司尚不具备能够面向增材制造的设计能力,从而充分利用3D打印技术潜力的方式来实现面向功能实现的优化设计。目前这种深层次的正向设计能力不仅在国内,在世界范围内也是缺乏的。

这种深层次的正向设计能力要求从根本上的范式转变,从人类设计者为主导的世界转变为计算机算法影响主要设计决策的世界。因此,设计和工程领域正在经历从“计算机辅助设计”向“计算机创成设计”的转变。增材制造-3D打印是催化这种设计范式转变发生的技术。

通过单个的结构一体化3D打印零件替换原来的多个组件,一个典型的案例是通过用优化的增材制造零件替换3D打印机的组件,惠普降低了30%以上的成本,并缩短了交货时间。这个结构一体化零件是将冷却空气引入打印头的管道。惠普意识到,如果导管是注模成型的,那么它将需要多达六个单独的零件以及必要的组装步骤来生产。但是,如果使用3D打印技术打印风管,则可以将风管作为单个零件制造,从而节省多达34%的初始成本,并缩短了交货时间。

不过这个案例并不是那么轻松的实现的,最初的时候惠普不知道的是,尽管他们的整合风道设计比传统制造的设计便宜,但效率却不如预期。

由于Multi-Jet Fusion 3D打印机中的打印头在打印过程中会暴露在高温下。热量会对打印头的使用寿命产生不利影响,因此热量管理成为HP Multi Jet Fusion打印机设计的重要方面。

HP为他们的300/500系列打印机设计的风管部件是系统中专门用于机器内部此类热管理的部分。该系统通过风扇和一系列管道将新鲜的冷却空气从打印托架的外部输送到打印头的位置。

尽管该系统通过减少零件的成本进行了优化,但其优化程度还不到一个层次。通过与西门子合作,惠普了解到冷却系统仍有改进的潜力。

如前所述,HP打印机的内部管道已经在HP的初始设计中进行了成本优化。根据3D科学谷的市场观察,通过使用Siemens的STAR-CCM +和NX软件,该团队不仅能够优化管道,而且还能优化管道性能。

利用基于Star-CCM +的计算流体动力学(CFD)模拟的一种拓扑优化,该团队能够实现一种截然不同的风管设计,与传统设计相比,其风道性能预计可提高22%。

此过程的另一个积极成果是减少了设计零件所需的时间。原来的零件通过传统的CAD建模技术进行了四个月的设计。但是,STAR CCM +的仿真驱动设计过程以及使用NX进行几何优化的结果是,最终设计时间仅为4周。

新的设计包含了人类难以手工实现的几何形状,该几何形状专门针对惠普管道系统进行了优化。设计过程是基于对高压通风管系统中气流的模拟,从而获得高度自动化的定制化优化解决方案。这使得对应着不同的冷却要求,所获得的管道部件的几何形状完全不同。

3D科学谷概括起来上述的努力即为新的风管部件在两个维度进行了优化:将多个零件组合为单个零件是第一个优化。第二个维度是将几何形状进一步优化,旨在优化系统性能。在惠普的管道案例中,这种双维度的优化是通过NX和Star-CCM +现代设计和仿真软件实现的。

block 可扩展的金属沉积头

Video_Cover_Fraunhofer视频:可嫁接到任何机器手上的德国 Fraunhofer金属丝激光沉积技术

LMD-W 技术最初是为提升部件的耐磨性而开发的。金属丝材在被激光熔化之后,层层沉积到部件表面。Fraunhofer 还开发了CAD / CAM软件,用于控制材料的逐层构建过程。

LMD-W 技术的特点是,材料在完全熔化后被分层沉积到部件表面,通过适当的CAM 支持和多轴过程控制,材料能够被构建在现有的组件上。Fraunhofer表示该技术的材料利用率可达100%。

基于LMD-W 技术的增材制造设备采用模块化设计,可以经济高效的集成到企业的现有生产线中。其激光打印头适用于常见的激光光学系统,因此不需要复杂的定制光束引导系统。内置传感器可以检测到运行过程中出现的典型错误,因此这些错误能够在加工过程中得到分析,设备的控制系统针对错误进行补偿。

LMD-W 设备采用横向送丝方式,金属丝与光轴成20度角。打印丝材包括多种钢,以及镍基和钛基合金丝材。Fraunhofer 正在研究几种其他合金丝材的适用性。

block 3D打印技术让初创企业具备可扩展性

Video_Cover_Engine视频:3D打印助力初创企业插上腾飞的翅膀

Launcher 是一家成立于2017年初的航天企业,其业务是通过小型火箭向低地球轨道发射卫星,Launcher 与SpaceX,维珍银河,Blue Origin等公司一样,采用3D打印技术制造火箭发动机关键零部件。Launcher 与合作伙伴3T、EOS 开发了3D打印铜合金火箭发动机部件,该部件于2018年已经进行了点火测试。

根据3D科学谷的观察,Launcher去年以来一直致力于开发概念验证发动机E-1,未来三年将开发大40倍的E-2发动机。Launcher火箭发动机中的关键技术是3D打印和分阶段燃烧循环。

3D打印技术的应用可以减少发动机零件数量,缩短开发时间,并且更加易于制造复杂功能集成的部件,Launcher 开发的3D打印铜合金(Cucrzr)发动机部件就集成了复杂冷却通道,这一设计将使发动机冷却效率得到提升。

分阶段燃烧循环中,推进剂流过两个燃烧室,一个预燃室和一个主燃烧室。通过点燃预燃室中的少量推进剂产生的压力可用于为涡轮泵提供动力,涡轮泵迫使剩余的推进剂进入主燃烧室。增加预燃器可以提高燃油效率,3D打印助力实现更高的工程复杂性。

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