In 3D kim loại sẽ thay đổi hệ thống sản xuất công nghiệp truyền thống như thế nào?

1. Một sự thay đổi trong logic sản xuất: một sự thay đổi mô hình từ "phép trừ" sang "bổ sung"
Cách truyền thống để làm mọi thứ dựa trên ý tưởng "loại bỏ vật chất". Ví dụ, gia công CNC dần dần tạo thành toàn bộ phôi kim loại bằng cách phay và khoan nó. Tỷ lệ sử dụng vật liệu thường dưới 60%. In kim loại 3D sử dụng một công nghệ sản xuất phụ gia gọi là "Lớp bằng lớp xếp lớp". Phương pháp này làm tan chảy bột kim loại với chùm tia laser hoặc electron và biến mô hình 3D thẳng thành các vật phẩm rắn. Tỷ lệ vật liệu được sử dụng có thể tăng lên trên 90%.
Việc xây dựng động cơ máy bay là một ví dụ tuyệt vời về sự thay đổi trong suy nghĩ này. Vòi phun nhiên liệu động cơ Leap từ GE Hàng không được tạo thành từ 20 yếu tố được in 3D với nhau để trở thành một tổng thể. Điều này cắt giảm trọng lượng 25% và tăng 15% tiết kiệm nhiên liệu. Chu kỳ phát triển khuôn, từng mất sáu tháng, đã bị cắt giảm xuống còn ba tuần, điều đó có nghĩa là tốc độ lặp lại sản phẩm đã tăng tám lần. Tính năng "thiết kế như sản xuất" này hoàn toàn bất chấp quy tắc cũ "sản xuất xác định thiết kế". Nó cũng giúp tạo ra các thiết kế nhẹ như tối ưu hóa cấu trúc liên kết và cấu trúc mạng.
2. Tái cấu trúc chuỗi cung ứng: Một sự thay đổi linh hoạt từ "sản xuất quy mô" sang "nhu cầu điều khiển".
In 3D kim loại đang thay đổi cách xây dựng chuỗi cung ứng công nghiệp. Mô hình "Hàng tồn kho sản xuất dự đoán" được sử dụng trong sản xuất truyền thống là tuyến tính . 3 d in, mặt khác, có "trên - khả năng sản xuất nhu cầu" vì nó có thể tạo ra mọi thứ ở một số nơi cùng một lúc. Nhóm BMW đã xây dựng kho kỹ thuật số in 3D đầu tiên trên thế giới cho các bộ phận xe hơi. Điều này cho phép 20 cơ sở sản xuất trên toàn thế giới tạo ra các bộ phận trong thời gian thực bằng cách chia sẻ các tệp thiết kế thông qua đám mây, cắt giảm chi phí hàng tồn kho 95%.
Trong khu vực y tế, loại sự thay đổi này là đột phá hơn. Đối với bệnh nhân khối u xương, cấy ghép hợp kim titan được cá nhân hóa cần một chu kỳ tùy chỉnh 3 tháng tiêu chuẩn. Ngược lại, công nghệ in 3D sử dụng dữ liệu CT scan để tạo mô hình 3D và hoàn thành toàn bộ quá trình, từ thiết kế đến cấy ghép phẫu thuật, trong 72 giờ. Bệnh viện Jishuitan Bắc Kinh nói rằng liên kết cấy ghép 3D với xương nhanh hơn 40% so với cấy ghép tiêu chuẩn và thời gian cần thiết sau khi phẫu thuật bị cắt giảm 60%.
3. Một bước tiến lớn trong khoa học vật liệu: Hiệu suất chuyển từ "vật liệu chung" sang "độ dốc chức năng".
In 3D kim loại không chỉ làm thay đổi cách mọi thứ được tạo ra, mà còn thay đổi cách thức nghiên cứu vật liệu. Thiết kế khuôn giới hạn các kỹ thuật đúc truyền thống, điều này khiến cho việc phân phối gradient của các phẩm chất vật chất khó có thể nhận được độ dốc. Bằng cách quản lý cẩn thận thành phần bột và đầu vào năng lượng, in 3D có thể tạo ra các vật liệu được phân loại chức năng (FGM). Ví dụ, trong các lưỡi tuabin của động cơ máy bay, thay đổi tỷ lệ coban và nhôm trong niken - Bột hợp kim dựa trên lưỡi dao có thể xử lý nhiệt độ cao tới 1200 độ trong khi đầu lưỡi duy trì đủ mạnh. Các kỹ thuật truyền thống không thể làm cho vật liệu này hoạt động theo cách của nó.
Khả năng đổi mới vật liệu này thậm chí còn đột phá hơn trong lĩnh vực khoa học y sinh. Nhóm Đại học Thượng Hải Jiao Tong đã tạo ra một giàn giáo hợp kim titan xốp in 3D, phù hợp hoàn hảo với mô đun đàn hồi của xương vỏ người bằng cách thay đổi độ xốp (60%mật80%) và kích thước lỗ chân lông (200 500500 m). Bằng chứng lâm sàng chỉ ra rằng hiệu quả dẫn truyền xương của stent này cao gấp ba lần so với cấy ghép thông thường và sự xuất hiện của các vấn đề sau phẫu thuật đã giảm xuống dưới 5%.
4.
Việc công nghiệp hóa in 3D kim loại đang tạo ra một hệ sinh thái thương mại mới. Các nhà sản xuất thiết bị không còn chỉ bán phần cứng; Chúng cũng đang trở nên đầy đủ - Các nhà cung cấp giải pháp chuỗi của "Thiết bị+Vật liệu+Dịch vụ". Nền tảng đám mây in 3D kim loại "của Platinum Technology bao gồm các mô -đun để theo dõi thiết bị, giữ cơ sở dữ liệu về các quy trình và quản lý các đơn đặt hàng. Khách hàng có thể sử dụng ứng dụng để xem cách in của họ diễn ra trong thời gian thực và nền tảng cải thiện hiệu quả của tối ưu hóa tham số quá trình lên 70%.
Dữ liệu này - Thay đổi điều khiển trong môi trường rõ ràng nhất trong khuôn mẫu -. Một công ty khởi nghiệp ở Thâm Quyến đã tạo ra một hệ thống khuôn thông minh sử dụng công nghệ đôi kỹ thuật số và khuôn in 3D với cảm biến nhiệt độ và áp suất để cắt chu kỳ ép phun từ 120 giây xuống còn 85 giây. Tỷ lệ sản phẩm đủ điều kiện đã tăng từ 92% lên 98,5%. Mô hình in "thông minh" này đang thay đổi các quy tắc về giá trị của thiết bị công nghiệp.
5. Thử thách và tương lai: Chuyển từ "đột phá công nghệ" sang "hợp tác công nghiệp"
In 3D kim loại có rất nhiều tiềm năng, nhưng vẫn còn ba vấn đề lớn cần được giải quyết trước khi nó có thể được sử dụng trên quy mô lớn: đầu tiên, máy in hoạt động tốt như thế nào. Tốc độ xây dựng hiện tại của công nghệ nóng chảy chọn lọc laser (SLM) là khoảng 0,1-1kg/h, không đủ nhanh cho các doanh nghiệp như những chiếc xe cần làm cho nhiều thứ nhanh chóng. Vấn đề thứ hai là chi phí của các vật liệu. Giá bột hợp kim titan là 8000 nhân dân tệ mỗi kg, gấp mười lần giá của phôi thông thường. Thứ ba, không có đủ tiêu chuẩn. Chỉ có 15% các mặt hàng in 3D trên toàn thế giới có tiêu chí thử nghiệm đầy đủ.
Những vấn đề này đang thúc đẩy công nghệ để thực hiện những tiến bộ mới. Quá trình quá trình nóng chảy chùm điện tử (EBSM) tăng tốc độ xây dựng lên 5 kg/h bằng cách tăng mật độ năng lượng. Đại học Xi'an Jiaotong đã phát triển công nghệ in "in 3D bình lạnh", sử dụng sự lắng đọng hạt trạng thái rắn - để nhanh chóng tạo ra các nguyên mẫu của các bộ phận hợp kim nhôm. Điều này cắt giảm chi phí 40% so với các phương pháp truyền thống. Nhóm làm việc chung ISO/ASTM đã xuất bản 23 tiêu chuẩn trên toàn thế giới để in 3D bao gồm toàn bộ quá trình, từ vật liệu đến quy trình đến thử nghiệm.