3D打印落地應(yīng)用，是一個綜合性的大問題，我們沒有辦法在一篇文章中探討太多。在此前的文章中，我們已經(jīng)探討了材料、打印速度以及后處理給增材制造帶來的挑戰(zhàn)，本期，我們將從零件質(zhì)量、標準、設(shè)計及數(shù)據(jù)處理能力三個方面繼續(xù)探討3D打印大規(guī)模落地應(yīng)用面臨的問題，以及解決當前問題取得的進展。

Velo3D技術(shù)合作副總裁表示，3D打印零件的性能一致性是該技術(shù)面臨的一個重要問題。

傳統(tǒng)的數(shù)控加工、注塑或鑄造已經(jīng)非常成熟，3D打印為零件制造提供了一種新方法，但這項技術(shù)存在傳統(tǒng)制造所沒有的新缺陷，零件質(zhì)量會因制造批次不同而存在差異。對于金屬3D打印來說，零件內(nèi)部的粉末夾雜、微裂紋和未熔合缺陷，使制造的不穩(wěn)定性尤其突出。

零件質(zhì)量變化的關(guān)鍵來源之一是材料問題。對于一些至關(guān)重要的應(yīng)用，如飛機部件或醫(yī)療設(shè)備等，對零件的性能和精度有很高的要求，材料也必須100%不受污染。然而因存儲或處理不當或原料質(zhì)量問題而產(chǎn)生的雜質(zhì)會影響零件的最終性能，還有可能導(dǎo)致打印失敗。確保材料質(zhì)量需要標準化的測試方法和工具，目前業(yè)內(nèi)還沒有統(tǒng)一和普遍認可的標準。為了克服這些問題，3D打印的從業(yè)者以及一些高校實驗室，正在努力開發(fā)相關(guān)標準。

過程監(jiān)控技術(shù)可以解決部件質(zhì)量追溯問題

影響零件質(zhì)量變化的另一個挑戰(zhàn)在于3D打印設(shè)備缺乏先進的過程控制能力。為了盡量減少零件質(zhì)量的不穩(wěn)定，3D打印機需要從開環(huán)控制轉(zhuǎn)換為閉環(huán)控制，從而在打印過程中發(fā)現(xiàn)問題并自動調(diào)整系統(tǒng)以解決問題。閉環(huán)控制可以通過在3D打印機中嵌入傳感器和攝像頭來實現(xiàn)，而且用戶可以實時監(jiān)控制造過程。閉環(huán)以及實時反饋系統(tǒng)可保持對制造過程的控制，可制造出具有一致幾何形狀、表面光潔度和材料性能的零件。

不過，通過閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)對質(zhì)量的控制，仍然是一項相對較新且有難度的技術(shù)，絕大多數(shù)的廠商目前仍只能實現(xiàn)監(jiān)控而無法實現(xiàn)自適應(yīng)反饋。截至2019年，這種智能型的3D打印機也只有很少的廠商可以真正實現(xiàn)。

如果業(yè)內(nèi)擁有明確且被普遍理解和接受的標準，那么對所有的行業(yè)從業(yè)者都大有好處。有了標準，企業(yè)就可以把相同的產(chǎn)品進行橫向?qū)Ρ龋龀龈涌茖W(xué)的決策。

在制造業(yè)中，標準至關(guān)重要，它們概述了交付優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品必須滿足的數(shù)據(jù)要求。原材料、打印機，設(shè)備操作員和工程師，供應(yīng)商以及制造過程本身都需要標準以及根據(jù)這些標準進行資格認證，這些是制造出復(fù)合質(zhì)量要求零件的保證。

SAE規(guī)劃了最早的增材制造標準

盡管3D打印已經(jīng)發(fā)展了30多年，但制造業(yè)直到最近幾年才開始將其視為一種生產(chǎn)方法，3D打印行業(yè)才剛剛開始制定與生產(chǎn)相關(guān)的和整個行業(yè)的標準。歐瑞康增材制造首席工程師Matthew Donovan介紹，3D打印可以一種新的方式制造零件，這確實偉大，但如果無法證明零件的質(zhì)量，那么則會引起質(zhì)疑。標準能夠使行業(yè)玩家跨領(lǐng)域生產(chǎn)和銷售零件，并最終得以應(yīng)用。

截至目前，缺乏3D打印標準仍然是阻礙該技術(shù)被廣泛采用的主要瓶頸之一。但是，在這方面已經(jīng)有了很多發(fā)展，一些標準開發(fā)組織如ISO和ASTM，已經(jīng)建立了致力于增材制造的標準開發(fā)委員會。截至2018年，這兩個組織已經(jīng)批準了28個標準，未來幾年還將發(fā)布更多。 

ASTM / ISO增材制造標準框架（點擊閱讀）

行業(yè)合作關(guān)系也極大地促進了標準的制定。歐瑞康和波音之間的合作促進了增材制造在航空航天和國防領(lǐng)域使用，并實現(xiàn)了鈦合金粉末3D打印材料和工藝的標準化。2019年，ASTM與奧本大學(xué)、NASA、EWI以及英國制造技術(shù)中心（MTC）合作建立了卓越增材制造中心（AM CoE），致力于搭建研發(fā)和標準化之間的橋梁，填補關(guān)鍵行業(yè)的標準空白。2019年9月，ASTM宣布了第二輪融資旨在支持AM CoE的標準化項目，解決快速增長的增材制造行業(yè)技術(shù)標準化的需求。盡管標準制定是一個耗時的過程，但最終會幫助制造商更快、更輕松地開發(fā)和使用3D打印工藝。

設(shè)計和數(shù)據(jù)處理能力也是行業(yè)發(fā)展面臨的問題，一直以來，業(yè)內(nèi)企業(yè)多將重點放在開發(fā)出效率更高的設(shè)備，對于智能化的軟件解決方案則重視不足。

3D打印并不像媒體宣傳的那樣按一下按鈕就可以制造物體，工業(yè)3D打印更需要大量的設(shè)計以及數(shù)據(jù)準備工作。由于長期以來，計算機輔助設(shè)計和計算機輔助工程軟件在很大程度上不能滿足3D打印的要求，使得設(shè)計過程變得復(fù)雜。例如，傳統(tǒng)的CAD軟件在設(shè)計梯度材料、晶格結(jié)構(gòu)或可控孔隙率結(jié)構(gòu)方面存在困難。此外，3D打印設(shè)計流程涉及多個步驟，而且需要使用更多其他軟件，這通常使設(shè)計陷入困境。

3D打印涉及到的軟件

Autodesk制造生產(chǎn)行業(yè)戰(zhàn)略和業(yè)務(wù)發(fā)展總監(jiān)介紹，3D打印的零件設(shè)計和數(shù)據(jù)處理過程通常需要在多個軟件間流轉(zhuǎn)，用戶需要使用CAD工具完成設(shè)計并將零件轉(zhuǎn)換為STL格式，然后將其導(dǎo)入數(shù)據(jù)處理軟件中，經(jīng)處理后才導(dǎo)入設(shè)備。實際上在這個過程中可能要評估打印的安全性、結(jié)構(gòu)和質(zhì)量優(yōu)化空間，支撐添加以及模擬分析，這些步驟需要前后交叉、反復(fù)進行，且會使用到不同的軟件及多種文件格式，整個工作流程可以說非常繁復(fù)而且相互脫節(jié)。

設(shè)計和數(shù)據(jù)處理過程可以說耗時且容易出錯，往往需要一個團隊去分別完成各項工作。業(yè)界也正在試圖以多種方式減少模型的準備工作，一些設(shè)計軟件公司如Autodesk 、PTC和DassaultSystèmes正在將特定的3D打印功能融合到傳統(tǒng)的CAD程序中。PTC宣布推出的Creo 3D計算機輔助設(shè)計平臺，引入了實時仿真新功能，擴展增強現(xiàn)實和增材制造設(shè)計功能，以及眾多關(guān)鍵生產(chǎn)增強功能，可使工程師們在一個環(huán)境內(nèi)，充分利用創(chuàng)新設(shè)計和制造能力。

3Dxpert從設(shè)計到制造提供完整流程解決方案

一些3D打印機制造商也開發(fā)了自己的軟件解決方案來簡化模型準備工作。Stratasys以及3D Systems分別開發(fā)了為減少多次數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換的GrabCAD和3Dxpert軟件。 

目前雖然在增材制造設(shè)計和數(shù)據(jù)處理方面取得了一些進步，但仍有發(fā)展空間。為設(shè)計人員提供在CAD環(huán)境中修改3D模型的能力，并在不需要繁瑣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的情況下快速迭代這些模型，這將成為降低增材制造使用門檻和提高效率的關(guān)鍵。

END

本期，我們從3D打印零件的質(zhì)量、標準以及設(shè)計和數(shù)據(jù)處理方面分析了目前3D打印技術(shù)大規(guī)模落地應(yīng)用存在的問題，以及本行業(yè)為此所做的努力和取得的進展?？偟膩碚f，進展有目共睹，但要實現(xiàn)更好的應(yīng)用，技術(shù)的發(fā)展還需要更加智能化、相關(guān)的標準更加明確化、3D打印相關(guān)操作更加簡潔化。

轉(zhuǎn)載自3D打印技術(shù)參考