一层又一层

增材制造工艺征服市场

这一开始只是一位员工的想法。 如今,莱茵金属汽车公司所建立的初创企业Solidteq作为金属3D打印市场的服务提供商,已在这个快速增长的市场站稳脚跟。

当托马斯·巴特尔斯(Thomas Bartels)想要让访客相信3D打印的好处时,他便会将铝制开瓶器放进访客的手中。这个开瓶器超轻且可随意弯折。“试试把它给毁了”,巴特尔斯提出请求。但不论如何弯折、拉扯、挤压都没有用,开瓶器完好无损。精致的支撑结构确保了这种稳定性。“仿生学,自然的启发。绝对只有3D打印才能做出来。”巴特尔斯其实是位十分理智、善于精打细算的商人,但他对新技术的热爱溢于言表。莱茵金属汽车2012年引入了这项新技术。那时,第一批塑料3D打印机出现在电子产品零售商店里。当然,当时的设备质量只适用于在家里制作钥匙链或其他小玩意儿。莱茵金属集团的一些专家在原型样品制造中认识到这项技术所蕴藏的真正潜力:3D打印如今能够打印金属物体,其强度绝对不落后于任何传统的功能模型。这些金属打印设备所制造的零件有一大决定性的优势:以前,工程师必须等待几周才能测试一个结构。模具制造商使用设计数据来构建铸造零件所需的工具,再次需要同样长的时间。使用新技术所赢得的时间不仅缩短了整个开发周期,也可在短期内允许做出修改和确认。

2017年起作为一家独立企业运营

3D打印给莱茵金属汽车的样品制造带来了彻底的变革。目前,99%的样品组件都通过增材制造,这是这项技术的专业术语表达。变革总会带来一些无法预见的后果。

2015年,诺伊斯的工厂里摆放着制造商SLM Solutions最早一批的三台机器,一些员工建议自己成立公司,为企业外部客户提供3D打印服务。两年后,一切准备就绪:自此以后,Solidteq作为一家独立企业运营业务,其销售额的一半来自莱茵金属汽车公司以外的客户。但这家初创公司并没有完全脱离母公司的架构。“我们可以利用母公司的专业技术知识”,Solidteq公司负责企业发展的本尼迪克特·思祖拉卡(Benedikt Szukala)解释说,“比如为客户提供结构设计咨询时,母公司的专业技术知识就显得十分重要。”事实上,3D打印虽然是Solidteq公司的核心业务,但也只是五级价值链的一个部分。该价值链还包括为客户提供基础咨询、设计优化、准备客户结构设计数据,一直到印刷和后加工。

如今,Solidteq公司销售额的一半来自莱茵金属汽车公司以外的客户。

金属3D打印的专业应用并不只是将组件数据发送到打印机然后按启动键这么简单。 “首先,我们尝试和客户一起定义他们想要实现的目标”,思祖拉卡解释说。如果打印的组件并非作为原型样品,而是作为小批量组件直接用来机器或设备上,那么组件结构设计可做调整,适用于增材制造工艺所提供的各种可能性。

例如:Solidteq公司近期与工程公司RSC Engineering携手为一台大型技术设备开发了一种矩阵混合器。混合器中的通道直径仅为0.2毫米。“采用铸造工艺的话根本无法生产这类产品”, 思祖拉卡说。

每层厚度仅50微米

设计最终定稿后,必须首先准备数据以进行打印。在Solidteq公司使用的选择性激光熔化技术中,施加到基板上的粉末用一种或多种激光熔化后再固化。然而,通过这种方法只能形成一层非常薄的固体材料层,根据机器设置,厚度大于等于50微米。接着又形成一个同样薄的层。因此,组件实质上被预先细分成多层,四个平行工作的激光器运动轨道经过编程,确保它们不会互相干扰彼此路径。另外还有必要构建与工件一起向上成型的支撑件。没有支撑件的情况下,部件在此过程中会因自身重量和环境热量的影响容易翘曲。成型后将移除的支撑件本身结构应尽可能精良,以便尽可能地减少材料浪费。设计数据的全部准备工作由软件支持。“这个过程需要相当多的专有技术”,思祖拉卡说。处理数据的速度决定了整套工艺的竞争力。

接着,Solidteq公司的一名技术工人拿着存储了设计数据文件的USB走向一台机器。到底使用哪台机器不仅取决于设备的一般可用性,还由要制造的组件材料来决定。该服务提供商目前可加工钢、铝和特别耐腐蚀的镍基合金。“如果可能,我们只在机器上加工一种材料”,思祖拉卡解释道。因为即便极少量的异质粉末残留物也会抵消激光熔化的一个主要优点:组件成型几乎完全均质—这是组件不会产生残余应力且在后续操作中保证强度的先决条件。

一旦打印开始,需要做的就是等待。打印的时间长短主要取决于工件的高度,因为粉末是逐层施加然后通过激光熔化的。现有机器允许的最大高度为330毫米,长度为500毫米,宽度为280毫米。实际上,目前很少制造这么大的部件。但底板上允许几个部件同时向上成型—这也节省了时间和金钱。平均下来,完成该过程大约需要两天时间。然而,Solidteq专家们所需完成的任务还未结束。工件首先必须从板上和支撑件上拿下来—这个过程无法自动化,需要高超的手工技艺。就这样,你拿到一件毛坯,必须像铸件那样对它进行再加工。一般来说,首先喷砂,以获得均匀的表面纹理,然后将其铣削并转动,与传统制造工艺无异,比如刻用于拧紧部件的螺纹。“这里,我们运用了莱茵金属集团的所有工程技术能力”,思祖拉卡介绍说,“中小企业的客户尤其希望获得一个可以立即使用的成品组件。”

生产制造必须争分夺秒

快速获得成品部件不仅仅是原型样品制造的需要。机械装备工程领域也经常因损坏或缺陷而迫切需要更换部件。在没有库存或原有机床工具已淘汰的情况下,3D打印是传统制造方法的替代方案。生产制造必须争分夺秒,如果轧机面临停机的威胁,每一个小时都变得很重要。Solidteq公司认识到这一点,正致力于开发一项基于互联网的新服务:未来,世界任何位置的潜在客户都可以上传组件的设计数据。然后,您将直接收到报价,也能在线确认订单。

商业流程的自动化只是Solidteq公司业务拓展的一个方面。企业同时也将努力提供更好的咨询服务。比如说,当急需替换的组件因原供应商不再存在而缺少设计数据时,“我们能够在现有组件的物理形态基础上完成逆向工程,重构3D打印所需的数据。” 思祖拉卡承诺。

这项技术有这么多优势,那么问题来了,金属3D打印有朝一日是否会完全取代传统的锻造工艺,比如浇铸。“这种可能性很小”,思祖拉卡坦言,“我们将此工艺视为一种补充技术。”在生产批次数量很高的情况下—这在汽车行业是司空见惯的,节拍时间的计数单位是分钟,而不是日。很难确定界限的确切位置,因为这还取决于组件几何形状的复杂程度。

尤其是中小企业客户对获得一个可以立即使用的成品组件特别感兴趣。

例如,用3D打印完成一个工件,用传统制造工艺或许可以完成两个或三个。但反过来,3D打印的情况节省了装配时间。 “我们建议始终要做全面的成本分析。”思祖拉卡说。Solidteq公司已经获得莱茵金属集团防务技术业务单元的青睐:一批小批量几百件的摄像头外壳产品不再从流水线上下线,而是从3D打印机中诞生。

 

托马斯·巴特尔斯,Solidteq公司总经理

“3D打印可以使轻量化结构异常稳定。”

巴特尔斯先生,我们能在互联网上找到许多提供金属3D打印服务的供应商。 是什么让Solidteq公司成为这个高度分割市场上的客户正确之选呢?

一方面,我们是一家初创企业,拥有年轻公司的灵活性。另一方面我们融入了莱茵金属集团。对于我们的客户而言,这意味着他们既能获得针对非常具体问询的个性化咨询服务,也能利用莱茵金属的完整工程专有技术。这种组合在市场上独一无二。

咨询服务有什么重要的作用?

有些人会有这样的想法:您只需要拿着结构设计数据就可以轻松打印组件,就像在办公室里打印Word文档那么简单。事实并非如此,因为只有非常完备且正确的数据准备才能获得良好的打印结果。此外,您可以使用3D打印技术来制造原本无法生产的组件。如果想充分利用增材制造的潜力,您需要大量的结构设计知识。

您现在是哪些企业的服务商?

虽然Solidteq公司依旧与莱茵金属汽车的原型样品制造部门相关联,但我们在市场上是独立的服务商,中小型的机械和装备制造商是我们最为主要的客户。我们几乎为所有行业供货,但有两个例外:因特殊的认证规定,我们不涉猎航空业和医疗技术领域。

在国际上的客户呢?

我们也有来自中国和日本的订单,并在诺伊斯处理这些订单。但这些都是个案。  

莱茵金属集团能从旗下的这家年轻子公司获得什么?

我们在金属3D打印领域的能力长期来看是种竞争优势。特别在防务技术领域,往往小批量的产品订单很常见。此外,3D打印可实现形状极其稳定的轻量化结构。将两者结合之后,我们也为集团设计师提供了新的自由度。

平心而论:您是否真的相信增材制造工艺有朝一日会取代传统的铸造工艺?

原型样品制造领域目前已然如此。然而,在大规模生产中,增材制造工艺目前还远不具备竞争力。所以很长一段时间里,两者将共存。但是:碰到技术问题时,人们永远不应该说“永远不”。 20年前谁会想到今天我们的口袋里都会揣着智能手机呢?

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