将金属3D打印,特别是直接金属激光刻印(DMLS)添加到制造厂中,可以大大提高生产能力。然而,高效和高成本效益地扩大DMLS需要战略规划和实施。本条探讨了在控制成本的同时优化DMLS操作的关键战略。 随着对复杂金属部件的需求在航空航天、医疗和汽车部门之间增长,制造商必须采取审慎的方法,扩大能力,而不会侵蚀边际。

理解DMLS及其好处

DMLS是一种添加剂制造工艺,使用高功率激光将金属粉末颗粒分解成固体,高强度的部分. DMLS与传统的减值方法不同,直接从3D模型中逐层构建组件层. 这一技术提供了设计上无法灵活使用铸造或机械,将原材料废物减少90%以下,并允许快速生产定制或低容量部件. DMLS的主要行业包括:

  • 气空间:[]轻量级括号,燃料喷嘴,以及带有内部冷却通道的涡轮机叶片.
  • 医学: 患者特有的植入,手术仪器,以及牙科假肢.
  • 自动调制:[]自定义工具,拼接,和高性能引擎组件.
  • Oil & amp; Gas: 环境恶劣时的持久部件,缩短了准备时间.

随着产量的增加,DMLS的扩大带来了机器利用、材料处理和后处理方面的挑战。 如果不仔细规划,成本会迅速上升,侵蚀技术的内在优势。

成本-效益提高关键战略

有效的规模化需要硬件投资、设计优化、工作流程自动化和软件工具的组合。 以下战略构成了成本控制增长的框架。

投资模块和可扩展设备

选择具有模块架构的DMLS机可以让制造商从单个单元开始并递增增加容量. 许多现代系统,如来自的EOS[或3D系统,支持多个可在需要时启动的激光模块. 这种方法减少了前期资本支出,避免支付闲置容量. 选择设备时,优先使用通用的建房室和粉末处理系统的标准化平台,以简化维护和零配件.

优化添加制造部件设计

专门为DMLS进程设计部件可以大幅降低成本。关键设计规则包括:

  • 将支持结构最小化,将部分方向调整为45度以下的自支持悬浮层。
  • 通过垂直筑巢或使用堆积的建筑来降低建构高度.
  • 使用拉丝或空心结构在保持强度的同时削减材料使用.
  • 将多个组件合并为一个单一的印刷组装,以消除组装成本.

在设计阶段早期应用模拟软件有助于在打印前识别热应力和扭曲点,减少试运行和浪费的构建. Simulia 或 Simulfact 等工具可以预测部分行为并优化扫描策略.

执行进程自动化

自动化可降低劳动力成本,增加若干领域的吞吐量:

  • 粉末处理: 自动筛、混合和再循环系统尽量减少操作员的干预并减少污染风险。
  • 建置清除:[] 机器人臂或传送系统可以从舱内提取完成的构件,减少故障时间.
  • 后处理: 自动支援清除站,CNC清洁电池,机器人抛光武器处理重复的完成任务.
  • 检查:[ 机器视觉系统和内线传感器检查部件缺陷而不减速生产.

即使部分自动化——如自动回收粉末——在高容量环境中,人均成本也能降低15%至30%。

材料和工艺标准化

限制生产中使用的金属合金数量降低了库存复杂度,粉末管理间接费用,以及操作员培训. 专注于一组小量需求高的材料,如用于医疗和航空航天的Ti-6Al-4V,用于一般用途的316L不锈钢,以及用于轻量级汽车零部件的AlSi10Mg. 开发标准化的建设食谱,加工后工作流程,以及适用于一个材料组内各个部分的质量检查点. 标准化简化了规模,因为操作员可以在机器之间移动而无需再学习参数.

模拟和监测软件

软件工具有两个关键的作用:预打印模拟和进程内监测。模拟预测熔融池动态、温度梯度和剩余压力,使工程师能够在第一层打印前调整参数。这减少了测试构建的数量和在参数优化上浪费的材料。熔融池相机或热计等进程内监测系统提供实时反馈。当偏差发生时,系统可以暂停或调整参数中建,防止完全的构建失败。这一技术在缩放时特别有价值,因为它降低了失败的构建和重工成本。

高级成本管理技术

除了基本战略外,一些特殊技术有助于制造商在规模化过程中实现更大幅度的成本削减。

现场质量监测

将传感器直接放置在建房室中,可以对激光功率、扫描速度和粉末扩散进行闭路控制。这种方法确保了即使增加吞吐量,部分质量也保持一致。像Additive Manufacturing Technologies[这样的公司为现有的DMLS机器提供改装,增加层层缺陷检测。尽管初始投资是适度的,但运行结束检查成本和报废率的降低很快抵消了成本。

嵌入式建筑和批次优化

最大限度地利用建筑体积是最有效的成本杠杆之一。 制造商可以不一次打印一个部件,而是在一个建筑内嵌入多个相同或互补的部件。高级筑巢软件会自动安排部件以尽量减少高度和粉末消耗。比如,一个在稀疏安排中可持有10个部件的建筑板可能会被优化,以持有14个部件,同时进行智能旋转和堆叠。 单部分成本的下降是比例性的,因为机器时间、预热和后处理等固定成本分散在更多的单元中。

材料回收和粉末管理

金属粉末是目前一项重大开支。使用闭眼粉回收系统,每次建造后可回收高达95%的未使用的粉末。然而,为了保持部分质量,必须分离和分析再利用粉末,以便分配和氧化。一些制造商将一小部分新鲜粉末与回收粉末混合,以保持一致性。 制定强有力的粉末生命周期协议,确保材料成本能够控制,即使生产坡道。

规模质量控制

保持质量的同时缩小规模至关重要,如果没有严格的质量保证,通过重修或报废可以消除更快生产节省的费用。

  • 调节:激光功率仪表,伽微精度测试,温度校准应遵循严格的时间表,最好是自动化.
  • 统计过程控制(SPC):从每个构造中收集数据(如孔径,密度,表面粗糙度),以识别趋势,及早探测漂移.
  • 无损试验: 结合CT扫描或超声波检查关键部件,以避免消耗生产单位的破坏性试验.
  • 可追踪性: 独特的部分序列号,构建日志,以及材料批量跟踪等,在出现质量问题时,能够进行根因分析.

及早投资质量控制基础设施,防止不符合要求的部分进入供应链,保护品牌声誉和客户合同.

供应链和劳动力因素

扩大DMLS的生产还需要对供应链和劳动力进行战略改革。

供应链

  • 多式粉末供应商:依靠单一金属粉末供应商产生风险,对每种合金至少两个供应商进行资格认证,以确保价格竞争性和供应连续性.
  • 局部粉末搅拌:[ 一些制造商从元素粉末中混合自己的合金,减少对专业供应商的依赖,并赋予对材料属性的控制.
  • 分件盘点: 库存关键零部件如激光二极管,气体循环滤波器,以及擦拭刀片,以避免在缩放时延长停机时间.

劳动力

  • 交叉-训练:[多台机和后处理站的列车操作员,以提高灵活性,减少瓶颈.
  • 设计教育: 提供持续培训,使工程师能够设计DMLS特定DFAM(Additive Manufacturing)原则,以不断提高部分成本.
  • 兼职专家: 对于复杂的分析任务(例如模拟、CT解释),在需要证明长期雇用是正当的之前,考虑订约专家。

DMLS 缩放的未来方向

今后几年将带来进一步降低规模成本的技术:

  • 多激光器平行处理: 具有4个或4个以上激光同时工作的机器可以将建造时间减少50%或更多,特别是大批量的每部分成本下降.
  • 在加工中的热处理:[一些DMLS平台现在整合了诱导加热或激光再熔步骤,以消除单独的应激减压周期.
  • 参数优化的人工智能:[机器学习算法分析之前的构建数据,自动推荐新部件的最佳设置,减少试构建.
  • 以铁线为基础的金属印刷: 对于更大的零件,混合系统将DMLS与铁线弧添加剂制造(WAAM)结合,允许多材料建造,材料成本较低.

了解这些发展动态有助于制造商规划资本投资,使其与降低成本的趋势保持一致。

结论

扩大制造厂的DMLS生产可以通过采用模块化设备、优化设计、自动化过程、材料标准化以及使用模拟和监测工具来实现。 现场质量监测、筑巢和有纪律的粉末管理等先进技术进一步加强成本控制。 通过这些战略,制造商可以扩大能力,同时保持质量和控制开支,为先进制造市场的未来增长定位。 关键是从第一天起就规划规模,选择灵活的硬件、培训人员,以及建立一个数据驱动的质量框架,这样增长不会损害DMLS所提供的经济优势。