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海洋、陆地和天空:3D打印如何影响交通

海洋、陆地和天空:3D打印如何影响交通

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  • 发布时间:2023-11-17 11:34
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【概要描述】UltiMaker制造系列。3D打印使整个运输部门能够实现快速原型设计和更高效的制造。   3D打印 -增材制造 -运输   在这篇UltiMaker支持系列的第四篇文章中,我们将探讨运输行业利用这项技术的多种方式,从快速原型设计到制造辅助工具再到最终用途零件,以及未来的发展趋势。我们之前的两篇系列文章主要关注制造业和包装业。   自3D打印技术问世之初,航空和汽车等运输行业就与3D打印联系在一起。为了让你了解这些联系的深度,汽车公司——比如购买了首批3D打印机之一的福特——和航空航天公司是20世纪80年代末3D打印的首批投资者和采用者之一。   当时,3D打印代表了一种新的解决方案,可能会破坏零件的设计和原型。如今,随着运输业继续积极采用增材制造,利用该技术的独特能力来生产优化设计,加快产品开发,提供具有成本效益的低批量制造,并支持制造工作流程和供应链,这一潜力和更多潜力已经实现。   在添加剂发展的这个阶段,这项技术只代表了运输行业整体价值的一小部分。例如,2021年,全球汽车制造市场估计价值2.86万亿美元[1];据计算,2022年汽车增材制造业约为29亿美元[2](约占汽车市值的0.10%)。但是,随着采用率的提高、流程自动化的提高以及新应用程序的验证,AM在运输中的价值正在稳步增长。例如,在航空航天领域,即使在新冠肺炎封锁导致经济放缓之后,增材制造市场仍在稳步增长,预计2028年将超过130亿美元(2021年为37.3亿美元)。[3] 这种增长在所有运输行业都是如此。 加快产品开发   增材制造现在广泛应用于许多行业,用于原型设计和产品开发。运输业也不例外。在汽车、航空和铁路领域,3D打印机使工程师和设计师能够快速、经济高效地打印、测试、调整和验证新设计。至关重要的是,物理3D打印原型使运输制造商能够轻松地回到绘图板上,在不显著增加周转时间的情况下克服设计缺陷(部分归功于3D打印机能够昼夜无人值守地制造零件)。这意味着,不仅可以更快、更便宜地将新设计推向市场,而且可以在产品开发周期的早期发现缺陷,从而降低重大检修和昂贵产品召回的风险。换句话说,3D打印解锁了更好的产品设计。   熔融丝制造(FFF)系统,如UltiMaker的系统,特别适合功能原型设计。UltiMaker打印机可以容纳多种材料,从标准细丝到工程级复合材料。这种多功能性使工程师和产品设计师能够打印出与最终零件特性非常相似(甚至匹配)的原型,从而促进功能测试和验证过程。 Eventuri宝马M4的3D打印进气原型。图片来源:Ultimaker。   Eventuri为奥迪RS系列和M-Power宝马等高性能汽车制造进气系统,3D打印现在是其产品开发过程中不可或缺的一部分。该公司依靠UltiMaker 3D打印机将数字进气管模型快速转换为可以测试功能和贴合度的物理原型。如果性能不足或不太合适,Eventuri工程师可以简单地在CAD软件中调整设计并重新打印以进行验证。不用说,这种灵活且完全内部的工作流程为公司节省了时间和金钱,并使其能够开发出卓越的进气设计。   运输中的制造效率   如果你看看今天运输行业的生产线,你很有可能会遇到一个或多个3D打印组件。该技术越来越多地被用于通过开发夹具、装配夹具、质量控制工具和更换零件来提高生产环境的效率。在这种情况下,FFF 3D打印提供了许多独特的优势:它有助于现场按需生产(从而最大限度地减少机器停机时间);它不需要工具;这是一种用户友好的技术,生产线操作员和工程师可以轻松掌握;它能够开发出更高效、更符合人体工程学的生产辅助工具,从而提高生产效率和安全性。   特别是在汽车行业,制造商已经通过内部采用FFF 3D打印来改变他们的生产流程。例如,大众汽车现在使用UltiMaker 3D打印机生产其绝大多数制造工具。在使用3D打印之前,这家汽车公司依靠外部制造商制造制造辅助工具和工具,通常需要数周时间才能交付。然而,通过内部3D打印,大众汽车Autoeuropa将工具开发时间缩短了95%,成本降低了91%。 大众汽车欧洲工厂的3D打印举升门徽章每件仅需10欧元。图片来源:Ultimaker。   大众汽车有很多3D打印制造工具的例子,包括用于正确定位汽车徽章的举升门徽章。该零件过去每台售价400欧元,周转时间为35天,现在只需4天就可以在内部制造,每台售价仅为10欧元。总之,这家年产量为10万辆汽车的汽车制造商现在有能力按需开发和实施工具,以保持其生产线的平稳和安全运行。   提升最终用途零件   添加剂技术在最终用途零件的运输中也产生了巨大影响。这一应用领域主要由3D打印的设计自由度及其可扩展性驱动,这使得前所未有的几何形状得以实现。在设计方面,3D打印提供了一种创建以前不可能的几何形状的方法,例如有机形状和内部空腔和通道等特征。它还允许零件合并,从而最大限度地减少组装时间,通常还可以减少零件重量。从可扩展性来看,3D打印是低批量生产的最佳制造工艺之一。这对航空航天行业来说是一个巨大的吸引力,因为航空航天行业通常需要较小规模的高度复杂零件生产。然而,扩大生产也是可能的:它只需要添加更多的3D打印机单元。   该技术的设计能力在运输领域尤其有价值,在运输领域,将更轻的部件集成到车辆中是提高燃油效率的关键。例如,在航空领域,通用电气的FAA认证GE9X发动机集成了300多个3D打印零件,包括整合的燃料喷嘴尖端。与以前的发动机系统相比,这些印刷零件的轻质设计使燃油效率提高了10%。[4]   在汽车领域,3D打印也用于最终用途的生产,尤其是在需要小批量或定制的情况下。美国汽车修复服务公司Tucci Hot Rods定期使用3D打印为客户生产定制汽车零件。这家家族企业依靠3D打印机(包括两台UltiMaker机器)及时、经济高效地制造汽车改装,如3D打印仪表板。得益于这项技术,该公司的生产速度提高了两倍,并节省了高达90%的成本。在SEMA 2022上,该公司推出了一款2021款福特Maverick,该车集成了大量由PETG制成的3D打印部件,包括挡泥板、制动管、尾翼等。[5] 每个印刷零件在组装前都经过后处理,从而形成了一辆独特的紧凑型卡车,利用了AM的定制能力   UltiMaker的金属FFF功能也被证明在运输领域具有价值。如今,该公司的可访问金属3D打印功能有很多例子(可能得益于UltiMaker S5、金属扩展套件和巴斯夫Ultrafuse®不锈钢丝的组合),使运输制造商能够生产最终用途的部件。设计和制造柴油发动机的利勃海尔组件Colmar SAS公司为了节省时间和金钱,转而使用金属FFF生产发动机支架。这个零件只需要有限的数量,最初在数控加工时花费102美元,需要很长时间才能制造出来。在验证了金属FFF的应用后,利勃海尔组件公司优化了支架的设计,使最终组件的承载能力是机加工支架的三倍,质量比机加工支架减少了60%。印刷零件还将成本降低了近一半,并显著加快了交付周期。   这只是众多案例中的一个。川崎汽车公司为摩托车设计零件,现在用巴斯夫Ultrafuse®17-4PH 3D打印换档杆 不锈钢。这些零件比铝制零件更耐腐蚀,而且成本效益更高。除此之外,这家摩托车制造商现在可以为不同的骑手定制换挡杆。Schwartz Off-Road Motorsportz(SORM)在生产其独一无二的SxS Pro Mod赛车时也使用了金属FFF。具体来说,它将支架组件从碳纤维尼龙升级为17-4PH不锈钢。金属FFF使SORM能够定制零件并实现更大的耐温性。   未来创新的机遇   如果我们看看交通运输的当前趋势,特别是汽车行业的趋势,很明显,3D打印是推动这些趋势的关键技术之一。例如,增材制造被积极用于电动汽车的开发,用于原型设计和生产零件,包括必须紧凑并设计为最佳匹配的电池外壳。电动汽车还从3D打印实现的轻量化中受益匪浅,因为重量会影响电池里程。[6] 3D打印的最终用途零件。图片来源:Ultimaker   3D打印在高性能超级汽车的开发中也至关重要。在超级汽车制造商Briggs Automotive Company(BAC),UltiMaker的S5生态系统是其最新车型Mono R的开发和生产的核心。据该公司称,Mono R超级跑车集成了44多个3D打印零件,包括结构发动机部件、翼镜支架和灯围。该技术使该公司能够测试其高性能汽车的新设计并探索创新解决方案。正如BAC的设计总监兼联合创始人Ian Briggs所说:“UltiMaker生态系统使我们能够将生产的所有不同方面结合在一起,不断优化并存储在一个位置。”   建立更可持续的做法和循环经济也是运输业更加重视的一个关键优先事项。正如我们所看到的,3D打印通过生产更轻的零件在这方面起到了帮助作用。但运输公司也有追求可持续发展的途径。   以荷兰航空公司荷兰皇家航空公司为例,该公司通过将航班上的PET水瓶改造成3D打印细丝,在创造循环经济方面取得了长足进步。这种细丝用于生产功能部件,如发动机叶片风扇罩,在喷砂过程中保护发动机叶片的零件。这一过程为风机叶片表面的各种处理做好准备,如油漆去除和涂漆、除油和除锈以及一般清洁。通过使用UltiMaker系统和回收灯丝,荷航能够高效、可持续地生产这些功能部件。[7]   铁路和海运等其他运输部门正越来越多地意识到附加技术的潜力。多亏了AM,列车MRO服务和德国铁路和ÖBB等铁路公司现在能够对难以或不可能采购的列车部件进行逆向工程和3D打印,从而缩短了列车的停机时间。[8] 越来越多的可用材料,包括高温热塑性塑胶和阻燃丝,再加上UltiMaker等开放材料平台,也为功能性铁路和运输部件创造了新的机会。例如,在奥地利铁路公司ÖBB,工程师们目前正在评估使用UltiMaker系统和Ultrafuse不锈钢丝制成的3D打印不锈钢部件的概念验证。这家铁路公司还采用添加剂解决方案来简化其供应链,这得益于及时生产,并最大限度地减少库存和运输需求。   在海运行业,据说该行业占世界贸易的80%以上[9],3D打印有可能支撑脆弱且低效的零部件供应链。在这方面,Wilhelmsen航运公司率先开发了一个认证备件的数字库存,该库存可以打印在船上进行现场维护,也可以在最近的港口打印,以缩短更换零件的交付周期。[10] 这种方法缩短了供应链,不仅简化了备件的采购方式,还通过减少运输排放来提高可持续性。   在所有运输行业中,3D打印的实施正在释放效益和效率,包括缩短交付周期和加快上市时间;更大的生产灵活性和工厂生产线的增加;提高设备效率和操作员的安全性;精简业务和缩短供应链;以及更高效的仓储和库存操作。 结论   从海洋到天空,像UltiMaker的FFF生态系统这样的3D打印解决方案正在帮助改变所有运输行业。汽车、航空、铁路和海事领域的工程师、原始设备制造商和MRO正在其运营中体验3D打印的好处,并不断探索利用该技术缩短交付周期、节省成本和开发新创新的新方法。   参考文献   1.2019年至2022年全球汽车制造业收入[互联网]。Statista。2023年8月28日。可从以下位置获得:https://www.statista.com/statistics/574151/global-automotive-industry-revenue/   2.汽车3D打印市场:2030年趋势预测[互联网]。Delvens。2023年1月。可从以下位置获得:https://www.delvens.com/report/automotive-3d-printing-market-trends-forecast-till-2030   3.到2021年,航空航天和国防增材制造市场价值将达到1301亿美元[互联网]。财富商业洞察。2022年3月30日。可从以下位置获得:https://www.glo

海洋、陆地和天空:3D打印如何影响交通

【概要描述】UltiMaker制造系列。3D打印使整个运输部门能够实现快速原型设计和更高效的制造。

 

3D打印

-增材制造

-运输

 

在这篇UltiMaker支持系列的第四篇文章中,我们将探讨运输行业利用这项技术的多种方式,从快速原型设计到制造辅助工具再到最终用途零件,以及未来的发展趋势。我们之前的两篇系列文章主要关注制造业和包装业。

 

自3D打印技术问世之初,航空和汽车等运输行业就与3D打印联系在一起。为了让你了解这些联系的深度,汽车公司——比如购买了首批3D打印机之一的福特——和航空航天公司是20世纪80年代末3D打印的首批投资者和采用者之一。

 

当时,3D打印代表了一种新的解决方案,可能会破坏零件的设计和原型。如今,随着运输业继续积极采用增材制造,利用该技术的独特能力来生产优化设计,加快产品开发,提供具有成本效益的低批量制造,并支持制造工作流程和供应链,这一潜力和更多潜力已经实现。

 

在添加剂发展的这个阶段,这项技术只代表了运输行业整体价值的一小部分。例如,2021年,全球汽车制造市场估计价值2.86万亿美元[1];据计算,2022年汽车增材制造业约为29亿美元[2](约占汽车市值的0.10%)。但是,随着采用率的提高、流程自动化的提高以及新应用程序的验证,AM在运输中的价值正在稳步增长。例如,在航空航天领域,即使在新冠肺炎封锁导致经济放缓之后,增材制造市场仍在稳步增长,预计2028年将超过130亿美元(2021年为37.3亿美元)。[3] 这种增长在所有运输行业都是如此。



加快产品开发

 

增材制造现在广泛应用于许多行业,用于原型设计和产品开发。运输业也不例外。在汽车、航空和铁路领域,3D打印机使工程师和设计师能够快速、经济高效地打印、测试、调整和验证新设计。至关重要的是,物理3D打印原型使运输制造商能够轻松地回到绘图板上,在不显著增加周转时间的情况下克服设计缺陷(部分归功于3D打印机能够昼夜无人值守地制造零件)。这意味着,不仅可以更快、更便宜地将新设计推向市场,而且可以在产品开发周期的早期发现缺陷,从而降低重大检修和昂贵产品召回的风险。换句话说,3D打印解锁了更好的产品设计。

 

熔融丝制造(FFF)系统,如UltiMaker的系统,特别适合功能原型设计。UltiMaker打印机可以容纳多种材料,从标准细丝到工程级复合材料。这种多功能性使工程师和产品设计师能够打印出与最终零件特性非常相似(甚至匹配)的原型,从而促进功能测试和验证过程。



Eventuri宝马M4的3D打印进气原型。图片来源:Ultimaker。

 

Eventuri为奥迪RS系列和M-Power宝马等高性能汽车制造进气系统,3D打印现在是其产品开发过程中不可或缺的一部分。该公司依靠UltiMaker 3D打印机将数字进气管模型快速转换为可以测试功能和贴合度的物理原型。如果性能不足或不太合适,Eventuri工程师可以简单地在CAD软件中调整设计并重新打印以进行验证。不用说,这种灵活且完全内部的工作流程为公司节省了时间和金钱,并使其能够开发出卓越的进气设计。

 

运输中的制造效率

 

如果你看看今天运输行业的生产线,你很有可能会遇到一个或多个3D打印组件。该技术越来越多地被用于通过开发夹具、装配夹具、质量控制工具和更换零件来提高生产环境的效率。在这种情况下,FFF 3D打印提供了许多独特的优势:它有助于现场按需生产(从而最大限度地减少机器停机时间);它不需要工具;这是一种用户友好的技术,生产线操作员和工程师可以轻松掌握;它能够开发出更高效、更符合人体工程学的生产辅助工具,从而提高生产效率和安全性。

 

特别是在汽车行业,制造商已经通过内部采用FFF 3D打印来改变他们的生产流程。例如,大众汽车现在使用UltiMaker 3D打印机生产其绝大多数制造工具。在使用3D打印之前,这家汽车公司依靠外部制造商制造制造辅助工具和工具,通常需要数周时间才能交付。然而,通过内部3D打印,大众汽车Autoeuropa将工具开发时间缩短了95%,成本降低了91%。



大众汽车欧洲工厂的3D打印举升门徽章每件仅需10欧元。图片来源:Ultimaker。

 

大众汽车有很多3D打印制造工具的例子,包括用于正确定位汽车徽章的举升门徽章。该零件过去每台售价400欧元,周转时间为35天,现在只需4天就可以在内部制造,每台售价仅为10欧元。总之,这家年产量为10万辆汽车的汽车制造商现在有能力按需开发和实施工具,以保持其生产线的平稳和安全运行。

 

提升最终用途零件

 

添加剂技术在最终用途零件的运输中也产生了巨大影响。这一应用领域主要由3D打印的设计自由度及其可扩展性驱动,这使得前所未有的几何形状得以实现。在设计方面,3D打印提供了一种创建以前不可能的几何形状的方法,例如有机形状和内部空腔和通道等特征。它还允许零件合并,从而最大限度地减少组装时间,通常还可以减少零件重量。从可扩展性来看,3D打印是低批量生产的最佳制造工艺之一。这对航空航天行业来说是一个巨大的吸引力,因为航空航天行业通常需要较小规模的高度复杂零件生产。然而,扩大生产也是可能的:它只需要添加更多的3D打印机单元。

 

该技术的设计能力在运输领域尤其有价值,在运输领域,将更轻的部件集成到车辆中是提高燃油效率的关键。例如,在航空领域,通用电气的FAA认证GE9X发动机集成了300多个3D打印零件,包括整合的燃料喷嘴尖端。与以前的发动机系统相比,这些印刷零件的轻质设计使燃油效率提高了10%。[4]

 

在汽车领域,3D打印也用于最终用途的生产,尤其是在需要小批量或定制的情况下。美国汽车修复服务公司Tucci Hot Rods定期使用3D打印为客户生产定制汽车零件。这家家族企业依靠3D打印机(包括两台UltiMaker机器)及时、经济高效地制造汽车改装,如3D打印仪表板。得益于这项技术,该公司的生产速度提高了两倍,并节省了高达90%的成本。在SEMA 2022上,该公司推出了一款2021款福特Maverick,该车集成了大量由PETG制成的3D打印部件,包括挡泥板、制动管、尾翼等。[5] 每个印刷零件在组装前都经过后处理,从而形成了一辆独特的紧凑型卡车,利用了AM的定制能力

 

UltiMaker的金属FFF功能也被证明在运输领域具有价值。如今,该公司的可访问金属3D打印功能有很多例子(可能得益于UltiMaker S5、金属扩展套件和巴斯夫Ultrafuse®不锈钢丝的组合),使运输制造商能够生产最终用途的部件。设计和制造柴油发动机的利勃海尔组件Colmar SAS公司为了节省时间和金钱,转而使用金属FFF生产发动机支架。这个零件只需要有限的数量,最初在数控加工时花费102美元,需要很长时间才能制造出来。在验证了金属FFF的应用后,利勃海尔组件公司优化了支架的设计,使最终组件的承载能力是机加工支架的三倍,质量比机加工支架减少了60%。印刷零件还将成本降低了近一半,并显著加快了交付周期。

 

这只是众多案例中的一个。川崎汽车公司为摩托车设计零件,现在用巴斯夫Ultrafuse®17-4PH 3D打印换档杆 不锈钢。这些零件比铝制零件更耐腐蚀,而且成本效益更高。除此之外,这家摩托车制造商现在可以为不同的骑手定制换挡杆。Schwartz Off-Road Motorsportz(SORM)在生产其独一无二的SxS Pro Mod赛车时也使用了金属FFF。具体来说,它将支架组件从碳纤维尼龙升级为17-4PH不锈钢。金属FFF使SORM能够定制零件并实现更大的耐温性。

 

未来创新的机遇

 

如果我们看看交通运输的当前趋势,特别是汽车行业的趋势,很明显,3D打印是推动这些趋势的关键技术之一。例如,增材制造被积极用于电动汽车的开发,用于原型设计和生产零件,包括必须紧凑并设计为最佳匹配的电池外壳。电动汽车还从3D打印实现的轻量化中受益匪浅,因为重量会影响电池里程。[6]



3D打印的最终用途零件。图片来源:Ultimaker

 

3D打印在高性能超级汽车的开发中也至关重要。在超级汽车制造商Briggs Automotive Company(BAC),UltiMaker的S5生态系统是其最新车型Mono R的开发和生产的核心。据该公司称,Mono R超级跑车集成了44多个3D打印零件,包括结构发动机部件、翼镜支架和灯围。该技术使该公司能够测试其高性能汽车的新设计并探索创新解决方案。正如BAC的设计总监兼联合创始人Ian Briggs所说:“UltiMaker生态系统使我们能够将生产的所有不同方面结合在一起,不断优化并存储在一个位置。”

 

建立更可持续的做法和循环经济也是运输业更加重视的一个关键优先事项。正如我们所看到的,3D打印通过生产更轻的零件在这方面起到了帮助作用。但运输公司也有追求可持续发展的途径。

 

以荷兰航空公司荷兰皇家航空公司为例,该公司通过将航班上的PET水瓶改造成3D打印细丝,在创造循环经济方面取得了长足进步。这种细丝用于生产功能部件,如发动机叶片风扇罩,在喷砂过程中保护发动机叶片的零件。这一过程为风机叶片表面的各种处理做好准备,如油漆去除和涂漆、除油和除锈以及一般清洁。通过使用UltiMaker系统和回收灯丝,荷航能够高效、可持续地生产这些功能部件。[7]

 

铁路和海运等其他运输部门正越来越多地意识到附加技术的潜力。多亏了AM,列车MRO服务和德国铁路和ÖBB等铁路公司现在能够对难以或不可能采购的列车部件进行逆向工程和3D打印,从而缩短了列车的停机时间。[8] 越来越多的可用材料,包括高温热塑性塑胶和阻燃丝,再加上UltiMaker等开放材料平台,也为功能性铁路和运输部件创造了新的机会。例如,在奥地利铁路公司ÖBB,工程师们目前正在评估使用UltiMaker系统和Ultrafuse不锈钢丝制成的3D打印不锈钢部件的概念验证。这家铁路公司还采用添加剂解决方案来简化其供应链,这得益于及时生产,并最大限度地减少库存和运输需求。

 

在海运行业,据说该行业占世界贸易的80%以上[9],3D打印有可能支撑脆弱且低效的零部件供应链。在这方面,Wilhelmsen航运公司率先开发了一个认证备件的数字库存,该库存可以打印在船上进行现场维护,也可以在最近的港口打印,以缩短更换零件的交付周期。[10] 这种方法缩短了供应链,不仅简化了备件的采购方式,还通过减少运输排放来提高可持续性。

 

在所有运输行业中,3D打印的实施正在释放效益和效率,包括缩短交付周期和加快上市时间;更大的生产灵活性和工厂生产线的增加;提高设备效率和操作员的安全性;精简业务和缩短供应链;以及更高效的仓储和库存操作。



结论

 

从海洋到天空,像UltiMaker的FFF生态系统这样的3D打印解决方案正在帮助改变所有运输行业。汽车、航空、铁路和海事领域的工程师、原始设备制造商和MRO正在其运营中体验3D打印的好处,并不断探索利用该技术缩短交付周期、节省成本和开发新创新的新方法。

 

参考文献

 

1.2019年至2022年全球汽车制造业收入[互联网]。Statista。2023年8月28日。可从以下位置获得:https://www.statista.com/statistics/574151/global-automotive-industry-revenue/

 

2.汽车3D打印市场:2030年趋势预测[互联网]。Delvens。2023年1月。可从以下位置获得:https://www.delvens.com/report/automotive-3d-printing-market-trends-forecast-till-2030

 

3.到2021年,航空航天和国防增材制造市场价值将达到1301亿美元[互联网]。财富商业洞察。2022年3月30日。可从以下位置获得:https://www.glo

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UltiMaker制造系列。3D打印使整个运输部门能够实现快速原型设计和更高效的制造。

 

3D打印

-增材制造

-运输

 

在这篇UltiMaker支持系列的第四篇文章中,我们将探讨运输行业利用这项技术的多种方式,从快速原型设计到制造辅助工具再到最终用途零件,以及未来的发展趋势。我们之前的两篇系列文章主要关注制造业和包装业。

 

自3D打印技术问世之初,航空和汽车等运输行业就与3D打印联系在一起。为了让你了解这些联系的深度,汽车公司——比如购买了首批3D打印机之一的福特——和航空航天公司是20世纪80年代末3D打印的首批投资者和采用者之一。

 

当时,3D打印代表了一种新的解决方案,可能会破坏零件的设计和原型。如今,随着运输业继续积极采用增材制造,利用该技术的独特能力来生产优化设计,加快产品开发,提供具有成本效益的低批量制造,并支持制造工作流程和供应链,这一潜力和更多潜力已经实现。

 

在添加剂发展的这个阶段,这项技术只代表了运输行业整体价值的一小部分。例如,2021年,全球汽车制造市场估计价值2.86万亿美元[1];据计算,2022年汽车增材制造业约为29亿美元[2](约占汽车市值的0.10%)。但是,随着采用率的提高、流程自动化的提高以及新应用程序的验证,AM在运输中的价值正在稳步增长。例如,在航空航天领域,即使在新冠肺炎封锁导致经济放缓之后,增材制造市场仍在稳步增长,预计2028年将超过130亿美元(2021年为37.3亿美元)。[3] 这种增长在所有运输行业都是如此。

加快产品开发

 

增材制造现在广泛应用于许多行业,用于原型设计和产品开发。运输业也不例外。在汽车、航空和铁路领域,3D打印机使工程师和设计师能够快速、经济高效地打印、测试、调整和验证新设计。至关重要的是,物理3D打印原型使运输制造商能够轻松地回到绘图板上,在不显著增加周转时间的情况下克服设计缺陷(部分归功于3D打印机能够昼夜无人值守地制造零件)。这意味着,不仅可以更快、更便宜地将新设计推向市场,而且可以在产品开发周期的早期发现缺陷,从而降低重大检修和昂贵产品召回的风险。换句话说,3D打印解锁了更好的产品设计。

 

熔融丝制造(FFF)系统,如UltiMaker的系统,特别适合功能原型设计。UltiMaker打印机可以容纳多种材料,从标准细丝到工程级复合材料。这种多功能性使工程师和产品设计师能够打印出与最终零件特性非常相似(甚至匹配)的原型,从而促进功能测试和验证过程。

Eventuri宝马M4的3D打印进气原型。图片来源:Ultimaker。

 

Eventuri为奥迪RS系列和M-Power宝马等高性能汽车制造进气系统,3D打印现在是其产品开发过程中不可或缺的一部分。该公司依靠UltiMaker 3D打印机将数字进气管模型快速转换为可以测试功能和贴合度的物理原型。如果性能不足或不太合适,Eventuri工程师可以简单地在CAD软件中调整设计并重新打印以进行验证。不用说,这种灵活且完全内部的工作流程为公司节省了时间和金钱,并使其能够开发出卓越的进气设计。

 

运输中的制造效率

 

如果你看看今天运输行业的生产线,你很有可能会遇到一个或多个3D打印组件。该技术越来越多地被用于通过开发夹具、装配夹具、质量控制工具和更换零件来提高生产环境的效率。在这种情况下,FFF 3D打印提供了许多独特的优势:它有助于现场按需生产(从而最大限度地减少机器停机时间);它不需要工具;这是一种用户友好的技术,生产线操作员和工程师可以轻松掌握;它能够开发出更高效、更符合人体工程学的生产辅助工具,从而提高生产效率和安全性。

 

特别是在汽车行业,制造商已经通过内部采用FFF 3D打印来改变他们的生产流程。例如,大众汽车现在使用UltiMaker 3D打印机生产其绝大多数制造工具。在使用3D打印之前,这家汽车公司依靠外部制造商制造制造辅助工具和工具,通常需要数周时间才能交付。然而,通过内部3D打印,大众汽车Autoeuropa将工具开发时间缩短了95%,成本降低了91%。

大众汽车欧洲工厂的3D打印举升门徽章每件仅需10欧元。图片来源:Ultimaker。

 

大众汽车有很多3D打印制造工具的例子,包括用于正确定位汽车徽章的举升门徽章。该零件过去每台售价400欧元,周转时间为35天,现在只需4天就可以在内部制造,每台售价仅为10欧元。总之,这家年产量为10万辆汽车的汽车制造商现在有能力按需开发和实施工具,以保持其生产线的平稳和安全运行。

 

提升最终用途零件

 

添加剂技术在最终用途零件的运输中也产生了巨大影响。这一应用领域主要由3D打印的设计自由度及其可扩展性驱动,这使得前所未有的几何形状得以实现。在设计方面,3D打印提供了一种创建以前不可能的几何形状的方法,例如有机形状和内部空腔和通道等特征。它还允许零件合并,从而最大限度地减少组装时间,通常还可以减少零件重量。从可扩展性来看,3D打印是低批量生产的最佳制造工艺之一。这对航空航天行业来说是一个巨大的吸引力,因为航空航天行业通常需要较小规模的高度复杂零件生产。然而,扩大生产也是可能的:它只需要添加更多的3D打印机单元。

 

该技术的设计能力在运输领域尤其有价值,在运输领域,将更轻的部件集成到车辆中是提高燃油效率的关键。例如,在航空领域,通用电气的FAA认证GE9X发动机集成了300多个3D打印零件,包括整合的燃料喷嘴尖端。与以前的发动机系统相比,这些印刷零件的轻质设计使燃油效率提高了10%。[4]

 

在汽车领域,3D打印也用于最终用途的生产,尤其是在需要小批量或定制的情况下。美国汽车修复服务公司Tucci Hot Rods定期使用3D打印为客户生产定制汽车零件。这家家族企业依靠3D打印机(包括两台UltiMaker机器)及时、经济高效地制造汽车改装,如3D打印仪表板。得益于这项技术,该公司的生产速度提高了两倍,并节省了高达90%的成本。在SEMA 2022上,该公司推出了一款2021款福特Maverick,该车集成了大量由PETG制成的3D打印部件,包括挡泥板、制动管、尾翼等。[5] 每个印刷零件在组装前都经过后处理,从而形成了一辆独特的紧凑型卡车,利用了AM的定制能力

 

UltiMaker的金属FFF功能也被证明在运输领域具有价值。如今,该公司的可访问金属3D打印功能有很多例子(可能得益于UltiMaker S5、金属扩展套件和巴斯夫Ultrafuse®不锈钢丝的组合),使运输制造商能够生产最终用途的部件。设计和制造柴油发动机的利勃海尔组件Colmar SAS公司为了节省时间和金钱,转而使用金属FFF生产发动机支架。这个零件只需要有限的数量,最初在数控加工时花费102美元,需要很长时间才能制造出来。在验证了金属FFF的应用后,利勃海尔组件公司优化了支架的设计,使最终组件的承载能力是机加工支架的三倍,质量比机加工支架减少了60%。印刷零件还将成本降低了近一半,并显著加快了交付周期。

 

这只是众多案例中的一个。川崎汽车公司为摩托车设计零件,现在用巴斯夫Ultrafuse®17-4PH 3D打印换档杆 不锈钢。这些零件比铝制零件更耐腐蚀,而且成本效益更高。除此之外,这家摩托车制造商现在可以为不同的骑手定制换挡杆。Schwartz Off-Road Motorsportz(SORM)在生产其独一无二的SxS Pro Mod赛车时也使用了金属FFF。具体来说,它将支架组件从碳纤维尼龙升级为17-4PH不锈钢。金属FFF使SORM能够定制零件并实现更大的耐温性。

 

未来创新的机遇

 

如果我们看看交通运输的当前趋势,特别是汽车行业的趋势,很明显,3D打印是推动这些趋势的关键技术之一。例如,增材制造被积极用于电动汽车的开发,用于原型设计和生产零件,包括必须紧凑并设计为最佳匹配的电池外壳。电动汽车还从3D打印实现的轻量化中受益匪浅,因为重量会影响电池里程。[6]

3D打印的最终用途零件。图片来源:Ultimaker

 

3D打印在高性能超级汽车的开发中也至关重要。在超级汽车制造商Briggs Automotive Company(BAC),UltiMaker的S5生态系统是其最新车型Mono R的开发和生产的核心。据该公司称,Mono R超级跑车集成了44多个3D打印零件,包括结构发动机部件、翼镜支架和灯围。该技术使该公司能够测试其高性能汽车的新设计并探索创新解决方案。正如BAC的设计总监兼联合创始人Ian Briggs所说:“UltiMaker生态系统使我们能够将生产的所有不同方面结合在一起,不断优化并存储在一个位置。”

 

建立更可持续的做法和循环经济也是运输业更加重视的一个关键优先事项。正如我们所看到的,3D打印通过生产更轻的零件在这方面起到了帮助作用。但运输公司也有追求可持续发展的途径。

 

以荷兰航空公司荷兰皇家航空公司为例,该公司通过将航班上的PET水瓶改造成3D打印细丝,在创造循环经济方面取得了长足进步。这种细丝用于生产功能部件,如发动机叶片风扇罩,在喷砂过程中保护发动机叶片的零件。这一过程为风机叶片表面的各种处理做好准备,如油漆去除和涂漆、除油和除锈以及一般清洁。通过使用UltiMaker系统和回收灯丝,荷航能够高效、可持续地生产这些功能部件。[7]

 

铁路和海运等其他运输部门正越来越多地意识到附加技术的潜力。多亏了AM,列车MRO服务和德国铁路和ÖBB等铁路公司现在能够对难以或不可能采购的列车部件进行逆向工程和3D打印,从而缩短了列车的停机时间。[8] 越来越多的可用材料,包括高温热塑性塑胶和阻燃丝,再加上UltiMaker等开放材料平台,也为功能性铁路和运输部件创造了新的机会。例如,在奥地利铁路公司ÖBB,工程师们目前正在评估使用UltiMaker系统和Ultrafuse不锈钢丝制成的3D打印不锈钢部件的概念验证。这家铁路公司还采用添加剂解决方案来简化其供应链,这得益于及时生产,并最大限度地减少库存和运输需求。

 

在海运行业,据说该行业占世界贸易的80%以上[9],3D打印有可能支撑脆弱且低效的零部件供应链。在这方面,Wilhelmsen航运公司率先开发了一个认证备件的数字库存,该库存可以打印在船上进行现场维护,也可以在最近的港口打印,以缩短更换零件的交付周期。[10] 这种方法缩短了供应链,不仅简化了备件的采购方式,还通过减少运输排放来提高可持续性。

 

在所有运输行业中,3D打印的实施正在释放效益和效率,包括缩短交付周期和加快上市时间;更大的生产灵活性和工厂生产线的增加;提高设备效率和操作员的安全性;精简业务和缩短供应链;以及更高效的仓储和库存操作。

结论

 

从海洋到天空,像UltiMaker的FFF生态系统这样的3D打印解决方案正在帮助改变所有运输行业。汽车、航空、铁路和海事领域的工程师、原始设备制造商和MRO正在其运营中体验3D打印的好处,并不断探索利用该技术缩短交付周期、节省成本和开发新创新的新方法。

 

参考文献

 

1.2019年至2022年全球汽车制造业收入[互联网]。Statista。2023年8月28日。可从以下位置获得:https://www.statista.com/statistics/574151/global-automotive-industry-revenue/

 

2.汽车3D打印市场:2030年趋势预测[互联网]。Delvens。2023年1月。可从以下位置获得:https://www.delvens.com/report/automotive-3d-printing-market-trends-forecast-till-2030

 

3.到2021年,航空航天和国防增材制造市场价值将达到1301亿美元[互联网]。财富商业洞察。2022年3月30日。可从以下位置获得:https://www.globenewswire.com/news-release/2022/03/30/2412529/0/en/Aerospace-Defense-Additive-Manufacturing-Market-to-worth-USD-13-01-Billion-by-2021-2028-Aerospace-Defense-Additive-Manufacturing-Industry-CAGR-of-19-51.html 

 

4.3D打印喷气发动机:认识将3D打印带入全球最大喷气发动机GE9X的年轻工程师团队[互联网]。通用电气,2020年1月26日。可从以下位置获得:https://www.ge.com/additive/stories/3d-printed-jet-engine-meet-team-young-engineers-brought-3d-printing-inside-ge9x-worlds-largest

 

5.曼迪真的。SEMA[互联网]的3D打印定制卡车。Youtube。2022年4月16日。可从以下位置获得:https://www.youtube.com/watch?v=q8nky814iE

 

6.谢,大卫。AM如何迎来新一代电动汽车[互联网]。VoxelMatters。2023年1月2日。可从以下位置获得:https://www.voxelmatters.com/how-am-is-ushering-in-a-new-generation-of-evs/

 

7.达到新高度:3D打印和航空航天[互联网]。UltiMaker。2023.可从:https://ultimaker.com/learn/reaching-new-heights-3d-printing-and-aerospace/

 

8.DB[互联网]的3D打印。德国铁路。2023.可从: https://www.deutschebahn.com/en/3d_printing-693510

 

9.《2021年海运回顾》[互联网]。UNCTAD。2021。可从: https://unctad.org/publication/review-maritime-transport-2021 

 

10.哈肯,埃勒克亚尔。3D打印:为备件提供更强大、更有弹性的供应链[互联网]。威廉森。2023.可从: Ellekjaer, Hakon. 3D Printing: Offering A Stronger and More Resilient Supply Chain for Spare Parts [Internet]. Wilhelmsen. 2023. Available from: https://www.wilhelmsen.com/ships-service/digital-ventures-mp/3d-printing-Offering-A-Stronger-and-More-Resilient-Supply-Chain-for-Spare-Parts/

 

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