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工程机械制造的新方法

    3D打印(3DP)即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,采用数字技术材料打印机通过逐层打印的方式来构造物体的技术。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

    3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体,从而极大地提高生产率和降低生产成本。而如果这一技术能够在工程机械领域得到广泛的应用,意味着传统的生产加工线将成为历史。而当大型制造商人工密集型或机器密集型的生产方式丧失竞争优势时,就会有更多的中小企业有机会参与到市场竞争中来。
    当然,依靠3D打印技术进行整机生产,从目前来看可能还是相当遥远的事,但是不可否认的是,3D打印技术的不断发展和推广,会在未来逐步影响工程机械行业的格局。3D打印技术或许将改变工程机械零配件供应的形式,从而削弱地域的垄断。
    通过对装载机用户的调查发现,用户在购买机器的时候,除了机器本身,更关心的是配件问题。如果某一企业并不能为当地提供及时的配件服务,那么这将导致用户流失。如果当地经销商拥有了3D打印设备,厂商只要将配件图纸传给经销商,由经销商打印然后为用户服务,这将大大增加用户的生产效率和黏性,增强品牌的竞争力度。
    3D打印技术所带来的定制化趋势,也将使得中小制造商在竞争中获益。中小企业可以通过3D打印技术,对某些零部件进行定制化生产,依靠满足客户个性化的需求来赢得客户的青睐。例如,目前挖掘机械驾驶员对挖掘机的采购所起得影响作用越来越大,因此驾驶舒适性日益成为制造商不可忽视的一个方面。中小型制造商完全可以通过3D打印技术,为挖掘机用户量身定做符合他们人体特征的座椅,从而吸引用户的购买。
    虽然3D打印在工程机械领域还没有进入到生产层面的应用,然而从卡特彼勒到博世力士乐都在积极地运用这一技术提升效率、降低成本以及打造核心竞争力。

    

    卡特彼勒

    工程机械巨头卡特彼勒在1990年就建立了快速原型实验室。该实验室使用了大量的增材制造技术来生产推土机、挖掘机以及其他设备的零件,而且还为车间的员工制造工具。现在该实验室已经并入卡特彼勒新成立的增材制造集团,使用增材制造过程包括FDM,SLA, SLS来生产测量工具、展示模型,组装夹具,手工具以及其他的功能部件:
    测量工具 
    卡特彼勒发现一系列的测量工具的需求是可以通过3D打印塑料来满足的。例如,公司需要生产测量工具来测量零件的磨损程度,包括挖土斗的“牙齿”磨损情况,通过3D打印的辅助测量工具可以在野外直接测量磨损程度,并且这些塑料3D打印制品的精度和金属测量工具的精度一样,这些辅助工具可以一个晚上就生产出来,仅仅耗费大约40~50美金的塑料材料,不仅节约材料而且节省时间。
    生产模型 
    卡特彼勒发现在开发新产品的时候,3D打印可以加速和优化新产品开发速度和流程。拿履带式推土机连接组件来说,通过3D打印ABS聚碳酸酯的轻量化零件使得Caterpillar员工无需等待沉重的锻造零件就可以开始三坐标测量程序。这项调整为卡特彼勒年节约16万美金。
    博世力士乐
    博世力士乐在德国自1850年就有自己的有色金属铸造工厂,随着组织的重点放在设计和生产成品上,零件原型和更短的生产期是铸造厂最主要的发展方向。
    在液压系统中,为了满足客户需要而添加更多的功能,就需要更复杂的铸件。博世力士乐对铸造的灵活性和成本意识提出了更高的要求。而3D砂模打印技术有助于实现这些更高的要求,3D砂模打印技术的优势是速度快,不用投资木模和金属模,自由造型使得砂芯的设计越复杂,越适合用3D打印技术。
    液压系统由于其复杂的管道设计在用传统的金属切削方法加工的时候受到传统加工方式的局限性限制。3D打印高度的灵活性恰恰可以解决传统方式的局限性,带来更灵活的设计空间。使用3D打印的方法,可以几乎不受加工限制,具有高度灵活性,根据流量的仿真结果对液压流体的流动进行了内部通道设计的改进,可以精确的加工复杂的横截面几何轮廓。3D打印加工出来的管件的压力损失减少到常规制造的管件的压力损失的20%。此外,3D打印出来后不需要任何后期处理,表面质量足够好,可以直接与法兰连接。即使在1400 bar的压力测试中,3D打印零件无塑性变形、无渗漏现象发生。
    当然,3D技术何时能得到大规模的应用,目前还很难预测。但是随着技术的发展和进步,或许工程机械的3D打印时代真的已经不再遥远。