加法制造

最近制造业的一个重大发展是增材制造，即3D打印。考文垂的制造技术中心有一个最前沿的团队，技术经理David Wimpenny向Chris Smith讲述了增材制造是如何真正改变游戏规则的……

大卫:这和传统的制造方法太不一样了。正如迈克已经说过的那样，我们习惯于通过注塑成型制造零件，其中零件的形状由模具控制，或者通过将一块材料加工带走以形成形状。这两种技术都有缺点，比如浪费成型的材料、几何灵活性和需要固定的工具。

加法是一种相当简单的技术。你只是通过将一层又一层的材料叠加在一起来制作物体。它允许零件几何形状方面的无限灵活性。当然，另一个好处是，你可以按需打印零件，你不需要有交付时间和时间来分离模具，例如，所以它真的是一个游戏规则的改变者。你可以想象一个正在形成的部分，在每一层上都可以有不同的材料分布，每一层的分布都可以改变。我能想到的是，没有任何一种流程能允许这种灵活性和随之而来的潜力。

克里斯-我想继续你关于按订单生产这些东西的观点。当然，当我们过去设计或制造东西时，制作原型是非常昂贵的，实际上通常东西的开发非常非常缓慢，但如果你可以3D打印东西，你可以非常便宜地尝试很多不同的想法。

大卫:当然，你从想到一个想法到能够把它投入生产的时间是非常短的。现在我们有大量的新公司，你有一个企业家可能坐在他的卧室里设计一些东西，第二天可能会要求你的公司打印它，甚至没有打印设备本身。印刷设备可以设在世界任何地方。这是我们在制造业中从未见过的灵活性。当然，另一个优势是，我们可以打印为个人定制的东西。打印一些东西，比如为髋关节手术定制的植入物，也有很多做过牙科手术的人会为他们制作植入物，尤其是通过3D打印来满足他们的具体需求。所以这种灵活性是传统制造业所没有的。

克里斯:人们通常对使用塑料的3D打印机很熟悉，但实际上劳斯莱斯几年前就登上了头条，当时他们的发动机分开了，这是最大的3D打印飞行部件。他们打印了一整块喷气发动机，显然他们使用了金属，所以告诉我们如何在3D打印环境中使用不同的材料来制造非常专业的部件。

大卫:其中一些材料，特别是在航空航天工业中，钛合金部件，是非常常用的。但这是一种很难加工的材料，很难加工，而且也非常昂贵。如果你使用这些更奇特的材料，你真的不想浪费这些材料，所以增材制造提供了潜力。它不仅仅是复杂的形状，而且也不会浪费材料，你可以在你想要的地方添加和打印材料。

克里斯-那它到底是怎么工作的呢?如果我想用非常昂贵的材料制造一个非常复杂的发动机，我该怎么做?

大卫-是的，这是个好问题。所以通常我们取一种粉末一种很细的粉末，我们把它铺在很薄的一层上，然后我们用激光或电子束有选择地融化这些粉末，在物体上形成一片。然后这个过程一层一层地重复，有效地形成整个组件。它开始是粉末，最后变成固体金属。

从结构上看，它的完整性好吗?我问这个问题的原因是，我很幸运地去了位于德比的劳斯莱斯精密铸造工厂，他们用金属的单晶制造喷气发动机的零件。所以当他们制作铸件时，他们把它倒入一个非常热的模具中，然后他们在物体的一端开始这个小的结晶过程，然后扩散到他们正在制作的整个东西。这给了它巨大的力量。如果你每次只融合一小部分你会得到同样的单晶，同样的强度?

大卫:我们目前正在努力解决晶体问题，这是我们还有很多工作要做的地方。但与传统锻件相比，我们得到的一件事是，我们可以得到非常精细的微观结构。这种材料本身比传统的制造技术有更好的性能，当然也比铸件好，因为我们习惯了铸件有很大的缺陷，在某些情况下，对于某些复杂的部件。

你正在从你使用的材料中获得更好的，我们称之为冶金，但我们仍然在努力获得你从单晶中获得的质量，但是，当然，在未来，它可能根本不使用金属。我们可能会使用陶瓷先进的陶瓷用于高温，高腐蚀，燃气轮机的区域。温度越高，发动机的效率就越高。陶瓷是很难形成的传统，所以添加剂是另一种方法来形成这些难以制造的材料。

Chris -我以前从来没有听过任何人谈论3D打印陶瓷材料。所以如果你说他们很难合作，为什么他们很难合作，我们将如何做到这一点?

大卫:一般来说，它们很脆，很难塑形。通过增材制造，我们可以将粉末形式的材料拆开，并将其塑形。这也使它们在加工过程中对开裂不那么敏感。所以我的同事们现在正在研究一种机器，我们在上面铺上一层精细的陶瓷材料，然后用喷墨打印头打印粘合剂。这就形成了我们所说的绿色组件，实际上是一种松散结合的陶瓷组件。它可以被加热并在熔炉中燃烧，以制造一个完全致密的组件。这彻底改变了陶瓷制品的形状。还有可能混合使用传统散装工艺很难混合的陶瓷。它可能会彻底改变陶瓷行业，但陶瓷仍然落后于塑料和金属增材制造工艺，因为它们存在的时间更长，投入的资金也更多。但陶瓷是下一个出现的东西，我们开始看到真正重要的发展。

Chris -那你会和什么样的行业打交道呢?我可以想象医疗植入物制造商可能会发现陶瓷的用途，因为人们担心金属的磨损部分，比如髋关节置换术，但还有什么?

大卫:任何有高温和腐蚀性环境的地方，陶瓷都是一大优势。在非常高的温度下也有应用，在航空发动机中，特别是空间应用。用于将宇宙飞船送入太空的火箭需要非常非常高温的材料，而我们现有的材料通常不能可靠地持续足够长的时间，但陶瓷有额外的耐热性。