【3D打印高端演讲】英国Renishaw总监Andy Buttrey：3D打印金属零件

【导读】 在6月下旬，世界3d打印大会在青岛举行。南极熊3D打印网也到了现场进行了大量的报道，详情请看南极熊报道 http://www.dddyin.com/forum-103-1.html 。南极熊作为一个3d打印的专业媒体平台，一直致力于推动中国3D打印行业的发展。希望下面的一些内容对大家有所启发。


Andy Buttrey：下午好，我的演讲大概要花费二十分钟的时间，希望你对我的演讲会感兴趣。今天我将首先介绍一下我们自己的公司，然后讲述一下我们目前在生产方面的挑战。

在过去几天我们讲到了增材生产以及减材生产，我们将会讲一下在不远的将来，增材生产的未来趋势。或许我的演讲会有一点不同，或许跟其他的演讲人意见也有点不同，我讲的是近期而不是远期的未来。

在我们的讲述当中，我们生产金属零件，利用这个技术生产金属零件，与此同时我们也是这种打印机的供应商，所以说我讲述的这个主题就是金属零件，所以说是非常细分的一个部分。

首先Renishaw是一家英国的公司，我不想结束更多关于英格兰足球队的问题，我们大多数的制造部门都是基于英国的。我们每年收益大概是5亿美元，我们把收益当中的18%投资于研发，我们全世界的雇员大概有3200人，在中国有150个雇员，而且在中国有11家分公司。

首先我们是一个制造商，我们生产零部件，这个零部件也安装到我们自己的产品当中，这一点可能与其他的演讲人有点不同，我们尽量的减少我们产品的重复性，这样能够减少我们的成本。事实上我们是用我们自己的产品来生产自己的产品，所以说我们现在既使用增材生产也使用减材生产。

左边是我们的工厂，我们实行低量但是非常多元化的零部件的生产，大概每批是100到2000个，每周生产20到3500个，我们的产品非常多元化但是量比较少。我们最出名的产品就是过程的控制已经监测，这是我们的一些最著名的产品。

我们的产品在测量元器件当中占据了18%以上的市场，主要是用于过程控制，比如说剪切机械以及控制机械等等。在角上这个图片是生产的零部件，而且在增材生产方面，我们的产品也用于医疗以及医药部门，比如说在牙医当中，我们会生产扫描仪，能够对口腔进行扫描。不久之后我们就开始自己生产牙医用的零部件，所以说我们一方面是牙医零部件的使用者，同时也是生产者。我们还进行脑部扫描仪的零部件，以及手术零部件的生产。所以说我们一个重要的驱动因素就是这个行业的应用，我们是因为应用而发展我们的行业。现在我们遇到的挑战主要不光是生产方面的挑战，还有其它方面的挑战。

在生产方面有几个驱动的因素，第一个就是市场，第二个就是消费者，他们希望在最短的时间内要高质量的产品，减少成本，最好越便宜越好，与此同时他们要高性能、更复杂的高质量的产品。

另外一个驱动因素就是材料的成本。材料是一个重大的开支，包括劳动力的成本、工厂的成本，与此同时能源也是一个重要的驱动因素。与此同时还有一些不确定性，有的时候很难预测我们的销量。最比较重要的一点就是制造商本身最为关注的就是解决的方案，而并不是单单的技术，比如说增材生产还是减材生产。

我们要做的就是我们要解决遇到的这些问题和挑战，通过更加转变劳动力的成本，减少生产的环节，减少零布件的重复率和毁坏率，与此同时在之前有演讲者就说到我们要建立一个追溯系统，每一批的产品都可以进行很好的追溯。

在于减材生产当中我们也有很多年的经验，这是我们在减材生产当中的优势。首先我们的设备以及我们的经验，都是为我们的密一个员工所深知，所以他们受到的培训以及掌握的知识是非常丰富的。而且我们的产品也可以供应于航空业，我们有很重要的程序控制部件，有的时候如果我们利用这个减材生产可以很好的获得测量的数据。对于我们多任务的机器也非常具有优势，而且我们在多任务机器生产方面的市场份额不断的增加。

我再为大家介绍一下这样一个减材机械相关的情况。可以看到技术在这个阶段出现了成熟化，在这样一个时候，人们都认为CNC的机械可以是一个万能的工具，可以降低生产成本，并且使得设计的自由度和复杂度变得更加的高。

很有意思的一点就是现在大家关注于这样的一个减材制造的关注点，就是能够实现一个多轴的机械和多纺锤体的机械体。所以说我想在此强调的就是设计是非常关键的，并且设计的灵活度是非常重要的。我们希望能力利用这样一个减材的制造工艺，使大家更好的预测未来的运作状况。

可以说现在存在一些挑战，可以说有一些弱点，包括生产当中存在很多的废物，像航空航天领域90%的制作材料都没有被利用起来，并且可以说对于这些废物进行回收再利用的过程也存在一些挑战。还有一些其它的限制，包括还有一些终端的设计，还有最后的一些工艺都不是非常的完善，一些铸造等等这些工艺都没有成熟。

关于增材制造是什么样的情况呢？Econolyst可以使得非常复杂的几何体得以生产和制造出来，我们可以使得多线路的工艺变得非常的简单易行，并且使得供应链和基本投资大大的减少。现在有基于互联网的生产平台，可以使得一些设计放在平台之上，这样一个过程就会得到高效化。

可以说增材制造有一个残酷的现实，差距200个部件还有产品以及商业的模型，他们都不是能够完成的，适用于增材制造的模式。其中包括许多的特性都是不稳定的，有一些不确定性，所以说在这样的一些，包括在它准确度、表面的完整度还有生产当中的一个多变度和多样性都是有待改善的。

到底这样一个增材制造最适合应用在哪些领域呢？大家在之前的幻灯片看到很多的例证和构想，它最好能够放在，比如说在牙科，可以说牙科领域的应用在增材制造方面发展的非常迅速，我们还有一些其它领域也是非常具有前景的。

还有一些不是那么为大家所了解的增材制造领域就是能够生产热能管理和医学的。除此之外还有一些其它的，包括贵金属的使用。

挑战是什么？现在有一些非常重大的挑战是为增材制造人们应该予以进行改变。现在包括这样一些设备的校准，还有一些标度，是应该更加的可追溯，并且更加的精准。同样我们需要在这样一些运作的方法，还有一些工艺后期的方法上面，比如说一些热处理以及表面的完善方面都应该得到更好的改善。并且现在许多的一些材料都没有完成这样的研发，没有完全能够供应到实际的生产当中，所以说产业化和商业化的过程需要得以完善。在这样一些未来我们希望把它大规模的投入到制造和生产当中，所以说这些挑战必须得以应付和克服。最大的挑战一定是高效和高速的流程，同样我们也应该完成最终成品的精准度。

这就是一个图像的表达，向大家展示的一个是50微米，一个是20微米的模具形态。当然说这样的精度更高，所要花费的时间就更长。未来我们将使用这两种不同的应用来改善人们的生产状况。这就是一些例证，有一些地方我们结合了减材和增材的制造工艺。

首先不管是在药物或者说是对于大脑的这么一个刺激方面我们都使用了这两种工艺，一个是慢性药的传输系统。在左边和右边这个图上大家可以看得很清楚，同样我们还使用了一个减材的工艺来进行达到更加精度化的要求。这就是我们把药物传输到大脑深处的工艺。

还有一些牙科的结构和例证，可以说很长期以来我们都会使用这样一些工艺来制造这样的一些产品。牙冠也是使用了这样一个工艺的，我们必须要实现这样的一个最精准的配型，并且能够最终完成最理想的模具。

可以说这样一个模具它是一个冷却的模具，这样一个冷却通道它可以模拟非常复杂的冷却通道，我们可以把它应用到一些减材工艺。如果我们使用一些增材工艺的话，可以说做顶层的设计是比较不太推荐的，但是如果说结合一些减材工艺的话，我们可以说这样一个冷却的系统可以更加高效的制造出来。自行车也是一个很好的例子，告诉大家我们能够使用钛合金来进行生产，可以说这比原来的一些设计相比是优化了不少的。

最后进行一个总结。现在的现实就是，可以说事实上增材制造关键就在于制造，可以说制造商购买的并不是技术，他们购买的是问题的解决方案。其中一个非常关键的部分就是要找到如何能够找到问题解决的办法，哪些地区，哪些区域是应该使用增材技术，哪些使用减材，哪些两者结合。同样我们更好的对于工艺方面获取更多的知识，然后最关键就是对于知识和技术的了解。

我们现在处于跟那个时候比较相似的阶段，我们认为增材技术基本上可以完成所有的工作，我们应该建造起一个新的机械工艺中心。

我想引用我一个同事的话，他说当我们一个增材制造时代完全到的时候就会知道，因为它不会被称为快速制造或者电子制造增材的生产，而是绝对会被称作制造，谢谢。

Bob Bennett：在我的演讲当中，我想强调的是到底我们面临什么样的挑战，我们在运用3D打印来设计这些不同的金属材料元件的时候，我还会谈一下3D打印的应用，包括3D打印在我们的展览当中展示的这种应用。

    给大家介绍一下Renishaw这个公司，我们有几个部门，几年前我们收购了一个比较小的公司，叫MTT，这是一个英国的公司，主要是制作增材材料的，我们把它的技术做到我们的业务当中。包括两个部分，一个是医疗，比如说像机床等等，这些都是度量学的设备。这个是牙科的、医药的，还有我们的产品线，增材技术包括了医疗和度量学。我们的牙科部门其实是用这个增材制造的3D打印的技术，用镉和钛合金作为材料。

    我们的公司收入达到了5亿美元，我们18%的收入都是再投入到研发当中，所以我们是一个纯粹的技术公司。我们全球都有员工，我们在中国的员工是达到120个，在中国设立了办事处。MPT就是我所来自的部门。

    这是我们工厂的照片，在末端就是我们的办公室，我们在英国有很大的技术公司，还有中国的上海也是覆盖亚太区，还有美国的芝加哥，还有在德国也有我们重要的技术中心。

    我们这个机器的制造工厂拥有非常现代的生产线，同时我们也在开发新的产品，我把它叫做资源集团工程，包括软工程、激光、软纤维等等这些工程技术。

    在上海我们将制造一个新的工厂，它的面积是4000平方米。我们的技术支持和应用服务都是在这个新的工厂当中。这是我们当前的设备，是AM250，就是增材制造250系统。它是200瓦到400瓦，对于这个汽油的消耗也非常低，每小时是10升。它也是支持铝合金和相关的一些材料。

    在应用来讲的话，我们在做很多的原形，很多都是制造的技术，我们现在在英国航空公司包括军事的一些设备都在用我们的技术。航空领域也是我们增长迅速的一个领域。还有机床制造，比如说IBC，这是德国的分公司，而且我们是全球提供相应的服务。而且在流程和处理材料方面，在重庆和金华我们都有相关的研发。

    我想跟大家分享的是这个设计的过程当中，AM提供的一些优势，我们如何确定这个部件是符合或者是适合用AM。AM主要的优势，首先它在打印非常薄的这种壁是非常有优势的，基于这种激光的系统，是用小直径的光束，所以低于200微米都是可以使用这种技术。

    在这个图上你可以看到，它是智能的通道，还有这个轴在这里，而且是非常轻量的结构，这是在航空领域使用的一个结构，极大地减少了它的重量。在这里我们还有这样的一个部件，这是一个智能的插件。这是空客使用的结构。

    是不是这些部件适合用AM或者3D打印呢？非常明显的是，上面的这两个图，这是廉价制造的，而且是很快被制造的，只要有流程就可以。但是EDS的零部件，你看到它原始的设计被进行了优化，它可以介绍它的质量，这也是AM应该用的领域，对这些部件你从来不会用AM，也有一两个部件可能需要很快来进行制造，3D打印就可以实现这一点。但是对于大规模的应用和优化的话，显然不是很恰当的。

    一个挑战，对我们来讲在3D的金属打印，这是它的这种吊架，悬挂45度是需要有一个支撑的，但是并不是支撑的结构，更多的像一个角，把它进行一个恰当角度的悬挂，这样的话可以减少不必要的冲击。

    在这里可以看到这个部件，因为它没有得到支撑，所以最终出现了故障，所以我们需要固定金属的支架。这样的话，这个部件的表面就离这个粉末更远，这样的话推开它在这个部分它的粉末其实已经是受到了影响。在这里你可以看到，这很好展示了不应该做什么，20%必须要有完全的支撑。

    对这些悬挂的件来讲，这张图给大家介绍的是，在一个垂直的平面上是非常容易的，没有任何的问题，但是一旦接近45度，任何悬挂的表面都可能会失效。所以支撑结构，必须要被采用。

    另外一个被悬的方案，看一下悬挂的切面。在这里，不是在这个领域应用支撑结构。可以在设计之后应用上去，这取决于这个部件最终应用在哪里。对于这个孔状的部件也是需要支持的。如果不需要支撑，我们能够转的最大的孔就是在10毫米以内。如果说我们有很大直径的需求，那我们就可以把这个部件的几何形状给它进行一个改变，这样来去避免使用45度的支撑结构。

    对于这个冷却通道，一般情况下它是圆的，没有问题。但是对于大的几何体的话，或者大的直径的这些部件，最好是用弧形的或者是椭圆形，这样的话可能会带来很大的波动。

    这里有一个阀体，这里是没有支撑的，但是圆的直径的话，带来中间的支持，确实是可以解决的。我们可以看到这个方向的配置，这是很重要的，如果有这样的一个很好的角度的放置，它可能就会支撑自己的表面。

    我们再来看这个格子状的这个结构。在这里这张图并没有遵循我刚才讲的这些规则，因为它更多的是采用增值制造，非常必要的精格的结构。

    我们再来看一下在汽车和赛车当中，他们应用的结构。因为像这种交通工具，它的速度非常快，所以我们必须要去采用非常特殊的结构，这也是一个很好的例子，用这个增材打印机技术来应用到这个特殊的领域。

    还有DELPHI系统，在这里可以看到这是大众公司的一个汽车部件。这需要几个助理，比如说对机器铸件的制造。来看一下在后续的这种处理，如何减少这些作业流程。这是最初的一个设计，非常好，四面都有一些通道，而且这些通道进行了平滑处理，这样的话我们就可以减少后续的处理流程。

    我们再把金属件扩展厚度，红色的部分都是固定的几何体，绿色的部分都是在设计领域可以来进行改造的。所以，我们用这些突破软件就可以来优化这些部件承受影力和压力。最终的效果是什么样的呢？在这里我们可以看到，这是一个部件的图片，它这样一个有机的形状可以能够接受最大的扭曲和最大的变形压力。

    我们可以看到，很多的这些承受硬力的部分都进行了平滑的处理，而且重量也减少到了1.2公斤。各个不同的一些通道基本上这个长度都是一样的，可以看到它的这个流量是进行了很好的平衡，这也是1.279的模型。

    还可以制造一些混合的工具。在这里大家可以看到，这是直孔，这个机器很容易就可以实现，然后在上面把这个冷却的通道设计在上部。在这里也是同样的道理，在部件的内部怎么来设计和制造出非常复杂的冷却通道。

    我们再来看一下这个冷却的效率。看来这个部件，这是实时的一个数据。你可以看到它加热和冷却是非常迅速的，因为所有的这些通道是尽量地接近于表面的。

    这是传统的熔件，用3D打印就可以创造出这样一个非常复杂的冷却系统。可以看到和传统的部件相比的话，我们看到它可以实现一个非常大的部件，而且它对热的反射效率是非常高的，这个冷却的通道显然是非常昂贵的，但是它的投资回报也是可以在三个月之内收回投资。

    关于第三个3D打印的自行车，Empire Cycles是我们的一个分公司，主要是制造高端的比赛用的自行车，主要是用碳钛合金和光纤，用钛，它的强度更高，这种技术可以证明。

    现在所有的这些框架它都是铝合金做的高合金。首先我们要看一下在前面这个座位的支撑部分怎么来进行优化。这个图给大家来解释到底哪一些支撑可以是去掉的。这也是我们软件最后形成的一个优化的设计，但是一开始只是一个比较粗劣的方式，最终进行更多的优化，这是第一个版本，这里有很多支撑的结构。这是中空的结构，也是钛做的。但是最重要的呢，是它减少了某些不必要的地方，这里太平了，这里也是。这个是平的，这个是弧形的，一些不必要的地方就可以去掉了，我们就把整个的这个架子，我们在以我们的平台上制造出来的这个架子。它达到了欧洲的标准，而且比标准做得要好。最后，我们把整个的车框架建造出来，这三天多一点就做出了这个框架。

    所以这个说明什么问题呢？首先我们设计有更大的自由度，如果说我们的设计师懂得3D打印的话，他们就知道我们的工艺的话，就可以通过他们的设计来对有关的形状，这样的话对于有关的弯曲度进行好的设计，这样的话可以在技术上有这样成熟的技术，而且在商业上也有很好的应用前景。