3D列印如何在頂尖科研中心服務百餘位工程師

2020-10-04 非凡士3D印表機

英國謝菲爾德大學的先進位造研中心 (Advanced Manufacturing Research Center) 在機械加工、生產製造及材料開發方面都引導著很多世界一流的研發項目。這些項目的成果已助力超過100家不同大小的企業獲得新的突破，包括波音公司、勞斯萊斯、BAE Systems、空客等著名企業。這些企業往往會帶著非常明確且刁鑽的技術問題來到 AMRC 嘗試具有創新性的解決方案，然後研發團隊會嘗試應用最新的技術和工作流程來開發對應的概念並測試可行性，最終應用到企業的生產或研發流程中。

英國謝菲爾大學AMRC園區

AMRC的目標是探索不同頂尖新型技術並提高它們的應用範圍，從而加速創新。近期，團隊採購了12臺光固化3D印表機 Form 2， 並建立了一個 "3D列印站"，供整個研發團隊使用。數周內列印站已達到滿負荷狀態，列印件出現在數百個項目中。

"這樣一批印表機顯著地提高了我們的運作效率，現在可以說我們隨時隨刻都有上百個項目應用著3D列印，服務著上百位工程師。在工程師們擁有內部3D列印後，製造部件的時間已從一周半的時間縮減到幾小時。"AMRC增材製造技術總監馬克·可英說。

馬克將12臺 Form 2 分成兩排放置在鐵架上，並配置了數臺 Form Cure 及 Form Wash 用於清洗及後處理。鐵架側面設置了構建平臺、安防工具、使用說明、風險評估工具及一個列印件的過渡存放區。

3D列印站由一個技術人員管理和維護。技術人員通過 Dashboard 監控每個印表機的列印狀態及樹脂使用情況。這樣，整個研發中心的工程師們即可隨時安排列印任務，唯一需要做的就是按 "開始列印" 鍵。

AMRC內部

研發中心的所有工作人員都可報名3D列印培訓課程，通常只需45分鐘到1個小時即可完成。完成時，工程師們基本上已經成功列印了他們的第一個列印件。

通過口頭傳播的知識分享是最呈現有機增長的。受過培訓的工程師們常常會立即開始使用3D印表機並把他們的作品帶回所屬部門，用於證明不同概念模型、原型或直接組裝到機器當中。

AMRC 3D列印站

AMRC的3D列印應用案例

1、鑽孔蓋帽

通過利用3D列印站，團隊與空客公司 (Airbus) 合作的研發項目在48小時內完成了500個鑽孔蓋帽的列印，成功避免了交叉汙染。

2、機械臂支架

工程師在嘗試不同材料後，使用Formlabs Durable Resin材料列印的改良支架，使機械手臂能在自動化生產流程中持久地完成複合材料的抓取工作。

3、溫度感應器固定裝置

在核能行業中的一個自動化焊接項目中，研發人員3D列印了一批能在高溫環境作業的墊圈、支架及感應器固定裝置。

4、絲材滾輪

負責複合材料的研究員為纖維纏繞機製作了一組定製化滾輪。該機器生產用於航空航天項目中的不同密封軟管，滾輪部件是一個持續傳輸碳纖維或玻璃纖維等絲材的關鍵部件。

48小時，500個部件

Factory 2050

AMRC的首棟建築"工廠2050"（Factory 2050），耗資四千三百萬英鎊建造。在此工廠中工作的是一個稱作集成製造組（Integrated Manufacturing Group）的團隊，負責與不同行業的企業將先進的技術集中於此地並將其應用於開發集成系統。他們的重要挑戰之一是確保自動化、數字輔助裝配和加工技術等複雜程序能在不同環境中順利進行。

最近，團隊與歐洲最大的航空航天製造商 - 空客公司 - 開展了一個項目，主要涉及碳纖維、鋁和鈦金屬組件的高精度鑽孔和機械加工。

鑑於嚴格的航空航天要求，此項目試驗期的一個重要目的是防止鑽孔的交叉汙染。但在項目開展後不久，團隊成員意識到原計劃的解決方案存在漏洞。而若想要通過機械加工或注塑成型更換零件，項目完成時間將延遲數周。

自動化鑽孔

"鑽孔過程中的一個關鍵要求是我們的鑽孔中不能有任何汙染。汙染指的是在鑽完一個孔後在開始鑽下一個孔之前，我們需要蓋住第一個孔以避免鑽新孔時碎片及粉末不會汙染原有的孔。當我們意識到我們需要這樣的特殊鑽孔蓋時，我們能用在尋找解決方案上的時間已經不多了。"AMRC工程項目經理喬治·史力斯這樣說道。

一開始，工程師們嘗試了使用一個用O形橡膠圈環繞的鋁製蓋帽，但此方案的不足很快凸顯出來。整個項目的進展被明顯延緩，若持續下去將無法按時交付。

團隊很快又嘗試了新的設計：一個微小的塑料圓盤，周邊切出一個凹槽，用於鑲嵌O型橡膠圈。此部件有相當高的精度要求，因為切割若偏大，則橡膠會容易滑落。凹槽的公差不能超出橡膠圈厚度的一半，大約是半個毫米。

這些部件不同的尺寸在生產中也成為一個大問題。喬治說："因為我們鑽的孔不止一個大小尺寸，所以生產的鑽孔蓋也需要適應不同大小。從設計的角度來講，更改一個尺寸不需要多少時間，但針對注塑成型的部件，每一個部件都需要開一個新的模。"

經過計算，研發團隊需要在十天內準備500個鑽孔蓋。如此緊迫的時間和特殊的需求基本上排除了3D列印以外的所有生產方法。

在不確定AMRC的內部能力的情況下，喬治一開始向三家外包服務公司諮詢了報價，但相比列印件給項目提供的價值，喬治認為外包服務公司報的價格遠超出了合理的範圍。

"我隨後聯繫了我們負責原型設計組的同事馬克·可英。我問他我們是否可能通過內部生產尋找解決方案。起初24小時內我並沒有收到任何答覆。正當我開始坐立不安再考慮別的解決方案時，我收到了馬克的答覆，而且答案讓我難以置信。馬克回覆說 "有，而且我們已經完成了一半的生產"。

"24小時內完成250個蓋帽的製造。這樣的速度當時確認讓我感到驚訝"。AMRC工程項目經理喬治·史力斯這樣說道

Tough 韌性樹脂列印的孔蓋

"這不僅意味著我們更早的獲取了部件並可以使用它們，而且給我們騰出了很多寶貴時間讓我們將精力集中在其他重要的環節上。"

最終，AMRC成功在48小時內列印了500個不同設計的孔蓋。同時，工程師們還通過3D列印將不同的幾何形狀實現在了組裝工具上，使安裝流程也得以輕鬆快速地完成。

通過內部3D列印實現快速迭代

比通用樹脂快約4.2倍的 Draft Resin 模型樹脂，可用於快速迭代

3D列印部件讓工程師們將不同的幾何形狀快速實現在了組裝工具上，使安裝流程得以輕鬆快速地完成。

"車間的工人們對安裝3D列印的部件也相當滿意。組裝過程中列印的部件完全發揮了其設計目的，同時也沒有工人回報有質量問題的情況。"

除了縮短交付周期和減少經濟成本，3D列印的另一個關鍵的優勢是給團隊提供了靈活性。

"倘若原有的設計在測試過程中體現了瑕疵，我們能立即將問題反饋到設計流程中並快速優化，而不再需要為了微小的改變將反饋發到外包服務公司，然後等待數周時間來看到結果。"

3D列印站及工作檯，通過Dashboard統一管理及合作使用

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