福特汽車與增材制造

Paul Heiden Ultimaker

汽車行業(yè)是最早實(shí)現(xiàn)3D打印效益的行業(yè)之一。在過去的十年里，先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展使汽車制造商的開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造和分銷過程發(fā)生了重大的變化，帶來更安全輕便的產(chǎn)品、嶄新的設(shè)計(jì)、更低的成本和更短的開發(fā)與制造過程。Allied Market Research公司的一項(xiàng)研究表明，3D打印在各個(gè)方面都增加了現(xiàn)有產(chǎn)品和功能的價(jià)值，使其在汽車行業(yè)變得不可或缺。3D打印的成功故事始于汽車的雛形設(shè)計(jì)，如今，增材制造工藝也已進(jìn)入汽車工業(yè)的其他領(lǐng)域，并正逐漸展現(xiàn)出潛力。

一、3D打印在福特的應(yīng)用實(shí)例

福特使用Ultimaker的桌面級3D打印機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造裝配工具，如夾具、治具和量具。這類工具設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本效益高、生產(chǎn)速度快且能直接在現(xiàn)場生產(chǎn)。

3D打印技術(shù)已用于在德國科隆的福特試驗(yàn)工廠。該工廠擁有一套完整的小型生產(chǎn)設(shè)備，新車型時(shí)設(shè)計(jì)也已基本成熟。在汽車模型的開發(fā)過程中，工程師需要大量定制合適的生產(chǎn)工具，這些工具往往是針對特定的任務(wù)和模型而設(shè)計(jì)的。僅福特福克斯的系列生產(chǎn)就需要50多種不同的裝配工具，這些工具最初都在試點(diǎn)工廠進(jìn)行開發(fā)，之后再在所有歐洲工廠進(jìn)行現(xiàn)場3D打印。

通過外部制造商采購這些工具需要大量時(shí)間、成本較高且會(huì)減慢開發(fā)進(jìn)度。為了優(yōu)化工作流程，福特的增材制造團(tuán)隊(duì)決定將Ultimaker的桌面級3D打印機(jī)集成到工作流程中。“福特選擇Ultimaker，是因?yàn)榇蛴〗Y(jié)果的質(zhì)量、可靠性與成本能達(dá)到最佳平衡。”福特增材制造研究工程師LarsBognar表示。

二、多元化耗材成就眾多工具

桌面級3D打印的優(yōu)勢在于材料。大量的耗材和廣泛的材料特性為實(shí)際應(yīng)用提供了新的解決方案。僅采用一種增材制造王藝，生產(chǎn)設(shè)備便可滿足最多樣化的應(yīng)用和操作環(huán)境的要求。耗材及其材料性能的范圍幾乎無止境，強(qiáng)度、彈性、耐熱性、強(qiáng)度、回彈性和耐久性皆在可預(yù)期的變化范疇中。對于3D打印技術(shù)而言，至關(guān)重要的一點(diǎn)是能在不損失材料性能的情況下，保質(zhì)保量地進(jìn)行打印。

桌面級3D打印機(jī)使用的開放式耗材系統(tǒng)是十分關(guān)鍵的，3D打印生產(chǎn)工具，可單獨(dú)適用于來自不同材料制造商的，具有不同材料性能的耗材，以實(shí)現(xiàn)各自的應(yīng)用和制造。由于Ultimaker的開放式耗材系統(tǒng)可以使用多種與制造商的材料進(jìn)行3D打印，傳統(tǒng)制造的工具將會(huì)被輕便耐用的塑料工具所取代。

3D打印機(jī)的這一特征在生產(chǎn)設(shè)備、工具和裝配輔助方面尤為突出，展示出增材制造過程存在的顛覆性潛力，并已經(jīng)帶來了示范性的改變。特別是在裝配工具方面，應(yīng)用程序不但形式非常多樣化，而且適用范圍廣泛。

三、打印質(zhì)量和效果的體現(xiàn)

硬件、軟件和材料的協(xié)調(diào)對于呈現(xiàn)高質(zhì)量的打印效果至關(guān)重要。為了滿足汽車工業(yè)對工業(yè)耗材日益增長的需求，Ultimaker正與領(lǐng)先的材料制造商合作，利用Ultimaker打印機(jī)將專用于工業(yè)3D打印的高質(zhì)量工程塑料和復(fù)合材料推向市場。

Ultimaker于2018年4月成立的“Ultimaker材料聯(lián)盟項(xiàng)目”（UltimakerMaterial Alliance Program），旨在滿足對工業(yè)級3D打印材料不斷增長的需求。2019年，眾多領(lǐng)先的材料制造商包括帝斯曼（DSM）、巴斯夫（BASF）、杜邦（DuPont）、歐文斯科寧（OwensComing）、阿科瑪（Arkema）、捷普（Jabil）和雷曼福斯（Lehmann&Voss&Co.）等，都開始積極利用Ultimaker提供的打印配置助手（Print ProfileAssistant），更快速地將各種高性能的FFF 3D打印材料帶入專業(yè)市場。截至2019年4月，已有超過80家公司為“Ultimaker材料聯(lián)盟項(xiàng)目”共同開發(fā)用于FFF 3D打印的材料配置文件。

此外，Ultimaker為材料生產(chǎn)商提供的軟件包括了大量的研發(fā)知識(shí)以及公司的印刷材料，使得材料生產(chǎn)商能夠開發(fā)和維護(hù)材料配置文件，讓用戶可以在開放式耗材系統(tǒng)的桌面級3D打印機(jī)上真正輕松地使用這些材料。打印配置文件預(yù)先配置在可自由訪問的Ultimaker Cura軟件上并提供使用。無需手動(dòng)輸入打印參數(shù)，用戶即可通過訪問預(yù)配置的設(shè)置進(jìn)行自動(dòng)打印。即便是對技術(shù)要求最嚴(yán)格苛刻的塑料也能通過Ultimaker的3D打印機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

四、探索更多應(yīng)用可能性

桌面級3D打印的好處是顯而易見的。由于工件數(shù)量較少，制造的花費(fèi)相對較低。比傳統(tǒng)方法制造的工具更輕，且能更快適應(yīng)額外需求。與常規(guī)生產(chǎn)的傳統(tǒng)工具成本相比，每件工具能節(jié)省1000歐元用于打印裝配輔助工具，如夾具和治具。從之前平均10周的包括設(shè)計(jì)與制造在內(nèi)的外部合同，到現(xiàn)在即使是復(fù)雜的裝配夾具，最遲也能在10天之內(nèi)完成。

福特公司在所有歐洲工廠都使用桌面級3D打印機(jī)。科隆的開發(fā)團(tuán)隊(duì)為其他生產(chǎn)工廠提供工具設(shè)計(jì)，這些工具可以在24小時(shí)內(nèi)在現(xiàn)場直接打印。此外，裝配輔助工具比傳統(tǒng)工具輕70%。僅在福特，就有超過50種不同的增材工具用于福特福克斯的系列生產(chǎn)。雖然增材制造目前在福特公司只是一種生產(chǎn)輔助，但是其他領(lǐng)域的應(yīng)用也仍在不斷探索中。