从3D打印标准化进程看制造技术的发展轨迹

从3D打印标准化进程看制造技术的发展轨迹

李明(上海大学)

增材制造(包括3D打印)是一种全新的工件成型方法,也是现代制造和智能制造中的一项关键技术。相较于传统的产品设计和制造工艺的发展,始于上世纪80年代的3D打印技术的快速发展和标准化进程,也许能引发我们对传统制造及其转型的思考。

3D打印技术最早只能用于3D实体样件的制备,但这些样件难以实际应用。随着3D打印技术的发展,特别是材料和成型技术的发展,3D打印方面的标准逐步被制订出来,它标志着材料和打印技术已达到了一定的成熟度。下面是国际标准化组织ISO和美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials, ASTM)联合制订的3D打印标准及涉及的范围和内容(图1和图2):

从3D打印标准化进程看制造技术的发展轨迹

图1

从3D打印标准化进程看制造技术的发展轨迹

图2

合格的工件,其功能和性能最终体现在材料、结构和精度等指标方面。但从现有3D打印技术的标准化结果来看,目前ISO/ASTM联合制订的标准中并没有全面涉及所有的核心内容,它表明:

  • 3D打印成型工艺过程还不够稳定和足够完善,其成型后的功能和性能控制能力还有待于进一步提升和规范
  • 3D打印成型工件的几何精度还有待进一步提高,其精度的成型过程控制还有待于进一步提高和规范
  • 对3D打印成型工件的检测技术还未完全到位,这直接影响了制造的过程控制和产品的检验

也许真是因为上述原因,对3D打印成型产品的内部结构设计、精度设计等方面还没有形成专门的规范。在这种情况下,3D打印成型的工件无论从性能、还是从功能上讲,都还取决于已有的工艺能力,或者说还处于“工艺保障”阶段。换句话说,即使设计有更高的要求,也必然会受制于成型工艺的水平,还会受到检测的能力和水平。

2017年,美国机械工程师学会(American Society of Mechanical Engineers,ASME)发布了《ASME y14.46-2017 Product Definition for Additive Manufacturing(增材制造的产品定义)》标准。注意,这是ASME y14序列的标准,是一份几何技术规范(Geometry Product Specification and Verification,GPS&V)方面的标准,即几何精度方面的标准。这份标准的推出,宣告了3D打印的质量控制被移交到了设计手里,这是3D打印技术转型升级的一个标志,即:3D打印成型工艺已能在相当程度上提供符合功能和性能的合格工件,靠“工艺保障”的3D打印成型时代结束了。

从3D打印标准化进程看制造技术的发展轨迹

图3

《ASME y14.46-2017 Product Definition for Additive Manufacturing(增材制造的产品定义)》主要规范了以下几个方面的内容(图3):

  1. CAD模型、坐标系和打印方向规范:给出了在CAD建模阶段就并行考虑成型工艺的相关规范
  2. 基准和边界面几何公差规范:给出了3D打印成型工件在功能和性能指标方面的规范方法,它说明3D打印成型工艺已能够达到相当的精度水平,并且已可控
  3. 区域边界面轮廓度公差规范:给出了单一3D打印成型工件中多种材料、多种结构、多种精度复合成型的规范方法
  4. 网格结构和材料规范:给出了3D打印成型工件的材料和内部结构规范方法
  5. 基础面和成型方向规范:给出了设计同步考虑成型工艺的规范方法
  6. 偏置结构和层厚规范:给出了3D打印成型余量的定义和控制规范
  7. 成型轨迹规范:给出了3D打印成型产品内部纹理和成型过程的规范方法
  8. 辅助结构规范:给出了3D打印成型工艺中的辅助结构和支撑结构的规范方法

从上面的讨论来看,ASME y14.46-2017给出了3D打印成型工件在功能和性能方面的指标定义和规范方法,这些规范的内容被加载在CAD模型上,并能将具体操作信息直接快速、无损地传递给后端的3D打印设备,使3D打印设备自动运行,这是一种信息驱动的工作流程。整个操作过程完全体现了基于模型的定义(Model Based Definition,MBd)和基于模型设计(Model Based Design,MBD)技术及应用。

作为工程实践的结晶,ASME y14.46-2017已是一个可实际操作的标准,它的推出不仅为3D打印成型工件的设计提供了有效的工具,也对3D打印设备提出了相应的要求。更对3D打印成型产品的检测提出了更高的要求。由于3D打印成型工件的内外结构都存在复杂性,以及成型精度的不断提高,如何检测和评定,应该是3D打印技术标准化的下一步目标,它将与工业CT检测技术和标准的建立同步开展。从某种角度讲,只有当测量能充分验证3D打印成型的精度时,设计的要求才能真正得到满足,3D打印成型工件的功能和性能才能真正体现。

—————————————————————

最后回到本文的题目,我们通过3D打印成型技术标准化的过程中可以看到制造技术转型升级的路径,它同时也能给我们制造业的转型升级提供了启示:

  • 对于制造技术而言,最核心的技术是工艺和工艺能力,尽管产品和需求会在一定程度上促进工艺创新,但其核心地位是明确的,无论是先进制造还是智能制造,制造是其根本。而核心制造工艺的掌握是长期专注和持续积累的结果,不存在“弯道超车”的捷径。而这恰恰是最难的,也是最基础的。这一点也许是中国制造最艰难的痛点。我们一直在讨论卡脖子问题,如果我们没有潜心去钻研、专心去创新、静心去积累,那这个卡我们脖子的人就不是别人,而是我们自己
  • 必须重视检测能力的建设。检测能让质量和状态显性化,它更是数字和数据的来源,并使质量的过程控制和产品的符合性判定得以真正实现。放眼今天中国的制造业,真正有数据是汽车行业,特别是一些前端的主机厂。这又是中国制造的一个短板,几乎所有的企业在转型升级中都首先需要补上基于检测的数据采集这一课,不然无论是数字化、信息化,还是吵得火热的数字中台,到头来只能是喧嚣的一刹那,连付学费都算不上
  • 当企业有了核心的工艺能力和足够的检测能力,设计转型就可以开始了,这也许是制造业转型的一个核心标志。此时的设计一方面摆脱了落后工艺和检测能力的制约,更得到了先进工艺和检测能力的有力支撑。于是,设计就可以放开手脚,首先将设计重心瞄准产品的核心功能和性能的定义,同时又面向制造过程核心要素的有效控制。一旦有了核心指标的定义,才会有数据和控制,数字化和信息化才有了基础,数字孪生(Digital Twin)和数字进程(Digital Thread)就初见端倪了。至此,设计才真正开始干他们该干的事了,转型真正开始了
  • 标准化是工业化的基础,它构建了企业经营、产品生命周期以及市场的运行架构和管理机制,它使数据有意义、信息有价值、过程有秩序、质量有保障、交付有共识、管理有依据。而这一点也许是中国制造转型升级的最痛和最难之处,它需要我们转变理念和思路、特别是变人制为法制。从某种角度看,它需要中国制造在反思的基础上重新认识什么是现代工业

静心钻研工艺、检测能力构建、设计重心前移、标准思维建立、数字信息加速,应该是真正值得中国制造关注的一条转型之路。

本文从3D打印标准化开始讨论,下面给出ASME y14.46-2017标准中的部分内容,有关该标准的研讨将另撰文。

从3D打印标准化进程看制造技术的发展轨迹

从3D打印标准化进程看制造技术的发展轨迹

从3D打印标准化进程看制造技术的发展轨迹

从3D打印标准化进程看制造技术的发展轨迹

欢迎转载,但请说明出处。

发表评论

邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注

此站点使用Akismet来减少垃圾评论。了解我们如何处理您的评论数据