3D打印与第四次工业革命白皮书2.0

Whitepaper of 3D Printing and the Fourth Industrial Revolution version1.0 3DSCienceValley 3D打印与第四次工业革命 3DScienceValley 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3D打印引领第四次工业革命 未来已来的未来工厂 未来工厂永远在路上，随看时代变迁，内涵有所不同但从未来视角审视当前存在的问题，探讨改进措施，创造未来是永恒的。 -未来建立在传统之上，精益生产的精髓是消灭浪费和不断改进，具有指导意义，数字化的精益生产流程可视化后，更透明更易理解 未来工厂不仅是技术、环境和人，商业的模式和供应链，以及工厂的组织型态都是在动态变化之中，平台化、协同化是大趋势 一互联共生是未来工厂的重要特征，是是新的业务模式、利益共同体和生态圈，主要体现在资源（物质和知识）的共享和众包 -未来工厂是基于模型的企业，从基于经验的制造迈向基于科学的制造，在产品设计时就能通过建模和仿真优化生产过程，在产品没有被生产出来之前“使用”产品，发现问题加以改进。 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 未来工厂正随着第四次工业革命的到来乘风而来 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 未来工厂正随着第四次工业革命的到来乘风而来 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 未来工厂正随着第四次工业革命的到来乘风而来 3DScienceValley 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 从人类工业化进程看设计与制造关系的演进 产品的制造生产走了一个螺旋上升的路径，产品制造范式的转变也同样走了一个螺旋上升的路径。以增材思维实现设计与制造融合并且增材、等材、减材、微纳、仿生等制造唇齿相依工融合的新时代 3D打印引领第四次工业革命 Lead thenext industrial revolution withinnovativetechnologyin3Dprinting 3D打印与下一代产品 3DScienceValley 3DScienceVlley www.3dsciencevalley.com 3DScienceValley 3DScienceValley 3DScienceValley 成就新材料-ODS氧化物弥散强化中炳合金应用 3DScienceVlley 3D打印下一代运动鞋 根据不同运动需求，实现性能定制数字化制造去中心化，离散制造 3DScienceValley 3D打印技术在鞋制造业中的技术细分 3DScienceValley 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3D打印火箭推力室的技术逻辑 3D打印火箭推力室喷注器 技术：PBF...材料：高温合金逻辑：更复杂的结构、结构一体化提升性能.. 3D打印火箭推力室燃烧室 技术PBF、冷喷涂.材料：铜合金、高温合金、复合材卡米逻辑：带内冷通道的结构、提升性能... 3D打印火箭推力室喷管 技术：DED(送粉、熔丝)材料：高温合金、不锈钢、超级合金.外部：碳纤维复合材料、金属基复合材料（MMC）和陶瓷基复合材料（CMC）逻辑：双金属加工能力、带内冷通道的薄壁结构、提升性能... 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3D打印燃油喷嘴的应用与技术逻辑 更少的零件 航天发动机喷嘴 航空发动机喷嘴 GE燃油喷嘴头内，迷宫一般复杂的流道将燃油与空气高效混合可以帮助发动机实现优越的性能。 Ariane 6 火箭的发动机喷嘴头从原来的248 个组件减少为仅1 个组件。 蒸汽推进锅炉喷嘴 涡轮燃烧器喷嘴 新型功能的雾化器设计原型，这些设计具有复杂的通道和不规则形状的孔等特征，而这些特征在传统制造中是不可能生产的。 使用传统制造方法涉及20多个零件，西门子镍基超级合金3D打印预混合器部件仅需要两个部件组成。 3DScienceValley 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3D打印的液压零件优势 与传统液压阀块规则的长方块状结构相比3D打印液压歧管带给人的最直观印象是其结构不再是规则的阀块而是一组有不规则形状的“管道" 基于3D打印技术重新设计液压歧管价值体现在两个方面，一方面是重量得到减轻，使用的制造材料相应减少。另一方面是提高设计自由度优化内部流体通道的设计，减少流体效率的损失。增材制造的液压歧管可应用在农业机械赛车、航空、帆船等多种机械设备的液压阀体中。 传统制造方式液压零件重量与成本 每个行业在减重带来的经济性方面是不一样的，蓝线与灰线相交的点显示了每个细分市场的设计目标。由于制造成本的原因，减重超过此点只会减少供应商的利润，而不会给细分市场带来更大的价值。 3DScienceValley 增材制造方式液压零件重量与成本 3DScienceValley 板翅式热交换器Plate Fin Heat Exchanger 3DScienceValley 3DScienceValley 卫星重量在500千克以下，造价从几十万至上千万美元的卫星为小卫星四个等级：500干克～100千克的为小型卫星100千克～10千克的为微型卫星10干克～1干克的为纳米卫星小于1千克的为芯片卫星 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 例如可穿戴设备、火车机车零件安全情况监控感应器的灵活小至中批量的制造 例如打印多种塑料由ABS、TPU和支撑材料组成的组合；打印金属与非金属，！导电油墨与非导电材料的组合。 例如亚琛的FraunhoferILT弗劳恩霍夫激光研究所开发出3D打印压电MEMS微执行器，这个压电MEMS有六个角大约只有1美分的大小。这种压电MEMS微执行器价格低廉，创造了小批量压电MEMS的经济性生产可行性。 混合材料3D打印 3D打印传感器线圈、电路板和塑料外壳内的插头 图片来源：Optomec 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3D打印天线 技术：Xjet纳米射流技术..材料：陶瓷..技术逻辑：能够实现每个通道内壁的细节特征，具有保持波方向所需的精度和平滑度。100%密度的陶瓷,各向同性，具有正确的介电常数，不会“吸收"和削弱信号。 技术：NanoDimension的增材制造电子技术Optomec的气溶胶喷射技术..材料：混合材料、金属油墨.逻辑：紧的天线和微波电路摆脱了当今消费电子设备小型化带来的尺寸局限性，更易于集成到移动设备中并链接数十亿个高速无线系统... 技术：SLA..材料：陶瓷技术逻辑：高精度、高重复性.. 技术：L-PBF金属3D打印、BinderJetting粘结剂喷射金属3D打印..材料：金属.逻辑：集成内部的中空结构来生产轻量化零部件，实现了功能及零部件的集成..… 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3D打印电机绕组的技术逻辑 3D打印电机铜绕组 应用：3D打印铜绕组材料：铜技术：PBF基于粉末床的选区金属熔化3D打印逻辑：使得凹槽中的铜含量更大，意味着匝的最大横截面和较小的电阻。通过3D打印所实现的可变的形状还有利于散热，每条电线都与线圈的叠片铁芯热接触，没有热点。 应用:3D打印铜绕组材料：铜技术：粘结剂喷射3D打印逻辑：减少最终部件的制造步骤和能耗产生的废料也更少。这使组件效率更高,可以提供更好的性能。 应用：3D打印槽衬材料：PEEK材料...技术逻辑：可增加铜槽填充、提高热导率并减少制造成本/时间 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3D打印植入物-工艺-材料-设计-表征-应用 制造缺陷弹性特征表面特征疲劳特征生物相容性 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3DScienceValley 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3D打印+五维建筑信息模型+物联网+机器人技术将推动建筑工业转型 3D打印引发第四次工业革命关键要素发展举例 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 关键要素-设计 3D打印将从应用端创造价值，从而从产业链的价值赋能角度倒逼制造工艺向3D打印转移。 而创建竞争优势的关键是设计和材料 为增材制造而设计的增材思维-DfAM正在全球范围内建立。 其中仿真驱动设计成为“玩转”3D打印的关键点之一。 3DScienceValley 创成式设计软件 GenerativeDesign 创成式设计（GenerativeDesign）是根据一些起始参数通过迭代并调整来找到一个（优化）模型。 拓扑优化（TopologyOptimization）是对给定的模型进行分析，常见的是根据边界条件进行有限元分析然后对模型变形或删减来进行优化 3DScienceVlley www.3dsciencevalley.com 3D打印引领第四次工业革命-5G 5G 5G允许高密度数据的无缝互联和实时沟通也就是Real Link-实时链接,对生产的控制是 Real Moment-实时控制,对技术的组合柔性能力是RealCombination-实时组合对产品的实现可以RealPersonal-实时个性化。 Fraunhofer弗劳恩霍夫IPT工业生产技术研究所携手爱立信、亚琛工业大学启动了欧洲最大的5G数字制造工业园示范项目，旨在在制造业环境中引入新的移动无线标准。快速的5G数据传输可将所有生产和传感器数据存储在包含完整生产历史记录的数字李生体中。室内近7000平方米研究和示范空间，代表了生产技术激光制造、3D打印等等所有领域。 3D打印用基板与机加工用夹具二合一，Fraunhofer推出突破性的数控加工后处理方案，FraunhoferIPT开发的夹紧系统使夹紧和定位基准在整个工艺链中实现标准化 3DScienceValley 3D打印引领第四次工业革命一工业物联网 工业物联网 各行各业日益增长的挑战需要全新解决方案来优化生产力和生产效率。关键在于创新利用机器和工厂数据，以获得全新洞察，实现机器工厂、过程和产品的高水平数字化双胞胎。 通过将自动化、数字化以及人工智能、边缘计算、5G和区块链等尖端技术无缝融合，可将海量数据全面转化为宝贵的知识与技术，阔步迈入数字化转型的全新阶段 图：西门子为工业物联网平台MindSphere提供了一个新的应用程序FleetManager for Machine Tools。借助这种基于云的应用程序(MindApp)可以 3DScienceValley www.3dsciencevalley.com 3D打印引领第四次工业革命-人工智能 OPTOMET软件通过人工智能自动计算工艺参数，这个软件的智能化程度很高只需要输入粉未的参数和加工要求，系统会自动优化加工参数，这量级的节约了人工设置参数时间，并且避免了人工设置参数导致的大量报废零件产生。 仿真、数字李生，人工智能是3D打印领域核心中的核心，自前国内的3D打印基于大量试错的发展道路，这是制约3D打印进入产业化的瓶颈，需要重视和克服。 AMOptoMet Alforparameteroptimization Excellent Surface FinishFaster build rate - 30%reductio