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制造業進入第三維度
時間:2019-03-05 10:07 【我要糾錯】

  3D 打印技術起源于20世紀80年代,也稱為增材制造(additive manufacturing,AM),被認為是創建產品原型的更快速和更具成本效益的方法。該過程包括使用計算機輔助設計(computer-aided design,CAD)或類似的3D 數字文件創建產品設計。3D 打印機將連續的材料層彼此堆疊,直到制成最終的物體。早期的3D 打印機使用基本聚合物,但隨著技術改進,特別是在材料應用中,可印刷材料的類型已經擴大到塑料、金屬、尼龍、石膏、陶瓷,甚至是人類組織細胞。

  通過更改數字文件的配置,產品可以根據個人消費者的品味和偏好進行定制。一旦創建出來后,藍圖文件就可以發到世界任何地方,這樣就可以用3D 打印機復制產品了。2015年,在美國底特律的年度車展上,位于亞利桑那州鳳凰城的Local Motors 公司沒有帶車來參展。相反,該公司的代表們使用數字文件和3D 打印機,在現場創建了他們最新版本的Strati 汽車。縮短產品原型的交貨周期,降低制造和存儲成本以及創建創新型產品,這只是新興的AM 技術應用于大型和小型制造業的一部分。

  3D 技術的發展必將改變您作為管理會計師分析貴組織成本的方式,而這些變化比您想象的更近在眼前。但在我進一步討論3D 打印對您和其他財務專業人士的影響之前,讓我們先討論一下這項新技術會帶來什么。

  在設計和庫存上的好處

  設計物理模型是測試新產品可行性的關鍵的第一步。迭代設計——一種基于對原始成型、測試、分析和改進產品或流程的循環處理的方法——從3D 技術中獲益。圖2所示的常規設計過程需要昂貴的定制工具、鉆模和模具來創建每個原型。在此過程中發生的問題會導致昂貴的延遲成本和設計經批準前的多次原型修改。

  相比之下,3D 打印機通過從數字源生成低成本和功能性的原型,可以縮短加工時間和費用。在準備生產的機械裝備之前,產品性能的反饋、測試和細化可以更快地完成。Thogus Products 是位于美國俄亥俄州雅芳湖的一家定制塑料的公司,它購買了3D 熔融沉積建模(FDM)打印機來設計和制造特種部件。AM 過程使得Thogus 在交付周期和生產成本方面節省了大量資金(見表1)。美國聯邦法律要求許多制造商在完整的產品保修期內提供備件,制造商或其供應鏈合作伙伴經常在保修期滿后很長時間內都繼續進行備件生產。在這些情況下,維護大量替換零件的庫存需要昂貴的倉儲設施和多處冗余庫存。如果需要一個不經常訂購的部件時,傳統的生產技術下生產所需備件的成本太高并且耗時太多,從而導致了大量緩慢的流轉或廢棄的庫存。

  相比之下,3D 打印為每個保修部件提供了數字文件的虛擬庫存。當產品需要維修時,技術人員可以訪問適當的文件,并根據需要創建新的部件。波音公司是航空航天工業上的領先制造商,現在擁有超過2萬個以數字文件保存、可按需要打印的備件。許多專家認為,隨著更多的企業用數字文件代替庫存,那么在某一天,當顧客走進一家商店,選擇所需的維修部件后,就可以用3D 打印機在數分鐘內把它生產出來。

  隨著3D 打印機價格的下降及其性能的提升,更多行業將AM 整合到運營中,以改善產品設計、降低原型和裝備成本,并增加產品定制(見表2)。不同的商業領域,包括航空航天制造商、醫療研究公司和家族企業家,都在積極試用AM 技術進行中小批量生產、定制產品和服務。

  毫不奇怪,AM 已經大大改善了供應鏈物流。傳統供應鏈中任何連接的中斷,將可能導致延遲對分銷商、零售商或兩者兼具的交貨。相比之下,AM 供應鏈在消費點上構建的產品鏈接較少且靈活性更大,從而降低了面臨從地緣政治事件到自然災害等風險因素時的脆弱性。

  初始投資(根據行業的不同,投資會是可觀的,并應包含成本分析)后,AM 可以提高生產靈活性,降低運輸成本,提高分散生產能力。例如,重塑一部分制造需求并使用3D 打印機生產技術上復雜的產品,可以提高生產到上市的響應速度并減少全球運輸成本,這將對商業戰略和財務結果產生積極的影響。后面的“ACS 和增材制造”(ACS and Additive Manufacturing)案例研究顯示了航空航天產品制造商Advanced Composite Structures是如何利用AM 來解決其加工和制造難題,在擴大生產能力的同時降低成本和交付周期的。

  創新和實驗是廣泛而多樣化的航空航天工業的特有標志,其產品涉及商用飛機、衛星、軍事防務車輛(飛機/直升機/無人機)、火箭和國際空間站。波音公司、通用電氣公司和洛克希德·馬丁公司等行業領先企業在不斷尋找更輕、更耐用的部件的同時,已經集成了AM技術,以提高制造生產力和降低成本。事實上,3D 打印技術非常適合需要特殊零件小規模制造的航空航天工業,如引擎和渦輪機部件這些具有復雜幾何形狀和確定的空氣動力特性的特殊零件。現在,組件制造可以更快速、成本更經濟,伴隨著高強度的重量明顯減輕(平均40%—60%),以減少燃料消耗、材料成本和二氧化碳排放。以往為減少飛機的重量做出的努力,會提高燃油效率并降低成本,但也會導致結構性的弱點。

  有了3D 打印機,飛機零部件原型,甚至是最具挑戰性的幾何形狀,都可以在幾個小時而不是幾個星期內被開發出來。并且,對新部件的設計更改可以更快地進行,并用于測試。

  組合零件、減少浪費和增加3D 打印庫存部件的數量也是節省大量成本的領域。例如,通用電氣公司使用AM 將18個獨立部件合并成單個噴氣發動機燃油噴嘴。洛克希德·馬丁公司通過使用3D 打印機將鈦合金制成特殊支架,減少了材料浪費。美國空軍已經創建了兩臺高強度3D 印刷模具,用一種打孔的方式來取代通氣道支架。據估計,僅就這項應用而言,美國空軍每年可節省時間和成本費用541,000美元。

  如這些例子所示,航空航天工業是頂級工程學和可靠制造技術的真正驅動力。因為航空航天業是碳纖維的最早采用者之一,也是最早將CAD 融入其設計的行業之一,所以幾乎無疑問地,在未來幾年,這一航空航天業中的趨勢將被所有制造業采用。

  來源:IMA

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