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采用金属3D打印技术按需为饮料行业提供备件

时间:2016-12-23 09:48:27   来源:投稿   浏览量:

    如今,越来越多的3D金属打印用户通过采用增材制造技术开辟出了更多新的应用可能。3D设计创造的全新产品解决方案为生产制造和物流理念带来了全新的概念。来自德国的不锈钢部件生产专家Jung & Co. Gerätebau公司,因采用增材制造技术应用于饮料灌装生产,从而可以更快速度地为其提供产品备件。为此,我们专门采访了Jung & Co.的总经理Thomas Lehmann先生,就3D金属打印的应用领域和优势展开了深入对话。

    据了解,Jung & Co.公司是加工不锈钢/合金、各种铝合金或钛等金属材料的生产专家。拥有材料学方面最专业的技术知识、最先进的CNC机床以及最专业的顾问团队。其业务范围覆盖饮料和食品行业、医药和化工技术、设备制造、航空以及化石燃料提取行业等。该公司的核心业务之一就是为饮料灌装设备制造不锈钢备件。

专业知识传承确保真正的协同效应

Jung & Co.公司主要是对不锈钢、铝和钛等金属材料进行加工生产。40多年来,公司运用自己的专业知识已将这些金属产品应用于多个行业。现在,Jung & Co.除了采用传统的切屑工艺进行生产之外,又扩展采用了最具创新概念的金属激光熔融工艺——增材制造法。该制造法主要是通过一台来自Concept Laser的M2 cusing Multiaser实现。

Thomas Lehmann先生介绍说:“我们开发了一种跨工艺的、始终面向实际应用的不锈钢解决方案。我们通过传统的切削法、混合制造法或完全的增材制造法生产零件或组件。客户可以从我们一站式的全方位服务中快速得到精密的最终产品。”

例如饮料行业

在第一次体验增材制造法之后,Jung & Co.就迈出了第一步——“按需备件”一词成为可能。对此,Thomas Lehmann介绍说:“刚开始我们的客户认为:这个想法太疯狂了!太贵了!完全不现实!因此,我们的工作首先是要让人信服。”因“按需备件”这一理念恰恰是因为不可否认的经济因素才出现的。

连续使用中的饮料灌装设备

具备高可用性和灵活性对于饮料行业的灌装设备来说非常重要,因为它必须能够灌装各种大小的瓶或罐。灌装设备的任务包括:对瓶或罐进行灌装、封口,最后输送到后处理站点。根据食品法,灌装设备最重要的要求就是要保证清洁和卫生。因此,不锈钢是这个行业优先选择的材料。

对于饮料业的灌装设备来说,每小时高达40,000–80,000瓶或罐的生产速度并不是什么罕见的事。这个行业以速度“为生”。一旦停机,经济性就将大打折扣。查找故障、申购备件、发货和安装——最坏情况下这些可能需要好几天,交易中还可能出现交货延迟。根据整条灌装线的规模和灌装能力,每小时的生产损失可达到约4,000欧元至约30,000欧元。而有时,灌装商不得已将生产转向其它灌装线时,还必须根据容器对其生产线进行调整。这些对于生产经理和所有员工来说,都是极力想要避免的紧急状况。

对此,“我们总是对客户说:其实完全可以不必如此的。采用增材制造的不锈钢部件可以做到按需打印生产,并且还可进行设计优化。”Thomas Lehmann先生接着说道:“但正是这个具有革命性的想法,导致了大部分客户从一开始就表示怀疑。”事实上,Jung & Co.已经让长期合作的饮料行业客户迅速转向了增材制造。

减少组件中的部件并提高可用性

很早就和     3D打印技术先驱Concept Laser合作,进行不锈钢激光熔融的Thomas Lehmann先生非常清楚3D金属打印的优势:增材制造解决方案意味着在保证CAD设计符合工艺要求的同时,还留有很高的几何自由度。此外,部件或整个组件都可采用一步到位的方案出现。如果灌装商需要新的罐灌装阀,完全可以根据CAD数据尽快制造出该部件供客户安装,从而大幅缩短停机时间。

为饮料灌装机制造备件是Jung & Co.公司的核心业务之一。如刚才所述的罐灌装阀,组件中很多都不是标准部件,而是客户定制的解决方案。采用传统方法制造时,因该组件由七个采用了1.4404不锈钢制成的部件组成,因此还需要增添必要的密封件。生产过程中,首先必须在CNC机床上通过铣削或车削精密切削出这些不锈钢部件,然后手动进行装配。接着将组件放入仓库,以便–为了以防万一–能够快速反应并让灌装设备重新起动。

“现在,该罐灌装阀经过了重新设计,可以在M2 cusing Multilaser上仅通过一道工序即可制造完成。因此,无需再考虑因组件接合产生的密封件和接口。装配的取消不仅降低了成本,还带来了时间优势。采用传统方式制造该部件,包括采购必要的精密铸造件在内总共需要约8 - 10周时间,而采用增材制造法仅需约1周。”Thomas Lehmann先生详细地介绍说,“原则上,当出现突如其来的需求时,我们就可以这样制造和准时交付按需备件。对于作为制造商的我们和作为用户的客户来说,如果需要让检修或停机时间尽可能短,那么这种可生产精密零件的工艺所带来的优势必定是非常诱人的。”此外,不必提前采购和存放备件也降低了资金投入。

新的部件解决方案和高可重复性

尽管如此,在增材制造生产的过程中,组件开发仍是一项小壮举。高动态性灌装机的负载要求是很高的,因此罐灌装阀需要经过密集的负载测试。此外,还需要进行拓扑优化和设计调整以及精加工成本和零件应力消除调查。Thomas Lehmann先生说:“部件开发是一个激动人心的过程。在开发过程中,会开辟出一条新的、有针对性的路径。成品3D部件不仅看起来与传统的不同,还会轻约35 %。大多数情况下,重量减轻可能比这一比例还要多。”

根据Jung & Co.提供的信息,采用增材制造法所创造的可能性是多层次的:可以引入轻量化方法或进行功能集成,例如冷却、回火或传感器;可以进行混合制造,这一方法具有非常重要的意义;高度的可重复性,一旦过程参数确定,即可确保质量水平(包括随附文档)始终如一。Thomas Lehmann先生介绍说:“3D金属打印的许多方面都需要在与客户洽谈时,进行准确的性能要求分析。只有通过对话才能获得符合工艺要求的解决办法,形成能够让部件性能比以前更强大的新解决方案。成本方面则最终决定了零件的性能和供货的速度。”

Jung & Co.对3D金属打印的展望

从2015年起,增材制造法就对Jung & Co.的CNC制造业务进行了补充。目前,该公司已采用Concept Laser带有2 x 400 W激光源的M2 cusing Multilaser进行增材制造生产。因为需求不断增长,扩大制造规模已势在必行。“我们对3D打印金属部件的需求预计将保持稳步的增长。因此,能够让我们的员工,尤其是实习生们熟悉这项新技术,是一件让我非常高兴的事情。”Thomas Lehmann表示:“作为一家中型企业,获取的专业知识在客户洽谈中始终都是重要的论据。”

此外,Jung & Co.还计划在今年采购一台移动式激光扫描仪,借此将在为客户快速供应备件方面踏上一条全新的道路。Jung & Co.通过激光测量可以现场对客户设备中需要替换的相关部件进行数字描绘。特别是在紧急情况下,客户将相关的3D文件在线发送给Jung & Co.后,就可立即在激光熔融设备上开始生产。“为了实现过程链的完全数字化,激光扫描仪是符合逻辑的下一步。”Thomas Lehmann表示:“增材制造已为饮料行业灌装设备备件开启了一系列的美好前景。”

 

参考资料  

采访Jung & Co.总经理Thomas Lehmann先生

编辑:Lehmann先生,按需生产备件的想法是如何产生的?

Thomas Lehmann:实际上,这一直是Jung & Co.的梦想。当我们需要向客户提供例如罐灌装阀等产品时,采用传统切削工艺,势必需要一定的供货时间。包括采购必要的精密铸造件的时间在内,前后需要约12–15周时间。当时的问题是,如何才能做得更快。在我们开始采用增材制造法之后,我们对产品的视角发生了改变。这一制造方法让生产其他的几何形状成为可能,解决方案也可以更快、组件可以更少。此前由七个组件构成的罐灌装阀,现在可以在一道工序中制造完成,而且还削减掉了用于装配连接的接口和密封件,重量也减轻了约35 %。现在,制造经过优化的增材部件仅一周时间就够了

编辑:饮料行业的客户反应如何?

Thomas Lehmann:和其他行业一样:刚开始他们都很保守和冷淡。接下来马上就会问究竟会不会更便宜。实际上,增材制造法更多地是缩短了停机时间,并让设备在检修后可以快速投入运行。在这方面以及在功能或质量方面,3D解决方案都具有经济优势。然而,我们必须先对增材制造法进行解释,有时候这很艰难。因为增材制造法遵循地是完全不同的规律,我们得淡化许多从传统切削中获得的认知。

 

编辑:您是怎样找到第一位证明人的呢?

Thomas Lehmann:在各项业务中总有客户与我们保持着密集的对话,我们可以很好地互相倾听。最终,我们为这个项目争取到了几个试点客户。这些客户对该生产工艺都感到惊讶,竟然能够如此快地实际交付罐灌装机组件,并且还能保证以往的精度和密封性。在计算出高性能灌装设备停机一小时所需付出的代价之后,客户就能很快明白3D金属打印解决方案的成本比传统解决方案明显更低。这既经济又轻松。此外,客户还获得了质量和功能可靠、符合工艺要求的设计解决方案。

编辑:您为何选择了Concept Laser作为设备和机器制造商?

Thomas Lehmann:我们的动机来自于许多不同的层面。在选择合作伙伴时,我们采用了完全开放的方式。在与另一位德国供应商进行的试验中我们发现,激光轨迹很容易重叠,这对我们来说是无法接受的。使用Concept Laser的M2 cusing Multilaser设备就不会出现这个问题。除了因为我们还需要加工钛之外,Concept Laser的安全理念以及进一步提高了机器操作舒适性的处理室与操作室空间分离对我们来说也至关重要。不仅是技术和安全,总包也打动了我们。基本上,我们两家企业都属于“匠人”。就这点而言,Concept Laser和我们的企业理念非常契合:完美的解决方案,以价值为导向,基于伙伴关系的相互配合,高度可信的结论和确保长期合作的强大软因素让我们最终选择了Concept Laser。

图2:采用传统方式制造的罐灌装阀由七个部件、密封件和螺栓组成,需要进行装配。采用传统方式制造该部件时,包括采购必要的精密铸造件在内需要约8-10周时间。

   40多年来,Jung & Co.一直为不锈钢、各种铝合金以及高合金钢(例如哈氏合金和铬镍铁合金)等金属材料加工生产树立严苛的标准。公司主要专注于中、小批量高品质部件和组件的制造,产品几乎涵盖了全部螺杆泵项目中所有部件的生产和装配工作。并坚持采用高效率的制造战略对部件或完整组件进行制造。

创世人Hans Jung从仅有一台小型车床的个体经营户开始,现已发展成为一家享有盛誉的企业和系统供应商。如今,Jung & Co.拥有超过2,000平方米的生产面积和100多名员工,年营业额超过千万。

关于Concept Laser

Concept Laser有限公司是一家来自利希滕费尔斯(Lichtenfels,德国)的独立企业。公司自2000年成立以来,一直都是激光熔融技术领域的创新推动者,凭借获得专利的LaserCUSING®技术从事跨行业的经营活动。

LaserCUSING®这个词由CONCEPT(概念)的C、Laser(激光)和英语FUSING(熔融)组成,描述的是这样一种技术:该熔融方法是采用3D CAD数据逐层生成部件的熔融技术。在这过程中,粉末状的金属通过高能光纤激光器发生局部熔化。冷却后,材料凝固。反射镜偏转装置(扫描器)通过对激光束进行偏转制造出部件轮廓。通过降低构造空间底面、重新涂敷粉末和再次熔化逐层(层厚15–500μm)构造出部件。该方法可在不使用模具的情况下制造出复杂几何形状的部件,而这是常规制造方法很难或根本无法做到的。

Concept Laser设备的特点在于对需要连续处理的切片分割(也称为“岛”)进行随机控制。这种专利方法可以确保在制造超大型部件时显著降低应力。

利用LaserCUSING®技术既可以制造带有贴近轮廓的冷却系统的模具嵌件,也可以直接制造饰品、医疗、牙科、汽车、航空航天行业用的部件。原型件和量产件皆可制造。

公司可提供标准设备和客户定制的金属激光熔融设备方案。在Concept Laser公司,全方位服务(Full Service)这一选项意味着:客户可以购买金属激光熔融设备,也可以直接利用公司的服务和开发能力。

Concept Laser的激光加工设备可加工不锈钢、热作钢、钴铬合金、镍基合金粉末材料以及像铝合金和钛合金这样的活性金属粉末材料。公司也可提供用于制作饰品的贵金属,例如金合金或者银合金。

LaserCUSING®为众多行业在进行产品开发的经济性和速度方面开辟了新的前景,这些行业包括:

•     医疗和牙科

•     航空航天工业

•     刀具与模具制造

•     汽车制造与赛车运动

•     饰品

•     机械制造

 

这些设备可缩短开发时间并明显减少开发成本,同时在产品开发过程中又具有明显更高的灵活性。

Concept Laser公司的高质量要求、经验水平和参考案例彰显了其解决方案的工艺稳定性和成本效益,这些方案的效率也经过了日常生产的证实并以降低单位成本为首要目标。