博士. Ellen Lee 是福特增材制造研究团队的技术负责人，她在这家汽车制造商工作了 24 年。想象一下，如果亨利·福特今天走进他的一家工厂，他脸上的表情。现在试着想象一下，如果他参观了 3D 打印区，他会作何反应。在窥视建造室并看到从中出现的产品后，老机械师无疑会赞同。他还赞同 Ellen Lee 博士在福特汽车公司位于密歇根州迪尔伯恩的研究实验室所做的工作，她和她的团队正在那里不断寻找新的方法来利用这家拥有 119 年历史的汽车制造商的增材制造技术。
“我们的目的是在任何可以为公司创造价值的地方使用各种形式的增材技术，”Lee 说。 “目前包括原型设计、工具和 ot她传统的 AM 使用，但我们的研究团队关注的是我们如何将其用于量产应用。”
Decades of Service
Lee 担任技术负责人福特的增材制造研究团队。自 2015 年以来，她一直担任塑料研究技术专家，后来担任该小组的团队负责人。 Lee 总共在这家汽车制造商工作了 24 年。她毕业于西北大学化学工程学士学位课程，随后在加州大学伯克利分校获得同一学科的博士学位。她还是底特律韦恩州立大学的兼职教授，在那里教授聚合物解决方案的研究生课程。
简而言之，Lee 了解塑料。快速浏览一下她的简历，您会发现她还了解纳米材料、纤维增强复合材料、超临界流体聚合物加工以及更多基础知识例如“稳态流动条件下的单链聚合物动力学”。现在，由于参与了所有增材制造，Lee 对金属也变得非常了解。
“在我第一次接触增材制造后不久，我看到了扩展其潜在用例的巨大机会”李说。 “我开始尽可能多地学习这项技术，并最终启动了一个专注于聚合物 AM 开发的研究计划，该计划逐渐包括金属。”
这一介绍是由福特增材制造技术负责人哈罗德西尔斯 (Harold Sears) 负责的该公司位于密歇根州雷德福的先进制造中心的制造技术，该中心是福特在全球范围内制造增材制造零件的五个工厂之一。了解 Lee 在聚合物方面的丰富经验，以及她领导的一些材料可持续性项目，Sears 请她帮助寻找减少、回收和再加工大型 amo 的方法他和他的团队在当时仅用于原型设计的设施中产生了大量废粉。
增材制造广泛用于汽车高性能赛车部件，如此处所示的歧管，正逐渐进入量产车辆。缩小差距
Lee 对这个挑战很感兴趣，她对 AM 了解得越多，她就越想学习。她很快发现自己在福特负责一个专门的研究项目，在那里她和她的团队制定材料的增材制造战略和技术路线图，并寻找能为汽车制造商创造价值的应用。而且，是的，他们发现了更有效地利用废粉末的创新方法。
“我们的责任是通过在福特使用的各种增材制造技术方面的深厚专业知识来支持公司，”Lee 说。 “如果吨生产领域有需要更高层次理解的问题，我们随时为您提供帮助。同样，如果出现一种可能以某种方式使企业受益的技术，我们将对其进行调查，确定可能需要额外开发工作的材料和工艺，并查看投资进一步研究是否有意义。我们有一个长期、深远的关注点，这个关注点会延伸到未来十年或更长时间。”
在担任技术团队负责人期间及之前，Lee 还发现增材制造有许多“差距，”福特与外部供应商合作，其使命是尽可能多地缩小差距。
“考虑一下我们当前的设计工具，”她说。 “该行业的软件开发人员在 AM 的生成设计和拓扑优化方面做得很好，可以告知理想化的材料放置以满足零件的几何形状约束和功能要求，但还有什么遗漏这样做的目的是考虑构建过程中遇到的各向异性，以及最大化打印吞吐量。”
自动化将在将增材制造从原型和小批量过程转变为可以支持汽车的过程中发挥关键作用生产水平。朝着真正的 3D 努力
随之而来的是对更好的构建模拟的需求。 Lee 解释说，如今的产品设计师竭尽全力，打印一些样品部件，并评估物理结果，通常会进行多次迭代，直到得出最终的优化设计。她指出，这是一个耗时的过程，这表明如果制造商能够以完全数字化的方式进行此类迭代，“快速原型制作”将会更快。 “我们 n需要 CAE 工具能够准确预测构建过程以及之后打印部件的性能。”
Lee 表示，随着越来越多的设备制造商放弃当前的水平层打印方法，这种能力将尤为重要有利于多轴沉积，如在混合增材五轴加工中心和机器人 3D 打印机中所见，其中越来越多的打印聚合物。这种演变将为福特和其他地方的汽车工程师打开更多的大门，前提是他们可以针对流程进行设计，有效地生成所需的刀具路径，然后按照刚才的描述模拟构建。
“与机械加工一样，铸造和塑料注射成型，你必须针对 3D 打印的制造限制进行设计，”Lee 说。 “那么，当您同时在多个轴上移动打印平台和沉积头时，如何确保零件可打印，同时还尝试满足零件的包装和性能限制？我认为目前还没有合适的软件工具来掌握一些人现在所说的‘真正的’3D 打印。”
彼此交谈
沟通是另一个差距。在添加剂出现的早期，有人预测它最终会取代许多传统技术。现在我们知道，它只是制造工具箱中的另一套工具，因此必须与同类工具“很好地相处”。为此，行业需要更好地将其集成到工厂和生产车间。
例如，AM 必须与 ERP（企业资源计划）和 MES（制造执行系统）进行通信，并成为更容易自动化。最重要的是，需要一种通用语言。
“我们现在在增材领域有很多不同的提供商，但仍然没有广泛接受的标准语言或文件交换格式，”Lee said. “正因为如此，它们与当今使用的所有其他制造工具之间的通信仍然相对困难。”
无论困难与否，Lee 和她的同事正在努力让它发挥作用。福特投资了多种增材制造技术：其中包括金属和塑料粉末床、大桶光聚合、材料挤出和粘合剂喷射。正如您所料，这些用于常见的问题，例如设计开发和功能原型制作。
此外，Lee 和她的研究团队对增材制造可以在哪些方面为工厂车间带来价值感兴趣，例如保修和服务零件的潜在生产，以及小批量定制组件的 3D 打印。不过，AM 的圣杯是可扩展到“汽车级”数量，Lee 称之为汽车零件的“大规模生产”。
这个驻车制动支架是在福特的一台 Carbon 3D 打印机上生产的。Conquering Variability
在此之前，研究人员必须继续取得进展另一个要求：消除过程可变性。诚然，这是所有以制造零件为生的人的共同目标，但由于 3D 打印相对不成熟，增材制造社区的人们尤其关注这一点。
虽然承认她没有评估过打印机和材料组合的整个领域，但 Lee 将这种可变性的很大一部分归咎于 3D 打印机制造商。她还强调，任何希望将其技术扩展到汽车生产水平的人都必须尽一切努力使他们的系统尽可能可预测和可重复。
但减少可变性的负担也落在了 Lee 和其他具有化学和材料科学背景的人的肩上。“随着例如，粉末床打印，如果要获得一致的零件质量，颗粒必须具有特定的尺寸和形状，”她说。 “这些和其他变量在很大程度上取决于材料的类型、供应商以及他们使用的制造步骤，但都会对最终产品产生影响。”
另一个关键变量是多少原料在打印机中花费的时间。 Lee 提到了一种在原始状态下具有一些令人钦佩的品质的材料，PA12 尼龙，使其成为选择性激光烧结 (SLS) 粉末床系统中最常用的聚合物之一。但由于每个工件仅消耗构建箱内所含总材料的一小部分，因此留下的粉末必须承受反复的加热和冷却循环，从而改变其微观结构和机械性能。
D河福特增材制造研究团队的技术负责人 Ellen Lee 与同事讨论了一些 3D 打印部件。更多材料，改进方法
合格 3D 打印的相对短缺加剧了这种情况材料。塑料注塑成型商实际上有数千种不同的化学成分可供选择，而添加剂制造商只有少数几种，其中许多开发用于支持原型制作而不是功能性最终用途产品。
满足材料稀缺性汽车世界的严格要求进一步缩小了该领域。例如，PEEK 和 Ultem 等工程级聚合物拥有一些出色的物理性能，但对于大多数车辆部件而言过于昂贵。同样，钛、钴铬合金和镍基超级合金非常适合医疗和航空航天用途，但它们既昂贵又难以加工，后者几乎是所有材料的必需品3D 打印金属部件。
她说，挑战在于开发满足广泛 AM 应用的材料，然后制定管理其使用的标准。参考她早年使用 3D 打印并尝试应对 Harold Sears 的减少、回收或再加工挑战，她发现通过强大的打印管理至少可以克服部分可变性。
第一版所有者的福特 Mustang Mach-E 收到了这些 3D 打印线框雕塑之一。
“如果您制定监控原料使用情况的标准，从而控制它们的补给周期，您不仅可以实现更好的利用率，还可以实现改进成品组件的质量，”Lee 断言。 “这是我们的使命。我们显然关心关于生产最好的车辆，但同样重要的是让大众买得起它们。我们看到增材制造在未来的发展中发挥着重要作用。”
这是一个熟悉的策略，可以追溯到汽车制造商的起源和亨利·福特的格言，即为“大众……制造经济实惠的汽车”最好的材料。”虽然他可能不认识这项技术，但这位福特族长肯定会为 AM 的持续创新和 Lee 在开发新应用方面的独创性感到自豪。
