浅谈3D 金属打印技术在饮料灌装设备中的应用

现代化高性能灌装设备的检修必须非常快速地完成。根据整条灌装线的规模和灌装能力，因检修而造成的生产损失可达每小时约 4,000. € 至30,000.- €。







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更多新的应用可能。来自德国的不锈钢部件生产商Jung & Co. Gerätebau公司，通过3D金属打印技术改变了饮料灌装设备传统的备件方式，让灌装设备可用性高、检修时间短。本文，Jung & Co. 的总经理 Thomas Lehmann先生，分享了3D金属打印在饮料行业的应用前景。

Jung & Co. 公司主要业务是对不锈钢、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，又扩展到新的具有创新概念的金属激光熔融工艺——增材制造法。该制造法主要通过一台来自Concept Laser的M2 cusing Multiaser 来实现。

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，完全不现实。因此，我们的首要工作是要让人信服。‘按需备件’这一理念恰恰是因经济因素而出现的。 ”

连续使用中的饮料灌装设备

饮料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。高灵活性和高速对其来说非常重要。饮料行业以速度“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——最坏情况下这可能需要耗费好几天，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。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。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。如果灌装商需要新的灌装阀，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。如刚才所述的灌装阀，组件中很多都不是标准部件，而是为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，然后进行手动装配。接着将组件放入仓库，以便能够快速反应并让灌装设备重新启动。

“现在，该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非常诱人。”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不同，还会轻约35%。大多数情况下，重量可能减轻得更多。”







采用传统方式制造灌装阀，包括采购必要的精密铸造件在内需要约 8-10 周时间。而采用增材制造法仅需约 1 周。

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。”

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2x400W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。“我们预计 3D 打印金属部件的需求将保持稳步增长。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。”