增材制造作為一種新興的制造技術(shù)，一經(jīng)出現(xiàn)就在制造業(yè)引起了廣泛關(guān)注。盡管它目前還存在著不盡如人意的地方，但是人們普遍認(rèn)為這是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿拖胂罅Φ募夹g(shù)，代表著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要發(fā)展方向之一。安世亞太公司深耕增材制造產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用多年，深刻認(rèn)同增材制造在未來(lái)數(shù)字化制造變革中的核心地位，基于多年的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和思考沉淀，推出了“增材思維 數(shù)智未來(lái)”系列文章。
成本
增材制造大規(guī)模應(yīng)用的軟肋
增材制造技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除切削加工技術(shù)，是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實(shí)體物品的新興制造技術(shù)，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與先進(jìn)材料技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)的密切結(jié)合。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，因其具有能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的無(wú)模具、快速、全致密近凈成形等優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、快速設(shè)計(jì)驗(yàn)證、小批量零部件快速制造、快速客戶(hù)響應(yīng)等關(guān)鍵問(wèn)題帶來(lái)了一種全新的解決思路。
在增材制造技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，成本成為制約該技術(shù)大規(guī)模推廣的關(guān)鍵因素。38%的從業(yè)者認(rèn)為，增材制造技術(shù)雖然具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是成本過(guò)高，是增材制造的最大軟肋。通常情況下，增材制造只適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)件小批量試制。
制約3D打印的因素
每批次3D打印零件數(shù)量
任何新技術(shù)要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，必須對(duì)該技術(shù)的成本構(gòu)成做出清晰明確的分析，增材制造也概莫能外。對(duì)于增材制造產(chǎn)品而言，計(jì)算成本要考慮以下7個(gè)方面：
原料成本：零件用料、支撐用料和其他用料消耗?？梢栽诋a(chǎn)品最終重量的基礎(chǔ)上再增加30%-40%，作為原料成本的粗略判斷。
機(jī)時(shí)成本：3D打印機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中的機(jī)器損耗成本。一般3D打印綜合機(jī)時(shí)成本在100-300元/小時(shí)。
后處理成本：包括熱處理、線切割、機(jī)加工、熱等靜壓、人工打磨、磨粒流等拋光、表面滲碳滲氮等表面處理產(chǎn)生的費(fèi)用。對(duì)于某些復(fù)雜產(chǎn)品或者精度要求特別高的產(chǎn)品，后處理成本甚至超過(guò)打印成本。
人工成本：生產(chǎn)涉及到的人力成本，包括模型數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、機(jī)器準(zhǔn)備、打印過(guò)程監(jiān)控、機(jī)器清理維護(hù)、后處理、生產(chǎn)管理等產(chǎn)生的人力資源費(fèi)用。
間接成本：包括設(shè)計(jì)仿真等軟件成本、水電煤氣費(fèi)用、房租等間接費(fèi)用。
風(fēng)險(xiǎn)成本：打印失敗的損失。一般打印時(shí)間越長(zhǎng)，出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)越高；模型結(jié)構(gòu)越大越復(fù)雜，打印失敗的風(fēng)險(xiǎn)越高。某些產(chǎn)品打印失敗1-2次并不少見(jiàn)。
降本增效
增材制造實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)的出路
一般認(rèn)為，增材制造的成本優(yōu)勢(shì)與結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和批產(chǎn)數(shù)量密切相關(guān)，如果批產(chǎn)數(shù)量超過(guò)平衡點(diǎn)，傳統(tǒng)的鑄造、鍛造、機(jī)加等工藝將更具競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和替代工藝成本，這一平衡點(diǎn)介于數(shù)十件到數(shù)百件之間。
然而，GE公司的3D打印燃油噴嘴成功打破了這一魔咒，它是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)的3D打印零部件，年產(chǎn)量達(dá)到3~4萬(wàn)件。其原因就在于通過(guò)基于增材制造的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率和燃燒穩(wěn)定性。
雖然燃油噴嘴只有核桃般大小的結(jié)構(gòu)（黃色方框內(nèi)），里面卻有14條精密的流體通道。這些復(fù)雜的冷卻流道大大提升了冷卻效果，降低了燃油噴嘴積炭的速度，因此噴嘴的使用壽命增加了5倍。
3D打印燃油噴嘴對(duì)油路流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除流道中的突然擴(kuò)張和突然變向，增大燃油流速，從而減少燃油流過(guò)這些地方時(shí)與熱管壁的換熱。
最終，3D打印燃油噴嘴重量比傳統(tǒng)方式減輕了25%，壽命提高了5倍，成本效益上升了30%。國(guó)產(chǎn)C919客機(jī)也采用了這款帶有3D打印燃油噴嘴的Leap發(fā)動(dòng)機(jī)。2021年，GE公司又開(kāi)發(fā)了另一個(gè)增材制造批產(chǎn)零件——渦輪機(jī)引氣部件，在精確評(píng)估成本/效益的模型基礎(chǔ)上，證明了金屬3D打印在成本上也可以和鑄造工藝一較高下。
GE Aviation梳理了現(xiàn)有的數(shù)百種鑄件，從尺寸、形狀、功能、材料、工藝、后處理等角度制定了成本分析模型，核算了每個(gè)零件的3D打印成本與收益，最終選擇了渦輪機(jī)引氣部件。經(jīng)過(guò)擺放優(yōu)化后，可同時(shí)打印4個(gè)零件，大大提高了生產(chǎn)率，削減多達(dá)35％的成本，成功逆襲傳統(tǒng)制造工藝。
GE Aviation的增材制造部門(mén)負(fù)責(zé)人表示，這是他們第一次發(fā)現(xiàn)金屬3D打印比鑄造還要便宜。更為重要的是，這次3D打印的零件在前期已經(jīng)基于鑄造工藝設(shè)計(jì)定型，金屬3D打印取代鑄造后仍然體現(xiàn)了成本上的優(yōu)勢(shì)。這一發(fā)現(xiàn)極大振奮了GE Aviation，正著手尋找其他發(fā)動(dòng)機(jī)上更多的零件，并采用金屬3D打印來(lái)降低成本。
成本效益分析
找到下一個(gè)批產(chǎn)零件的法寶
GE公司找到增材制造批產(chǎn)零件的法寶，是他們建立了一套精確的成本/效益評(píng)估模型，利用這套模型GE公司對(duì)數(shù)百個(gè)鑄造零件進(jìn)行了評(píng)估，終于找到了這個(gè)百里挑一的“天選之子”。在增材制造的成本效益評(píng)估方面，我國(guó)目前處于相對(duì)落后的狀態(tài)。部分原因歸咎于我國(guó)增材制造的應(yīng)用相對(duì)集中于航空航天等軍工市場(chǎng)，這是一個(gè)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律稍顯薄弱的特殊市場(chǎng)，保型號(hào)、保節(jié)點(diǎn)、保重量、保質(zhì)量等因素的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于保成本，增材制造得益于其快速、靈活、適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、適應(yīng)小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，在軍工市場(chǎng)率先得到了廣泛應(yīng)用，而需求量更大的民用市場(chǎng)發(fā)展稍顯緩慢。由此也造成了國(guó)內(nèi)的增材制造行業(yè)缺少價(jià)值管理的理念，有的產(chǎn)品為了蹭上增材制造的熱度，不計(jì)成本的“為了增材而增材”，另一些產(chǎn)品則出現(xiàn)了和菜市場(chǎng)買(mǎi)菜一樣“論斤吆喝，按克收錢(qián)”的魔幻局面，相當(dāng)于只賺取了材料費(fèi)和加工費(fèi)，甚至在“內(nèi)卷”嚴(yán)重時(shí)，做到賺錢(qián)都困難。造成這一現(xiàn)狀的主要原因就是增材制造產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造割裂，產(chǎn)品的功能價(jià)值提升有限，在與其他加工方法競(jìng)爭(zhēng)時(shí)缺少議價(jià)能力。
成本效益分析
在零件設(shè)計(jì)階段就考慮打印擺放方向和擺放位置。盡可能設(shè)計(jì)為自支撐結(jié)構(gòu)，減少所需的支撐結(jié)構(gòu)數(shù)量；最大限度地增加在構(gòu)建平臺(tái)上的擺放數(shù)量，一次打印更多的零件；盡可能降低零件高度，減少打印時(shí)間。在零件設(shè)計(jì)階段就考慮后處理方法。最大限度減少空間死角，減少粉末清理的工作量和支撐去除的難度；盡可能將打印質(zhì)量較差的面設(shè)計(jì)為后續(xù)需要機(jī)加工的面，減少表面打磨拋光的工作量；預(yù)留好定位、裝夾等位置，為后續(xù)加工提供便利。在零件設(shè)計(jì)階段就考慮打印層厚。最大限度增加打印層厚，同時(shí)最大限度減少打印臺(tái)階效應(yīng)對(duì)產(chǎn)品的影響，針對(duì)臺(tái)階效應(yīng)明顯的區(qū)域，要么設(shè)計(jì)為后續(xù)要機(jī)加工的區(qū)域，要么設(shè)計(jì)為對(duì)表面光潔度不敏感的區(qū)域。結(jié)構(gòu)輕量化。輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅可以減少材料成本和打印時(shí)間，更重要的是增加了結(jié)構(gòu)的承載效率，減少了系統(tǒng)的運(yùn)行成本，這一點(diǎn)在航空航天領(lǐng)域尤其重要。對(duì)于大型民用飛機(jī)而言，減少1kg結(jié)構(gòu)重量，在全壽命周期內(nèi)可節(jié)約燃油4.5萬(wàn)升，節(jié)省成本2.2萬(wàn)歐元。結(jié)構(gòu)/功能一體化。利用增材制造數(shù)字化、智能化制造的優(yōu)勢(shì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮宏觀–介觀–微觀尺度的形性協(xié)調(diào)，在結(jié)構(gòu)本身實(shí)現(xiàn)承載功能的基礎(chǔ)上，滿(mǎn)足其他功能性指標(biāo)，如在結(jié)構(gòu)外部增加散熱面積，實(shí)現(xiàn)散熱功能；在內(nèi)部設(shè)計(jì)復(fù)雜流道，實(shí)現(xiàn)熱交換功能；在夾層中設(shè)計(jì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，增加吸能抗震功能等等。改變生產(chǎn)/商業(yè)模式。作為一種生產(chǎn)設(shè)備依賴(lài)更少的數(shù)字化制造技術(shù)，增材制造將有可能改變某些產(chǎn)品的生產(chǎn)模式和商業(yè)模式，給企業(yè)和消費(fèi)者帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。當(dāng)前隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)模式進(jìn)入智能化時(shí)代，大規(guī)模定制能力成為核心競(jìng)爭(zhēng)力，生產(chǎn)效率和靈活應(yīng)變兼顧。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)等DfAM設(shè)計(jì)思維大大降低了設(shè)計(jì)師的行業(yè)門(mén)檻，將消費(fèi)端、生產(chǎn)端、銷(xiāo)售端、物流端統(tǒng)一結(jié)合起來(lái)，全部人員直接參與到產(chǎn)品生命周期當(dāng)中。
DfAM賦能商業(yè)模式進(jìn)化
DfAM思維驅(qū)動(dòng)
降本增效的成功案例
德國(guó)Fraunhofer激光技術(shù)研究所在增材制造降本增效方面做了大量的研究工作，尤其是在DfAM思維驅(qū)動(dòng)下的系統(tǒng)性降低成本研究取得了顯著的效果。最近，F(xiàn)raunhofer IAPT利用工藝改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)構(gòu)的DfAM思維重新設(shè)計(jì)了跑車(chē)車(chē)門(mén)鉸鏈，成功使其成本降低了約50%，重量減輕了35%。
3D打印車(chē)門(mén)鉸鏈
首先，F(xiàn)raunhofer IAPT開(kāi)發(fā)了一款增材制造潛力評(píng)估軟件——3D Spark。3D Spark與安世亞太自主開(kāi)發(fā)的增材潛力評(píng)估小程序類(lèi)似，具有零件分析和篩選功能，可引導(dǎo)找到適合增材制造的零件。這是本項(xiàng)目取得最終成功的關(guān)鍵一步，所選零件增材潛力的大小，決定了降本增效天花板的高低，因此找到合適的零件至關(guān)重要，可以達(dá)到事半功倍的效果。在設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)中，鉸鏈臂的結(jié)構(gòu)根據(jù)DfAM設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了優(yōu)化，充分利用了增材制造的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)幾何形狀進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，將鉸鏈臂的重量減少了35%。由于材料需求的減少和打印時(shí)間的縮短，與沒(méi)有結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)相比，成本降低了20%。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)形式對(duì)后處理的成本影響。減少不必要的支撐結(jié)構(gòu)可以大大節(jié)省生產(chǎn)時(shí)間和材料數(shù)量，并減少后處理階段產(chǎn)生的成本，與不考慮后處理的設(shè)計(jì)方案相比，降低成本10%。最后，F(xiàn)raunhofer IAPT優(yōu)化了零件的打印工藝。包括設(shè)計(jì)擺放位置和打印方向，減少打印時(shí)間、優(yōu)化打印工藝參數(shù)、優(yōu)化設(shè)備使用效率等措施。與未進(jìn)行此類(lèi)優(yōu)化的增材制造工藝相比，節(jié)省了20%的成本。
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