AM Updates |与CNC相比，3D打印生产金属零件还在存在三大挑战

导读：我们如何鼓励其他行业更多地采用金属增材制造 (AM)，并将该技术成功推向批量生产？这些问题是推动持续投资增材制造技术的关键目标。无支撑金属3D打印设备厂商Velo3D 首席执行官兼创始人Benny Buller从成本、质量和开发难易程度的角度，对未来增材制造的应用进展提出了自己的看法。

△金属增材制造技术制造的叶轮

虽然有大量非关键部件的中小批量生产实例，但我们是否已准备好满足维护、维修和运营（MRO）市场的专业化和迫切需求？此外，我们能否满足航空航天和能源领域对创新、高性能设计的迫切需求？我们能否根据需要扩大生产规模？我的回答是：我们还有很长的路要走。从激光粉末床熔融 (LPBF) 到定向能沉积 (DED) 和金属粘合剂喷射 (MBJ)，金属自动成型的各个环节都在飞速发展，但基本问题依然存在。这些问题主要围绕三大挑战：成本、可重复性和开发。1. 成本及其价值曲线

并非最终产品中的所有组件都能产生相同的性能价值。有些功能只是结构性的（壳体和外壳），而叶轮和喷气发动机涡轮叶片等组件则需要昂贵的材料，因此制造难度更大，需要大量的工程资源。然而，更复杂组件的价值可能会使整个产品脱颖而出，成为区别于竞争对手的关键因素。类似的情况也发生在增材制造技术上，这项技术可用于制造铸造、机械加工或其他传统制造工艺无法制造的零件。通过增材制造技术制造此类零件的能力直接体现了价值。因此，增材制造部件功能的提高通常可以证明较高的直接成本是合理的。然而，增材制造成本的未来会是什么样子，我们应该如何考虑成品零件的成本？以 LPBF 作为增材制造成本和价值模型，我们目前可以说，材料（这里指粉末金属）约占成品部件成本的 20-50%，具体取决于所使用的合金。粉末铝合金每公斤不到 50 美元；GRCop-42 每公斤可能超过 300 美元，耐火材料每公斤可能高达数千美元。鉴于可能的工程决策范围很广，材料与成本之间的关系导致金属增材制造部件的生产成本介于每公斤 150 美元到 1000 美元之间。我们需要从价值密度（相对于重量和密度的价值）来更好地回答这个问题。一辆高档汽车的零售价约为 50,000 美元，重量为 2,000 千克，其价值密度约为每千克 25 美元。一架波音 737 MAX 客机重达 40,000 公斤，其价值密度约为每公斤 2,500 美元。相比之下，飞机每公斤的价格是汽车的 100 倍。

虽然汽车减重的价值可能会随着新的环保法规而改变，但飞机减重仍然更为重要。在飞机的使用寿命期间，仅从节省燃料的角度来看，使用轻量化和轻质材料（如复合材料）就足以抵消材料和制造成本。固定式天然气发电厂的价值密度公式无法与汽车或飞机相提并论，但提高能源涡轮机的效率，就像增材制造在飞机发动机上所做的那样，涡轮机的组件成本性能比就会大大提高。先进火箭发动机在推力和效率方面的突破（通过增材制造实现）在节省燃料、提升能力和增加有效载荷方面具有巨大的经济效益。在这些情况下，创新直接转化为更高的单位成本价值。那么，既然有了这些价值，为什么增材制造的应用还没有更广泛呢？2. 成本、价值、可重复性和行业采用的合格因素我们知道，降低增材制造的成本将继续改善该技术的价值主张，但还有什么能促进价值等式并进一步推广应用呢？改进合格性。合格性挑战涉及到生成具有可重复材料特性以及可重复尺寸和几何精度的零件的能力。当我们说可重复性时，我们指的是机器与机器、年复一年、供应商与供应商之间的可重复性。计算机数控（CNC）加工已经解决了这一难题。类似的解决方案恰好是增材制造获得认可所需要的。

△使用Velo3D蓝宝石系统3D打印的两个油气阀门

业界期望从增材制造中获得类似的、可重复的结果。这种经过验证的标准也是实施持续改进的基础，是探索增材制造系统深度创新的关键。

例如，有数以百计的服务商开发固有的制造工艺，难以达到可重复的规范。问题源于设备制造商的机器，这些机器的核心流程和控制存在变异。随着时间的推移，机器会从校准规格中 "漂移 "出来，这意味着不同机器的打印参数会有所不同。在机器 A 上成功打印后，要在机器 B 上生产零件，这意味着认证流程要从头开始。

每个新零件都需要对用于制造该零件的每台机器进行工艺创新、调整和变通。换句话说，就是不断重新发明轮子。

这样做如何具有成本效益？如何实现可扩展性？最终，如何有机地实现批量生产和更广泛的行业应用？

3. 开发的复杂性影响培训和教育增材制造开发所面临的挑战与资格认证问题密切相关。

制造零件需要开发变通方法，因此需要使用增材制造设计（DFAM）来生产所需的零件。

如今，增材制造的结构限制迫使工程师将 DFAM 规则应用到大多数设计中，以弥补系统打印能力的不足。

与传统增材制造中必须根据打印机对文件进行调整的鉴定挑战类似，开发问题意味着除了调整设计外，还必须应用新技术使零件可打印。

这种方法应利用软件规定的通用制造和通用校准设置进行简化，而不是通过临时实验调整来规避机器限制。

这将使有意采用增材制造的工程师直接受益。内在的、内置的质量和固有的工艺保真度可以满足和验证质量。可重复性和可扩展性随之而来。

虽然使用支撑结构可能会对构建优化起作用，但当支撑结构几乎支撑了所有部分，或者需要在打印完成后对内部无法加工的几何形状进行加工时，它可能会变得非常昂贵，甚至无法拆除。

要避免这些挑战，培训和减少教育障碍至关重要。

这些解决方案包括推动应用标准、开箱即用的系统保真度，以及提高端到端质量和构建流程的软件自动化程度。

有太多的材料科学家、工艺技术专家和博士正在以工匠之手处理日常项目。在运营层面，这些方向错误的人力资产导致成本上升。这也分散了纯粹的研发资源，减缓了增材制造的广泛应用。

展望未来，针对目前增材制造中存在的劳动力和过度复杂性，实践 "零件整合与简化 "的思维方式是有益的。当客户的产品设计摆在我们面前时，我们当然知道该怎么做。我们是否可以更努力地将这些知识应用到自己的机器上呢？

向CNC的成功迈进

让增材制造更像 CNC 加工是一个切实可行的愿景。数控机床可以轻松实现定制和中批量生产，并具有可重复性、精确性和高效性。它是行业的主力军，而增材制造有希望成为行业的主力军。

△使用 Velo3D 金属技术快速成型的四个 Launcher Orbiter 发动机

CNC 是应用自动化、硬件软件集成和提高经济性的典范，同时还能提高车间绩效。

如果增材制造能够克服其局限性，遵守更严格的规范、开发统一的参数集和提高自动化程度，那么它也能降低成本并简化零件的鉴定。

这将促使供应链更快地采用这种技术，并提高可扩展性，而这正是从 MRO 到航空航天或能源等市场所殷切期待的。

来源：南极熊