引言：增材制造帶來的效益會隨著階梯的爬升而提高，因為能夠更多地利用到它所具有的獨特功能。這些功能應(yīng)用越多，增材制造產(chǎn)品就越具有創(chuàng)新性和突破性，價值也越大。金屬3D打印擁有的巨大潛力足以顛覆傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計和制造方式，它有助于推動有價值的產(chǎn)品創(chuàng)新，為開創(chuàng)全新業(yè)務(wù)模式創(chuàng)造機會。
人人都在談?wù)?D打印技術(shù)將如何改變目前的制造環(huán)境，這項技術(shù)也成為了工業(yè)4.0創(chuàng)新浪潮的一部分，人們希望它能夠徹底變革現(xiàn)有的生產(chǎn)方式。這或許有點夸張，但增材制造 (AM) 確實昭示著生產(chǎn)力的巨大革新。
增材制造在每個行業(yè)的應(yīng)用步伐取決于行業(yè)自身的特點 — 例如監(jiān)管水平 — 以及現(xiàn)有及潛在的業(yè)界客戶對創(chuàng)新和風險所持的態(tài)度。毫無疑問，制造業(yè)市場蘊含著巨大的變革機會。但問題是，當機遇來臨時，您如何讓自己的企業(yè)立于不敗之地?
最好先思考一下，增材制造會給市場帶來什么樣的本質(zhì)性改變，而您希望如何應(yīng)用這技術(shù)來增強您的競爭力。階梯模型簡要介紹了應(yīng)用增材制造的不同階段：
增材制造的生產(chǎn)效益
應(yīng)用增材制造可能獲得的各種效益，包括在產(chǎn)品制造過程中累積的生產(chǎn)效益，以及在產(chǎn)品投入使用之后累積的長期效益。沿階梯上行時，在新產(chǎn)品設(shè)計和驗證方面的投入，及新制造工藝方面的投入都會上升，但獲得的效益也會隨之增加：
增材制造帶來的效益會隨著階梯的爬升而提高，因為能夠更多地利用到它所具有的獨特功能。這些功能應(yīng)用越多，增材制造產(chǎn)品就越具有創(chuàng)新性和突破性，價值也越大。
那么這有什么實踐意義呢?您可以逐步應(yīng)用哪些功能?接下來將重點介紹增材制造在階梯模型的四級臺階您可以發(fā)揮的功能。先介紹第一個臺階0。
臺階0—快速原型制造和加工
這通常是許多公司開始應(yīng)用增材制造的起點，即快速制造模型和工具，此時的產(chǎn)品設(shè)計尚未定型。在這一級臺階，有兩個增材制造功能可發(fā)揮作用：
a. 可重復(fù)的數(shù)控加工
增材制造是一種高度自動化的過程，在裝填好粉倉并啟動激光之后，整個加工過程便無需任何人工干預(yù)。因此，它可替代傳統(tǒng)的加工流程，提高生產(chǎn)成本效益，而加工結(jié)果的精度和可預(yù)測性也更好。增材制造在口腔領(lǐng)域的應(yīng)用就是很好的例子，手工制作的模型被采用數(shù)字化設(shè)計并自動加工出的植入體替代。這是增材制造的內(nèi)在特性，在階梯的所有階段都能獲得這些效益。
b. 隨形冷卻
這是一個可以成功應(yīng)用于模具制造的復(fù)雜功能。隨形冷卻需要根據(jù)零件輪廓構(gòu)建冷卻液通道，確保快速均勻的熱量傳遞。通道本身應(yīng)設(shè)計成具有流暢的圓角，可避免冷卻液滯留而導致腐蝕，同時確保冷卻液能以較小壓降順暢流動?？蓪⒍鄺l冷卻液通道設(shè)計到一個復(fù)雜模具中，每條長度相同，確保均勻冷卻。最終生產(chǎn)出的模具制造周期短、使用壽命長。
也可將隨形冷卻功能應(yīng)用到產(chǎn)品本身，但這需要更改產(chǎn)品設(shè)計，在應(yīng)用階梯模型中屬于最高一級臺階了。
臺階1 — 直接零件替換
我們在階梯模型中向上移動一級，來到零件制造階段，但這僅是對現(xiàn)有零件的復(fù)制。這里只有制造工序發(fā)生變化，而零件的幾何形狀并未發(fā)生改變。這個階段可實現(xiàn)增材制造的另外兩個功能：
a. 近凈成型制造
相較于切削式加工方法，增材制造的一個重要特性是，材料浪費非常少。我們要考慮批量生產(chǎn)，那么單位浪費率就變得十分重要。
在航空航天領(lǐng)域，BTF比率(原材料與成品零件之間的重量比值)是衡量加工效率的一個關(guān)鍵指標 — 在生產(chǎn)過程中，有多少原材料成為了切屑?增材制造是一種“近凈成型”工序，盡管通常仍需要一些后處理操作，用于確保成型體成功的必要支撐結(jié)構(gòu)也屬于一種材料浪費。增材制造并非完美無瑕，但它帶來的優(yōu)勢卻極具吸引力，GKN Aerospace就是一個例子：
b. 本地化生產(chǎn)
增材制造無需模具，能消除與模具制造相關(guān)的高昂固定成本，有助于提高小規(guī)模制造企業(yè)的經(jīng)濟效益 —即使是一家小型企業(yè)，也能獲得成本競爭優(yōu)勢，同時憑借臨近客戶的便利性，可提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)?？山璐藱C會革新現(xiàn)有供應(yīng)鏈，或改造現(xiàn)有供應(yīng)鏈以提高響應(yīng)速度。
金屬3D打印擁有的巨大潛力足以顛覆傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計和制造方式;它有助于推動有價值的產(chǎn)品創(chuàng)新，為開創(chuàng)全新業(yè)務(wù)模式創(chuàng)造機會。下文將探討增材制造將給市場帶來哪些實質(zhì)性的變化，以及企業(yè)應(yīng)采取何種措施來引領(lǐng)這場制造技術(shù)的革命。
臺階2-零件集成
這是開始改變產(chǎn)品設(shè)計的第一步，以便充分利用增材制造能夠加工復(fù)雜形狀的特性。在這種情況下，希望通過將多個零件集成到單一且完整的加工件中，精簡產(chǎn)品中的零件數(shù)量。這一級臺階，有三個增材制造功能可發(fā)揮作用：
a.多特征部件
增材制造允許為部件設(shè)計細節(jié)特征，然后只需一次操作便可完成加工，無需額外的流程步驟?？上に嚨膹?fù)雜性，轉(zhuǎn)而將其注入到零件中。
將多個加工步驟合并為單一的增材制造操作，自動加工出的單一加工件便可替代復(fù)雜的裝配流程，降低模具成本、縮短總加工時間以及縮短交貨時間等。
b.消除結(jié)合點
在產(chǎn)品設(shè)計中，對傳統(tǒng)制造過程無法一次完成的復(fù)雜形狀，需加入接合點。接合點是指配對特征、緊固件、插頭、墊片和密封圈等。它們會增加產(chǎn)品的零件數(shù)量、重量、加工和裝配時間，也會導致產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，各部件之間匹配不佳，埋下故障和性能隱患。因此最好避免接合點!
增材制造可在一次操作中加工出復(fù)雜形狀 — 例如下圖所示的扭曲狀波導管，有助于節(jié)省裝配成本，提高長期使用效益。
c.連環(huán)結(jié)構(gòu)
可在一次增材制造過程中生產(chǎn)具有連環(huán)結(jié)構(gòu)的部件，無需進一步裝配操作。如此可制造出外觀整潔、極具吸引力的多功能零件。
臺階3—DfAM優(yōu)化
到達階梯頂部可利用最為高級的增材制造功能。運用增材制造專用設(shè)計 (DfAM) 原理，充分利用其帶來的設(shè)計自由，獲得創(chuàng)新、定制的解決方案。
a. 空心/多孔結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的許多零件為實心結(jié)構(gòu)，盡管空心結(jié)構(gòu)的強度并不遜色，但傳統(tǒng)加工方法費時費力，成本昂貴。增材制造通過單一加工過程輕松加工出空心結(jié)構(gòu)，材料使用少、加工時間短。例如網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在保持強度的同時，重量減輕50%。
b. 拓撲優(yōu)化
拓撲優(yōu)化也可減輕零件重量，原理是定義相鄰結(jié)構(gòu)的接觸面及其所承受的載荷。考慮這些載荷對材料產(chǎn)生的應(yīng)力，并去除應(yīng)力最小區(qū)域中的材料，只保留能以最有效方式傳輸指定載荷的區(qū)域中的材料。
以下為空間探測設(shè)備使用的一支架，其重量是極為關(guān)鍵的因素。通過拓撲優(yōu)化，支架變?yōu)榭招慕Y(jié)構(gòu) —“命運之手指”—重量減少了三分之一，設(shè)計和生產(chǎn)時間也大大縮短。
c. 增強美觀性
增材制造技術(shù)讓我們能隨心所欲地設(shè)計各種不尋常的天然形狀，生產(chǎn)出創(chuàng)新且富有吸引力的產(chǎn)品，例如珠寶。
d. 增加表面積
承載接觸面需較大的表面積，以確保良好的附著性。骨科植入體尤其如此，醫(yī)生希望提高金屬植入體和鄰近骨骼間的相容性，確保二者穩(wěn)固接合，盡量防止出現(xiàn)“應(yīng)力遮擋效應(yīng)”，避免后續(xù)手術(shù)修復(fù)治療。大面積接觸表面，還有利于提高金屬與復(fù)合材料之間的接合強度。
e. 提高傳熱性
設(shè)計新型熱交換器是增材制造技術(shù)的一個重要應(yīng)用。為最大限度提高一種液體與另一種之間的換熱效率，熱交換器內(nèi)部應(yīng)具有大量復(fù)雜的微型薄壁管道和二次表面。增材制造能經(jīng)濟高效地加工出內(nèi)外部細節(jié)特征，產(chǎn)品性能更高，重量更輕。對賽車、公路車輛及綠色能源產(chǎn)品設(shè)計具有明顯優(yōu)勢。
f. 高強度合金
某些合金材料具有理想的熱屬性和機械屬性，但加工難度大，實際應(yīng)用受到限制。增材制造本質(zhì)是熔接過程，只要能將合金“霧化”為粉末，就可使用激光技術(shù)加工材料。
g. 微型結(jié)構(gòu)材料
增材制造可加工出精細的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，為生產(chǎn)具有特定屬性的金屬“泡沫”創(chuàng)造了機會。此類微型結(jié)構(gòu)材料經(jīng)過設(shè)計可具有各向異性的屬性 — 例如不同平面具有不同的剛性和導熱性。標準和定制的微型結(jié)構(gòu)材料為生產(chǎn)輕質(zhì)、高性能產(chǎn)品開啟新的機遇。
h. 按照物料清單進行生產(chǎn)
增材制造無需刀具，模具，可將不同產(chǎn)品組件的制造過程集成到單一的加工工序中，一次性制造所有主要組件，對其進行后處理并完成組裝。有助于簡化生產(chǎn)調(diào)度、減少庫存。還可有選擇地將其與本地化生產(chǎn)，大規(guī)模定制相結(jié)合
我們?yōu)槿虻谝惠v3D打印山地自行車制造的車架就是個應(yīng)用典范。
i. 大規(guī)模定制
只要有想要制造零件的CAD模型，無論是制造與之前完全相同的零件，或有稍許差異，使用增材制造在成本和加工時間方面幾乎沒有差別，能以經(jīng)濟實惠的方式生產(chǎn)定制零件。雷尼紹的種植牙業(yè)務(wù)每天要根據(jù)不同口腔技工所的設(shè)計文件，制 造形狀各異的修復(fù)體。這些修復(fù)體可在一次加工過程中完成，降低成本。
定制化零件能更好適應(yīng)其應(yīng)用環(huán)境，安裝更簡便、使用效果更好，從而能提供更高價值的服務(wù)。當定制化生產(chǎn)與增材制造的其他特點相結(jié)合，便擁有了顛覆傳統(tǒng)大規(guī)模生產(chǎn)模式的力量。
希望這篇文章可幫助您分析增材制造將對市場產(chǎn)生的深遠影響，并思考您應(yīng)如何應(yīng)對以便引領(lǐng)行業(yè)變革。
