“增材思維 數(shù)智未來”系列之“降本增效”設計思維必不可少

來源：安世亞太

增材制造作為一種新興的制造技術，一經出現(xiàn)就在制造業(yè)引起了廣泛的關注，盡管它目前還存在著不盡如人意的地方，但是人們普遍認為這是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿�和想象力的技術，代表著數(shù)字化轉型的重要發(fā)展方向之一。

安世亞太公司深耕增材制造產業(yè)化應用多年，深刻認同增材制造在未來數(shù)字化制造變革中的核心地位，安世亞太基于多年的項目經驗和思考沉淀，推出了“增材思維 數(shù)智未來”系列文章。本文是該系列文章的第四篇內容，闡述DfAM設計思維解決增材制造降本增效問題。

增材制造“降本增效”的答案

成本——增材制造大規(guī)模應用的軟肋
增材制造技術相對于傳統(tǒng)的材料去除切削加工技術，是一種以數(shù)字模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術，體現(xiàn)了網絡信息技術與先進材料技術、數(shù)字制造技術的密切結合。增材制造技術的出現(xiàn)，因其具有能夠實現(xiàn)高性能復雜結構零件的無模具、快速、全致密近凈成形等優(yōu)勢，為實現(xiàn)復雜結構優(yōu)化設計、快速設計驗證、小批量零部件快速制造、快速客戶響應等關鍵問題帶來了一種全新的解決思路。

在增材制造技術的實際應用過程中，成本成為制約該技術大規(guī)模推廣的關鍵因素。38%的從業(yè)者認為，增材制造技術雖然具有獨特的優(yōu)勢，但是成本過高，是增材制造的最大軟肋。通常情況下，增材制造只適合復雜結構件小批量試制。

制約3D打印的因素

每批次3D打印零件數(shù)量

任何新技術要實現(xiàn)商業(yè)化應用，必須對該技術的成本構成做出清晰明確的分析，增材制造也概莫能外。對于增材制造產品而言，計算成本要考慮以下7個方面：

• 設計開發(fā)成本：產品的結構設計、功能仿真、工藝驗證費用。一般來說增材制造的產品結構比傳統(tǒng)結構更復雜，性能要求更高，設計開發(fā)的成本往往也更高。
• 原料成本：零件用料、支撐用料和其他用料消耗�？梢栽诋a品最終重量的基礎上再增加30%-40%，作為原料成本的粗略判斷。
• 機時成本：3D打印機在生產過程中的機器損耗成本。一般3D打印綜合機時成本在100-300元/小時。
• 后處理成本：包括熱處理、線切割、機加工、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生的費用。對于某些復雜產品或者精度要求特別高的產品，后處理成本甚至超過打印成本。
• 人工成本：生產涉及到的人力成本，包括模型數(shù)據(jù)準備、機器準備、打印過程監(jiān)控、機器清理維護、后處理、生產管理等產生的人力資源費用。
• 間接成本：包括設計仿真等軟件成本、水電煤氣費用、房租等間接費用。
• 風險成本：打印失敗的損失。一般打印時間越長，出現(xiàn)故障的風險越高；模型結構越大越復雜，打印失敗的風險越高。某些產品打印失敗1-2次并不少見。
  

降本增效——增材制造實現(xiàn)批產的出路

一般認為，增材制造的成本優(yōu)勢與結構復雜程度和批產數(shù)量密切相關，如果批產數(shù)量超過平衡點，傳統(tǒng)的鑄造、鍛造、機加等工藝將更具競爭力。根據(jù)不同的結構復雜程度和替代工藝成本，這一平衡點介于數(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，它是世界上第一個實現(xiàn)大規(guī)模量產的3D打印零部件，年產量達到3~4萬件。其原因就在于通過基于增材制造的優(yōu)化設計，提高了發(fā)動機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構（黃色方框內），里面卻有14條精密的流體通道。這些復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打印燃油噴嘴對油路流道進行優(yōu)化設計，消除流道中的突然擴張和突然變向，增大燃油流速，從而減少燃油流過這些地方時與熱管壁的換熱。

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%。國產C919客機也采用了這款帶有3D打印燃油噴嘴的Leap發(fā)動機。
2021年，GE公司又開發(fā)了另一個增材制造批產零件——渦輪機引氣部件，在精確評估成本/效益的模型基礎上，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，核算了每個零件的3D打印成本與收益，最終選擇了渦輪機引氣部件。經過擺放優(yōu)化后，可同時打印4個零件，大大提高了生產率，削減多達35％的成本，成功逆襲傳統(tǒng)制造工藝。

GE Aviation的增材制造部門負責人表示，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基于鑄造工藝設計定型，金屬3D打印取代鑄造后仍然體現(xiàn)了成本上的優(yōu)勢。這一發(fā)現(xiàn)極大振奮了GE Aviation，正著手尋找其他發(fā)動機上更多的零件，并采用金屬3D打印來降低成本。

成本效益分析——找到下一個批產零件的法寶
GE公司找到增材制造批產零件的法寶，是他們建立了一套精確的成本/效益評估模型，利用這套模型GE公司對數(shù)百個鑄造零件進行了評估，終于找到了這個百里挑一的“天選之子”。

在增材制造的成本效益評估方面，我國目前處于相對落后的狀態(tài)。部分原因歸咎于我國增材制造的應用相對集中于航空航天等軍工市場，這是一個市場經濟規(guī)律稍顯薄弱的特殊市場，保型號、保節(jié)點、保重量、保質量等因素的重要性遠遠高于保成本，增材制造得益于其快速、靈活、適應復雜結構、適應小批量生產的特點，在軍工市場率先得到了廣泛應用，而需求量更大的民用市場發(fā)展稍顯緩慢。

由此也造成了國內的增材制造行業(yè)缺少價值管理的理念，有的產品為了蹭上增材制造的熱度，不計成本的“為了增材而增材”，另一些產品則出現(xiàn)了和菜市場買菜一樣“論斤吆喝，按克收錢”的魔幻局面，相當于只賺取了材料費和加工費，甚至在“內卷”嚴重時，做到賺錢都困難。造成這一現(xiàn)狀的主要原因就是增材制造產品的設計與制造割裂，產品的功能價值提升有限，在與其他加工方法競爭時缺少議價能力。

△成本效益分析

安世亞太公司基于對增材制造全流程的充分理解和全面把握，根據(jù)成本效益分析方法、全壽命周期分析方法等評估模型，從大量工業(yè)品制造案例中抽取出20個核心判斷要素，形成了一套算法小程序：增材應用潛力評估系統(tǒng)。

該評估系統(tǒng)從增材制造產品全生命周期的角度考慮成本和收益，尤其是通過增材設計帶來產品在服役過程中減重、節(jié)能、效率、功能等收益的增加，以及時間、人力、裝配、維修等成本的降低，并綜合考慮增材制造的工藝約束分析、產品可靠性分析、打印風險分析等。只需花費2分鐘，就可實現(xiàn)自動評估產品的增材制造可行性與增材設計對產品的附加值潛力，并根據(jù)您提供的信息生成增材設計與制造方法的指導建議。

簡單來說，這款小程序解答了3個問題：
1、產品是否適合增材制造？
2、產品在增材制造過程中要注意什么問題？
3、如何提升增材制造產品的技術收益？

△掃描二維碼進入微信小程序

DfAM思維——增材制造“降本增效”的答案
減少成本的DfAM設計思維
在零件設計階段就考慮打印擺放方向和擺放位置。盡可能設計為自支撐結構，減少所需的支撐結構數(shù)量；最大限度地增加在構建平臺上的擺放數(shù)量，一次打印更多的零件；盡可能降低零件高度，減少打印時間。

在零件設計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；盡可能將打印質量較差的面設計為后續(xù)需要機加工的面，減少表面打磨拋光的工作量；預留好定位、裝夾等位置，為后續(xù)加工提供便利。

在零件設計階段就考慮打印層厚。最大限度增加打印層厚，同時最大限度減少打印臺階效應對產品的影響，針對臺階效應明顯的區(qū)域，要么設計為后續(xù)要機加工的區(qū)域，要么設計為對表面光潔度不敏感的區(qū)域。

提升效益的DfAM設計思維
結構輕量化。輕量化的結構設計不僅可以減少材料成本和打印時間，更重要的是增加了結構的承載效率，減少了系統(tǒng)的運行成本，這一點在航空航天領域尤其重要。對于大型民用飛機而言，減少1kg結構重量，在全壽命周期內可節(jié)約燃油4.5萬升，節(jié)省成本2.2萬歐元。

結構/功能一體化。利用增材制造數(shù)字化、智能化制造的優(yōu)勢，在結構設計時充分考慮宏觀–介觀–微觀尺度的形性協(xié)調，在結構本身實現(xiàn)承載功能的基礎上，滿足其他功能性指標，如在結構外部增加散熱面積，實現(xiàn)散熱功能；在內部設計復雜流道，實現(xiàn)熱交換功能；在夾層中設計點陣結構，增加吸能抗震功能等等。

改變生產/商業(yè)模式。作為一種生產設備依賴更少的數(shù)字化制造技術，增材制造將有可能改變某些產品的生產模式和商業(yè)模式，給企業(yè)和消費者帶來巨大的經濟和社會效益。當前隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，生產模式進入智能化時代，大規(guī)模定制能力成為核心競爭力，生產效率和靈活應變兼顧。創(chuàng)成式設計等DfAM設計思維大大降低了設計師的行業(yè)門檻，將消費端、生產端、銷售端、物流端統(tǒng)一結合起來，全部人員直接參與到產品生命周期當中。

△DfAM賦能商業(yè)模式進化

案例分析——DfAM思維驅動降本增效的成功案例
德國Fraunhofer激光技術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思維驅動下的系統(tǒng)性降低成本研究取得了顯著的效果。最近，F(xiàn)raunhofer IAPT利用工藝改進和優(yōu)化設計相結構的DfAM思維重新設計了跑車車門鉸鏈，成功使其成本降低了約50%，重量減輕了35%。

△3D打印車門鉸鏈

首先，F(xiàn)raunhofer IAPT開發(fā)了一款增材制造潛力評估軟件——3D Spark。3D Spark與安世亞太自主開發(fā)的增材潛力評估小程序類似，具有零件分析和篩選功能，可引導找到適合增材制造的零件。這是本項目取得最終成功的關鍵一步，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重要，可以達到事半功倍的效果。

在設計的環(huán)節(jié)中，鉸鏈臂的結構根據(jù)DfAM設計原則進行了優(yōu)化，充分利用了增材制造的優(yōu)勢，并對幾何形狀進行了拓撲優(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間的縮短，與沒有結構優(yōu)化的設計相比，成本降低了20%。

在設計環(huán)節(jié)中還應考慮結構形式對后處理的成本影響。減少不必要的支撐結構可以大大節(jié)省生產時間和材料數(shù)量，并減少后處理階段產生的成本，與不考慮后處理的設計方案相比，降低成本10%。

最后，F(xiàn)raunhofer IAPT優(yōu)化了零件的打印工藝。包括設計擺放位置和打印方向，減少打印時間、優(yōu)化打印工藝參數(shù)、優(yōu)化設備使用效率等措施。與未進行此類優(yōu)化的增材制造工藝相比，節(jié)省了20%的成本。

參考文獻：
1、3D HUBS：Additive manufacturing trend report 2021
2、GE公司官方資料
3、德勤：數(shù)字化轉型報告
4、3D科學谷：將增材制造成本降低五倍，F(xiàn)raunhofer開發(fā)系統(tǒng)性降低成本的方法

—作者—
馬立敏，安世亞太增材設計首席專家，高級工程師，北京航空航天大學/中國商飛公司博士后。主要研究方向為增材制造創(chuàng)新設計與應用，設計的產品多次獲得全國性學會及行業(yè)大獎，在增材制造創(chuàng)新設計與應用方面具有豐富的經驗和獨到的見解