“增材思維 數(shù)智未來”系列之“降本增效”設(shè)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(shù)，一經(jīng)出現(xiàn)就在制造業(yè)引起了廣泛的關(guān)注，盡管它目前還存在著不盡如人意的地方，但是人們普遍認為這是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿�和想象力的技術(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(jīng)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(nèi)容，闡述DfAM設(shè)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(yīng)用的軟肋
增材制造技術(shù)相對于傳統(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)零件的無模具、快速、全致密近凈成形等優(yōu)勢，為實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、快速設(shè)計驗證、小批量零部件快速制造、快速客戶響應(yīng)等關(guān)鍵問題帶來了一種全新的解決思路。

在增材制造技術(shù)的實際應(yīng)用過程中，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)者認為，增材制造技術(shù)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(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)要實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，必須對該技術(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。對于增材制造產(chǎn)品而言，計算成本要考慮以下7個方面：

• 設(shè)計開發(fā)成本：產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能仿真、工藝驗證費用。一般來說增材制造的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，性能要求更高，設(shè)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(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。
• 機時成本：3D打印機在生產(chǎn)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(chǎn)生的費用。對于某些復(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、機器準(zhǔn)備、打印過程監(jiān)控、機器清理維護、后處理、生產(chǎn)管理等產(chǎn)生的人力資源費用。
• 間接成本：包括設(shè)計仿真等軟件成本、水電煤氣費用、房租等間接費用。
• 風(fēng)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(fēng)險越高；模型結(jié)構(gòu)越大越復(fù)雜，打印失敗的風(fēng)險越高。某些產(chǎn)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(chǎn)的出路

一般認為，增材制造的成本優(yōu)勢與結(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(jié)構(gòu)復(fù)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(chǎn)的3D打印零部件，年產(chǎn)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(shè)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(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打印燃油噴嘴對油路流道進行優(yōu)化設(shè)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(chǎn)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(chǎn)零件——渦輪機引氣部件，在精確評估成本/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，核算了每個零件的3D打印成本與收益，最終選擇了渦輪機引氣部件。經(jīng)過擺放優(yōu)化后，可同時打印4個零件，大大提高了生產(chǎn)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(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(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(yīng)用相對集中于航空航天等軍工市場，這是一個市場經(jīng)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(zhì)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(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、適應(yīng)小批量生產(chǎn)的特點，在軍工市場率先得到了廣泛應(yīng)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(nèi)的增材制造行業(yè)缺少價值管理的理念，有的產(chǎn)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(chǎn)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(dāng)于只賺取了材料費和加工費，甚至在“內(nèi)卷”嚴(yán)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(chǎn)品的設(shè)計與制造割裂，產(chǎn)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(yīng)用潛力評估系統(tǒng)。

該評估系統(tǒng)從增材制造產(chǎn)品全生命周期的角度考慮成本和收益，尤其是通過增材設(shè)計帶來產(chǎn)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(chǎn)品可靠性分析、打印風(fēng)險分析等。只需花費2分鐘，就可實現(xiàn)自動評估產(chǎn)品的增材制造可行性與增材設(shè)計對產(chǎn)品的附加值潛力，并根據(jù)您提供的信息生成增材設(shè)計與制造方法的指導(dǎo)建議。

簡單來說，這款小程序解答了3個問題：
1、產(chǎn)品是否適合增材制造？
2、產(chǎn)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(chǎn)品的技術(shù)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(shè)計思維
在零件設(shè)計階段就考慮打印擺放方向和擺放位置。盡可能設(shè)計為自支撐結(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(shè)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(zhì)量較差的面設(shè)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(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(yīng)對產(chǎn)品的影響，針對臺階效應(yīng)明顯的區(qū)域，要么設(shè)計為后續(xù)要機加工的區(qū)域，要么設(shè)計為對表面光潔度不敏感的區(qū)域。

提升效益的DfAM設(shè)計思維
結(jié)構(gòu)輕量化。輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)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(lǐng)域尤其重要。對于大型民用飛機而言，減少1kg結(jié)構(gòu)重量，在全壽命周期內(nèi)可節(jié)約燃油4.5萬升，節(jié)省成本2.2萬歐元。

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，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時充分考慮宏觀–介觀–微觀尺度的形性協(xié)調(diào)，在結(jié)構(gòu)本身實現(xiàn)承載功能的基礎(chǔ)上，滿足其他功能性指標(biāo)，如在結(jié)構(gòu)外部增加散熱面積，實現(xiàn)散熱功能；在內(nèi)部設(shè)計復(fù)雜流道，實現(xiàn)熱交換功能；在夾層中設(shè)計點陣結(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)和消費者帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。當(dāng)前隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)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(chǎn)效率和靈活應(yīng)變兼顧。創(chuàng)成式設(shè)計等DfAM設(shè)計思維大大降低了設(shè)計師的行業(yè)門檻，將消費端、生產(chǎn)端、銷售端、物流端統(tǒng)一結(jié)合起來，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)模式進化

案例分析——DfAM思維驅(qū)動降本增效的成功案例
德國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(shè)計相結(jié)構(gòu)的DfAM思維重新設(shè)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(dǎo)找到適合增材制造的零件。這是本項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，可以達到事半功倍的效果。

在設(shè)計的環(huán)節(jié)中，鉸鏈臂的結(jié)構(gòu)根據(jù)DfAM設(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計相比，成本降低了20%。

在設(shè)計環(huán)節(jié)中還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)形式對后處理的成本影響。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(shè)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(zhuǎn)型報告
4、3D科學(xué)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(shè)計首席專家，高級工程師，北京航空航天大學(xué)/中國商飛公司博士后。主要研究方向為增材制造創(chuàng)新設(shè)計與應(yīng)用，設(shè)計的產(chǎn)品多次獲得全國性學(xué)會及行業(yè)大獎，在增材制造創(chuàng)新設(shè)計與應(yīng)用方面具有豐富的經(jīng)驗和獨到的見解