“增材思維 數(shù)智未來”系列之“降本增效”設(shè)計(jì)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(rèn)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(rèn)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(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(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(shí)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(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：

• 設(shè)計(jì)開發(fā)成本：產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能仿真,、工藝驗(yàn)證費(fèi)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(jì)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,。可以在產(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,。
  

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3~4萬件,。其原因就在于通過基于增材制造的優(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，我國目前處于相對(duì)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(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(fèi)和加工費(fèi)，甚至在“內(nèi)卷”嚴(yán)重時(shí),，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(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

安世亞太公司基于對(duì)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(píng)估模型,，從大量工業(yè)品制造案例中抽取出20個(gè)核心判斷要素，形成了一套算法小程序：增材應(yīng)用潛力評(píng)估系統(tǒng),。

該評(píng)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(jì)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(shí)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(xiǎn)分析等,。只需花費(fèi)2分鐘,，就可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)評(píng)估產(chǎn)品的增材制造可行性與增材設(shè)計(jì)對(duì)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(jì)與制造方法的指導(dǎo)建議。

簡(jiǎn)單來說,，這款小程序解答了3個(gè)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(jìn)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(jì)思維
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,。

提升效益的DfAM設(shè)計(jì)思維
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(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)門檻,，將消費(fèi)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(jìn)化

案例分析——DfAM思維驅(qū)動(dòng)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(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(píng)估軟件——3D Spark,。3D Spark與安世亞太自主開發(fā)的增材潛力評(píng)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(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)行此類優(yōu)化的增材制造工藝相比,，節(jié)省了20%的成本。

參考文獻(xiàn)：
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(bào)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(jì)首席專家,，高級(jí)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?yàn)樵霾闹圃靹?chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用,，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品多次獲得全國性學(xué)會(huì)及行業(yè)大獎(jiǎng),，在增材制造創(chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)和獨(dú)到的見解