金属3D打印零件的三大挑战

作为一个行业，我们如何鼓励更多地采用金属增材制造技术，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。

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、资质和开发。

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，该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部件的能力直接体现了价值。

3D 打印叶轮（图片来源：韩华电力系统公司）

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？

利用LPBF作为增材制造成本和价值模型，我们目前可以说，根据所使用合金的不同，材料（这里指金属粉末）约占成品部件成本的20-50%。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，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150-1000美元之间。然而，问题仍然存在：这是很多、很少，还是恰到好处？

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50000美元，重量为2000kg ，其价值密度约为25$/kg。

一架波音737 MAX客机重达40000公斤，其价值密度约为2500$/kg。相比之下，飞机每公斤的价格是汽车的100倍。

汽车减重的价值可能会随着新的环保法规而改变，飞机减重仍在持续。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（通过增材制造技术实现）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？

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？改进资格认证就是其中之一。

质量认证的挑战在于能否生产出具有可重复材料特性以及可重复尺寸和几何精度的零件。我们所说的可重复性，是指机器与机器、年复一年、供应商与供应商之间的可重复性。

该图将高端汽车的价值密度与波音客机的价值密度进行了比较

2022 年，在一个分布式生产项目中，在国外和美国的六个不同地点打印了上一张图片中的相同阀门（图片来源：IMI 和 Velo3D）

机械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。

行业期望从增材制造中获得相似的、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，有数以百计的工匠服务局在开发固有的制造工艺。这种为追求理想结果而“变味”的方法不仅会引起变化，而且难以达到可重复的规范。

问题源于原始设备制造商的增材制造机器，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机器进行工艺创新、调整和变通。

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？

发展的复杂性对培训和教育的影响

增材制造的开发挑战与资质问题密切相关。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和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。

使用 Velo3D 金属快速成型技术制造的4个Launcher Orbiter发动机（图片来源：Launcher和Velo3D）

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技术的工程师直接受益。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。

虽然在这里或那里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零件的所有方面，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。

为了避免这些挑战，培训至关重要。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，这些错误的方向可能导致成本上升。这也分散了纯粹的研发资源，阻碍了增材制造技术的广泛应用。

展望未来，针对目前增材制造技术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。我们是否可以在自己的机器上更积极地应用这些知识呢？

成为机械加工的同行者

让增材制造更像机械加工是一个切实可行的愿景。机械加工可以轻松地进行定制和中批量生产，并具有可重复性、精确性和高效性。它是行业的主力军，而增材制造技术则是行业的新兴力量。

机械加工是应用自动化、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。

如果增材制造技术能够克服其局限性，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：荣格-《国际金属加工商情》

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