增材制造将对市场产生深远影响

　　引言：增材制造带来的效益会随着阶梯的爬升而提高，因为能够更多地利用到它所具有的独特功能。这些功能应用越多，增材制造产品就越具有创新性和突破性，价值也越大。金属3D打印拥有的巨大潜力足以颠覆传统的产品设计和制造方式，它有助于推动有价值的产品创新，为开创全新业务模式创造机会。

　　人人都在谈论3D打印技术将如何改变目前的制造环境，这项技术也成为了工业4.0创新浪潮的一部分，人们希望它能够彻底变革现有的生产方式。这或许有点夸张，但增材制造 (AM) 确实昭示着生产力的巨大革新。

　　增材制造在每个行业的应用步伐取决于行业自身的特点 — 例如监管水平 — 以及现有及潜在的业界客户对创新和风险所持的态度。毫无疑问，制造业市场蕴含着巨大的变革机会。但问题是，当机遇来临时，您如何让自己的企业立于不败之地?

　　最好先思考一下，增材制造会给市场带来什么样的本质性改变，而您希望如何应用这技术来增强您的竞争力。阶梯模型简要介绍了应用增材制造的不同阶段：

　　增材制造的生产效益

　　应用增材制造可能获得的各种效益，包括在产品制造过程中累积的生产效益，以及在产品投入使用之后累积的长期效益。沿阶梯上行时，在新产品设计和验证方面的投入，及新制造工艺方面的投入都会上升，但获得的效益也会随之增加：

　　增材制造带来的效益会随着阶梯的爬升而提高，因为能够更多地利用到它所具有的独特功能。这些功能应用越多，增材制造产品就越具有创新性和突破性，价值也越大。

　　那么这有什么实践意义呢?您可以逐步应用哪些功能?接下来将重点介绍增材制造在阶梯模型的四级台阶您可以发挥的功能。先介绍第一个台阶0。

　　台阶0—快速原型制造和加工

　　这通常是许多公司开始应用增材制造的起点，即快速制造模型和工具，此时的产品设计尚未定型。在这一级台阶，有两个增材制造功能可发挥作用：

　　a. 可重复的数控加工

　　增材制造是一种高度自动化的过程，在装填好粉仓并启动激光之后，整个加工过程便无需任何人工干预。因此，它可替代传统的加工流程，提高生产成本效益，而加工结果的精度和可预测性也更好。增材制造在口腔领域的应用就是很好的例子，手工制作的模型被采用数字化设计并自动加工出的植入体替代。这是增材制造的内在特性，在阶梯的所有阶段都能获得这些效益。

　　b. 随形冷却

　　这是一个可以成功应用于模具制造的复杂功能。随形冷却需要根据零件轮廓构建冷却液通道，确保快速均匀的热量传递。通道本身应设计成具有流畅的圆角，可避免冷却液滞留而导致腐蚀，同时确保冷却液能以较小压降顺畅流动。可将多条冷却液通道设计到一个复杂模具中，每条长度相同，确保均匀冷却。最终生产出的模具制造周期短、使用寿命长。

　　也可将随形冷却功能应用到产品本身，但这需要更改产品设计，在应用阶梯模型中属于最高一级台阶了。

　　台阶1 — 直接零件替换

　　我们在阶梯模型中向上移动一级，来到零件制造阶段，但这仅是对现有零件的复制。这里只有制造工序发生变化，而零件的几何形状并未发生改变。这个阶段可实现增材制造的另外两个功能：

　　a. 近净成型制造

　　相较于切削式加工方法，增材制造的一个重要特性是，材料浪费非常少。我们要考虑批量生产，那么单位浪费率就变得十分重要。

　　在航空航天领域，BTF比率(原材料与成品零件之间的重量比值)是衡量加工效率的一个关键指标 — 在生产过程中，有多少原材料成为了切屑?增材制造是一种“近净成型”工序，尽管通常仍需要一些后处理操作，用于确保成型体成功的必要支撑结构也属于一种材料浪费。增材制造并非完美无瑕，但它带来的优势却极具吸引力，GKN Aerospace就是一个例子：

　　b. 本地化生产

　　增材制造无需模具，能消除与模具制造相关的高昂固定成本，有助于提高小规模制造企业的经济效益 —即使是一家小型企业，也能获得成本竞争优势，同时凭借临近客户的便利性，可提供更优质的服务。可借此机会革新现有供应链，或改造现有供应链以提高响应速度。

　　金属3D打印拥有的巨大潜力足以颠覆传统的产品设计和制造方式;它有助于推动有价值的产品创新，为开创全新业务模式创造机会。下文将探讨增材制造将给市场带来哪些实质性的变化，以及企业应采取何种措施来引领这场制造技术的革命。

　　台阶2-零件集成

　　这是开始改变产品设计的第一步，以便充分利用增材制造能够加工复杂形状的特性。在这种情况下，希望通过将多个零件集成到单一且完整的加工件中，精简产品中的零件数量。这一级台阶，有三个增材制造功能可发挥作用：

　　a.多特征部件

　　增材制造允许为部件设计细节特征，然后只需一次操作便可完成加工，无需额外的流程步骤。可消除工艺的复杂性，转而将其注入到零件中。

　　将多个加工步骤合并为单一的增材制造操作，自动加工出的单一加工件便可替代复杂的装配流程，降低模具成本、缩短总加工时间以及缩短交货时间等。

　　b.消除结合点

　　在产品设计中，对传统制造过程无法一次完成的复杂形状，需加入接合点。接合点是指配对特征、紧固件、插头、垫片和密封圈等。它们会增加产品的零件数量、重量、加工和装配时间，也会导致产品结构中出现薄弱环节，各部件之间匹配不佳，埋下故障和性能隐患。因此最好避免接合点!

　　增材制造可在一次操作中加工出复杂形状 — 例如下图所示的扭曲状波导管，有助于节省装配成本，提高长期使用效益。

　　c.连环结构

　　可在一次增材制造过程中生产具有连环结构的部件，无需进一步装配操作。如此可制造出外观整洁、极具吸引力的多功能零件。

　　台阶3—DfAM优化

　　到达阶梯顶部可利用最为高级的增材制造功能。运用增材制造专用设计 (DfAM) 原理，充分利用其带来的设计自由，获得创新、定制的解决方案。

　　a. 空心/多孔结构

　　传统方法生产的许多零件为实心结构，尽管空心结构的强度并不逊色，但传统加工方法费时费力，成本昂贵。增材制造通过单一加工过程轻松加工出空心结构，材料使用少、加工时间短。例如网状结构在保持强度的同时，重量减轻50%。

　　b. 拓扑优化

　　拓扑优化也可减轻零件重量，原理是定义相邻结构的接触面及其所承受的载荷。考虑这些载荷对材料产生的应力，并去除应力最小区域中的材料，只保留能以最有效方式传输指定载荷的区域中的材料。

　　以下为空间探测设备使用的一支架，其重量是极为关键的因素。通过拓扑优化，支架变为空心结构 —“命运之手指”—重量减少了三分之一，设计和生产时间也大大缩短。

　　c. 增强美观性

　　增材制造技术让我们能随心所欲地设计各种不寻常的天然形状，生产出创新且富有吸引力的产品，例如珠宝。

　　d. 增加表面积

　　承载接触面需较大的表面积，以确保良好的附着性。骨科植入体尤其如此，医生希望提高金属植入体和邻近骨骼间的相容性，确保二者稳固接合，尽量防止出现“应力遮挡效应”，避免后续手术修复治疗。大面积接触表面，还有利于提高金属与复合材料之间的接合强度。

　　e. 提高传热性

　　设计新型热交换器是增材制造技术的一个重要应用。为最大限度提高一种液体与另一种之间的换热效率，热交换器内部应具有大量复杂的微型薄壁管道和二次表面。增材制造能经济高效地加工出内外部细节特征，产品性能更高，重量更轻。对赛车、公路车辆及绿色能源产品设计具有明显优势。

　　f. 高强度合金

　　某些合金材料具有理想的热属性和机械属性，但加工难度大，实际应用受到限制。增材制造本质是熔接过程，只要能将合金“雾化”为粉末，就可使用激光技术加工材料。

　　g. 微型结构材料

　　增材制造可加工出精细的网状结构，为生产具有特定属性的金属“泡沫”创造了机会。此类微型结构材料经过设计可具有各向异性的属性 — 例如不同平面具有不同的刚性和导热性。标准和定制的微型结构材料为生产轻质、高性能产品开启新的机遇。

　　h. 按照物料清单进行生产

　　增材制造无需刀具，模具，可将不同产品组件的制造过程集成到单一的加工工序中，一次性制造所有主要组件，对其进行后处理并完成组装。有助于简化生产调度、减少库存。还可有选择地将其与本地化生产，大规模定制相结合

　　我们为全球第一辆3D打印山地自行车制造的车架就是个应用典范。

　　i. 大规模定制

　　只要有想要制造零件的CAD模型，无论是制造与之前完全相同的零件，或有稍许差异，使用增材制造在成本和加工时间方面几乎没有差别，能以经济实惠的方式生产定制零件。雷尼绍的种植牙业务每天要根据不同口腔技工所的设计文件，制 造形状各异的修复体。这些修复体可在一次加工过程中完成，降低成本。

　　定制化零件能更好适应其应用环境，安装更简便、使用效果更好，从而能提供更高价值的服务。当定制化生产与增材制造的其他特点相结合，便拥有了颠覆传统大规模生产模式的力量。

　　希望这篇文章可帮助您分析增材制造将对市场产生的深远影响，并思考您应如何应对以便引领行业变革。

（Marc Saunders，雷尼绍全球解决方案中心总监）