Velo3D 創(chuàng)始人：與CNC相比，3D打印金屬零件還有三大挑戰(zhàn)

作為一個行業(yè)，我們如何鼓勵更多地采用金屬增材制造 (AM)，并將該技術成功推向批量生產？這些問題是推動持續(xù)投資增材制造技術的關鍵目標。

△金屬增材制造技術用于制造葉輪

雖然有大量非關鍵部件的中小批量生產實例，但我們是否已準備好滿足維護、維修和運營（MRO）市場的專業(yè)化和迫切需求？此外，我們能否滿足航空航天和能源領域對創(chuàng)新、高性能設計的迫切需求？我們能否根據需要擴大生產規(guī)模？

我的回答是，我們還有很長的路要走。

從激光粉末床熔融 (LPBF) 到定向能沉積 (DED) 和金屬粘合劑噴射 (MBJ)，金屬自動成型的各個環(huán)節(jié)都在飛速發(fā)展，但基本問題依然存在。這些問題主要圍繞三大挑戰(zhàn)：成本、可重復性和開發(fā)。

成本及其價值曲線
并非最終產品中的所有組件都能產生相同的性能價值。有些功能只是結構性的（殼體和外殼），而葉輪和噴氣發(fā)動機渦輪葉片等組件則需要昂貴的材料，因此制造難度更大，需要大量的工程資源。然而，更復雜組件的價值可能會使整個產品脫穎而出，成為區(qū)別于競爭對手的關鍵因素。

類似的情況也發(fā)生在增材制造技術上，該技術可用于制造鑄造、機械加工或其他傳統(tǒng)制造工藝無法制造的零件。通過增材制造技術制造此類零件的能力直接體現(xiàn)了價值。

因此，增材制造部件功能的提高通�？梢宰C明較高的直接成本是合理的。然而，增材制造成本的未來會是什么樣子，我們應該如何考慮成品零件的成本？

利用 LPBF 作為增材制造成本和價值模型，我們目前可以說，材料（這里指粉末金屬）約占成品部件成本的 20-50%，具體取決于所使用的合金。粉末鋁合金每公斤不到 50 美元；GRCop-42 每公斤可能超過 300 美元，耐火材料每公斤可能高達數(shù)千美元。

鑒于可能的工程決策范圍很廣，材料與成本之間的關系導致金屬增材制造部件的生產成本介于每公斤 150 美元到 1000 美元之間。然而，問題仍然存在： 這是很多、很少，還是恰到好處？

我們需要從價值密度（相對于重量和密度的價值）來更好地回答這個問題。一輛高檔汽車的零售價約為 50,000 美元，重量為 2 000 千克，其價值密度約為每千克 25 美元。

一架波音 737 MAX 客機重達 40,000 公斤，其價值密度約為每公斤 2,500 美元。相比之下，飛機每公斤的價格是汽車的 100 倍。

△將高端汽車的價值密度與波音客機的價值密度進行了比較。對于商業(yè)航空、能源和太空飛行等合適的應用領域，增材制造可以提供巨大的成本-重量和性能價值

雖然汽車減重的價值可能會隨著新的環(huán)保法規(guī)而改變，但飛機減重仍然更為重要。在飛機的使用壽命期間，僅從節(jié)省燃料的角度來看，使用輕量化和輕質材料（如復合材料）就足以抵消材料和制造成本。

固定式天然氣發(fā)電廠的價值密度公式無法與汽車或飛機相提并論，但提高能源渦輪機的效率，就像增材制造在飛機發(fā)動機上所做的那樣，渦輪機的組件成本性能比就會大大提高。先進火箭發(fā)動機在推力和效率方面的突破（通過增材制造實現(xiàn)）在節(jié)省燃料、提升能力和增加有效載荷方面具有巨大的經濟效益。

在這些情況下，創(chuàng)新直接轉化為更高的單位成本價值。那么，既然有了這些價值，為什么增材制造的應用還沒有更廣泛呢？

成本、價值、可重復性和行業(yè)采用的合格因素

我們知道，降低增材制造的成本將繼續(xù)改善該技術的價值主張，但還有什么能促進價值等式并進一步推廣應用呢？改進合格性。

合格性挑戰(zhàn)涉及到生成具有可重復材料特性以及可重復尺寸和幾何精度的零件的能力。當我們說可重復性時，我們指的是機器與機器、年復一年、供應商與供應商之間的可重復性。

計算機數(shù)控（CNC）加工已經解決了這一難題。類似的解決方案恰好是增材制造獲得認可所需要的。

△使用Velo3D藍寶石系統(tǒng)（2021年）3D打印的兩個IMI油氣閥門

業(yè)界期望從增材制造中獲得類似的、可重復的結果。這種經過驗證的標準也是實施持續(xù)改進的基礎，是探索增材制造系統(tǒng)深度創(chuàng)新的關鍵。

例如，有數(shù)以百計的服務商開發(fā)固有的制造工藝。這種為追求理想結果而 "變味 "的方法不僅會引起變化，而且難以達到可重復的規(guī)范。

問題源于設備制造商的機器，這些機器的核心流程和控制存在變異。隨著時間的推移，機器會從校準規(guī)格中 "漂移 "出來，這意味著不同機器的打印參數(shù)會有所不同。在機器 A 上成功打印后，要在機器 B 上生產零件，這意味著認證流程要從頭開始。

△2022年，在一個分布式生產項目中，在國外和美國的六個不同地點打印了上一張圖片中的相同閥門--展示了使用通用打印文件達到目標質量以及進行規(guī)�；�生產的潛力

每個新零件都需要對用于制造該零件的每臺機器進行工藝創(chuàng)新、調整和變通。換句話說，就是不斷重新發(fā)明輪子。

這樣做如何具有成本效益？如何實現(xiàn)可擴展性？最終，如何有機地實現(xiàn)批量生產和更廣泛的行業(yè)應用？

開發(fā)的復雜性影響培訓和教育

增材制造開發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)與資格認證問題密切相關。制造零件需要開發(fā)變通方法，因此需要使用增材制造設計（DFAM）來生產所需的零件。

如今，增材制造的結構限制迫使工程師將 DFAM 規(guī)則應用到大多數(shù)設計中，以彌補系統(tǒng)打印能力的不足。與傳統(tǒng)增材制造中必須根據打印機對文件進行調整的鑒定挑戰(zhàn)類似，開發(fā)問題意味著除了調整設計外，還必須應用新技術使零件可打印。

這種方法應利用軟件規(guī)定的通用制造和通用校準設置進行簡化，而不是通過臨時實驗調整來規(guī)避機器限制。

這將使有意采用增材制造的工程師直接受益。內在的、內置的質量和固有的工藝保真度可以滿足和驗證質量。可重復性和可擴展性隨之而來。

△Velo3D 的 "健康檢查表 "顯示所有校準均在規(guī)定的控制范圍內進行，校準有助于消除機床之間的差異

雖然使用支撐結構可能會對構建優(yōu)化起作用，但當支撐結構幾乎支撐了墻壁的所有方面，或者需要在打印完成后對內部無法加工的幾何形狀進行加工時，它可能會變得非常昂貴，甚至無法拆除。

要避免這些挑戰(zhàn)，培訓和減少教育障礙至關重要。這些解決方案包括推動應用標準、開箱即用的系統(tǒng)保真度，以及提高端到端質量和構建流程的軟件自動化程度。

有太多的材料科學家、工藝技術專家和博士正在以工匠之手處理日常項目。在運營層面，這些方向錯誤的人力資產導致成本上升。這也分散了純粹的研發(fā)資源，減緩了增材制造的廣泛應用。

展望未來，針對目前增材制造中存在的勞動力和過度復雜性，實踐 "零件整合與簡化 "的思維方式是有益的。當客戶的產品設計擺在我們面前時，我們當然知道該怎么做。我們是否可以更努力地將這些知識應用到自己的機器上呢？

向數(shù)控成功的鏡像邁進

讓增材制造更像 CNC 加工是一個切實可行的愿景。數(shù)控機床可以輕松實現(xiàn)定制和中批量生產，并具有可重復性、精確性和高效性。它是行業(yè)的主力軍，而增材制造有希望成為行業(yè)的主力軍。

△使用 Velo3D 金屬技術快速成型的四個 Launcher Orbiter 發(fā)動機

CNC 是應用自動化、硬件軟件集成和提高經濟性的典范，同時還能提高車間績效。

如果增材制造能夠克服其局限性，遵守更嚴格的規(guī)范、開發(fā)統(tǒng)一的參數(shù)集和提高自動化程度，那么它也能降低成本并簡化零件的鑒定。

這將促使供應鏈更快地采用這種技術，并提高可擴展性，而這正是從 MRO 到航空航天或能源等市場所殷切期待的。