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(gè)行業(yè)，我們?nèi)绾喂膭?lì)更多地采用金屬增材制造 (AM)，并將該技術(shù)成功推向批量生產(chǎn)？這些問題是推動(dòng)持續(xù)投資增材制造技術(shù)的關(guān)鍵目標(biāo)。

△金屬增材制造技術(shù)用于制造葉輪

雖然有大量非關(guān)鍵部件的中小批量生產(chǎn)實(shí)例，但我們是否已準(zhǔn)備好滿足維護(hù)、維修和運(yùn)營(yíng)（MRO）市場(chǎng)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(lǐng)域?qū)��?chuàng)新、高性能設(shè)計(jì)的迫切需求？我們能否根據(jù)需要擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模？

我的回答是，我們還有很長(zhǎng)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(dòng)成型的各個(gè)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(fù)性和開發(fā)。

成本及其價(jià)值曲線
并非最終產(chǎn)品中的所有組件都能產(chǎn)生相同的性能價(jià)值。有些功能只是結(jié)構(gòu)性的（殼體和外殼），而葉輪和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)雜組件的價(jià)值可能會(huì)使整個(gè)產(chǎn)品脫穎而出，成為區(qū)別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的關(guān)鍵因素。

類似的情況也發(fā)生在增材制造技術(shù)上，該技術(shù)可用于制造鑄造、機(jī)械加工或其他傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法制造的零件。通過增材制造技術(shù)制造此類零件的能力直接體現(xiàn)了價(jià)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(huì)是什么樣子，我們應(yīng)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(jià)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(dá)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(guān)系導(dǎo)致金屬增材制造部件的生產(chǎn)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(jià)值密度（相對(duì)于重量和密度的價(jià)值）來更好地回答這個(gè)問題。一輛高檔汽車的零售價(jià)約為 50,000 美元，重量為 2 000 千克，其價(jià)值密度約為每千克 25 美元。

一架波音 737 MAX 客機(jī)重達(dá) 40,000 公斤，其價(jià)值密度約為每公斤 2,500 美元。相比之下，飛機(jī)每公斤的價(jià)格是汽車的 100 倍。

△將高端汽車的價(jià)值密度與波音客機(jī)的價(jià)值密度進(jìn)行了比較。對(duì)于商業(yè)航空、能源和太空飛行等合適的應(yīng)用領(lǐng)域，增材制造可以提供巨大的成本-重量和性能價(jià)值

雖然汽車減重的價(jià)值可能會(huì)隨著新的環(huán)保法規(guī)而改變，但飛機(jī)減重仍然更為重要。在飛機(jī)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(zhì)材料（如復(fù)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(jià)值密度公式無(wú)法與汽車或飛機(jī)相提并論，但提高能源渦輪機(jī)的效率，就像增材制造在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上所做的那樣，渦輪機(jī)的組件成本性能比就會(huì)大大提高。先進(jìn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在推力和效率方面的突破（通過增材制造實(shí)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(jīng)濟(jì)效益。

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

成本、價(jià)值、可重復(fù)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(shù)的價(jià)值主張，但還有什么能促進(jìn)價(jià)值等式并進(jìn)一步推廣應(yīng)用呢？改進(jìn)合格性。

合格性挑戰(zhàn)涉及到生成具有可重復(fù)材料特性以及可重復(fù)尺寸和幾何精度的零件的能力。當(dāng)我們說可重復(fù)性時(shí)，我們指的是機(jī)器與機(jī)器、年復(fù)一年、供應(yīng)商與供應(yīng)商之間的可重復(fù)性。

計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）加工已經(jīng)解決了這一難題。類似的解決方案恰好是增材制造獲得認(rèn)可所需要的。

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

業(yè)界期望從增材制造中獲得類似的、可重復(fù)的結(jié)果。這種經(jīng)過驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)也是實(shí)施持續(xù)改進(jìn)的基礎(chǔ)，是探索增材制造系統(tǒng)深度創(chuàng)新的關(guān)鍵。

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

問題源于設(shè)備制造商的機(jī)器，這些機(jī)器的核心流程和控制存在變異。隨著時(shí)間的推移，機(jī)器會(huì)從校準(zhǔn)規(guī)格中 "漂移 "出來，這意味著不同機(jī)器的打印參數(shù)會(huì)有所不同。在機(jī)器 A 上成功打印后，要在機(jī)器 B 上生產(chǎn)零件，這意味著認(rèn)證流程要從頭開始。

△2022年，在一個(gè)分布式生產(chǎn)項(xiàng)目中，在國(guó)外和美國(guó)的六個(gè)不同地點(diǎn)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(dá)到目標(biāo)質(zhì)量以及進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)的潛力

每個(gè)新零件都需要對(duì)用于制造該零件的每臺(tái)機(jī)器進(jìn)行工藝創(chuàng)新、調(diào)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(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性？最終，如何有機(jī)地實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和更廣泛的行業(yè)應(yīng)用？

開發(fā)的復(fù)雜性影響培訓(xùn)和教育

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

如今，增材制造的結(jié)構(gòu)限制迫使工程師將 DFAM 規(guī)則應(yīng)用到大多數(shù)設(shè)計(jì)中，以彌補(bǔ)系統(tǒng)打印能力的不足。與傳統(tǒng)增材制造中必須根據(jù)打印機(jī)對(duì)文件進(jìn)行調(diào)整的鑒定挑戰(zhàn)類似，開發(fā)問題意味著除了調(diào)整設(shè)計(jì)外，還必須應(yīng)用新技術(shù)使零件可打印。

這種方法應(yīng)利用軟件規(guī)定的通用制造和通用校準(zhǔn)設(shè)置進(jìn)行簡(jiǎn)化，而不是通過臨時(shí)實(shí)驗(yàn)調(diào)整來規(guī)避機(jī)器限制。

這將使有意采用增材制造的工程師直接受益。內(nèi)在的、內(nèi)置的質(zhì)量和固有的工藝保真度可以滿足和驗(yàn)證質(zhì)量。可重復(fù)性和可擴(kuò)展性隨之而來。

△Velo3D 的 "健康檢查表 "顯示所有校準(zhǔn)均在規(guī)定的控制范圍內(nèi)進(jìn)行，校準(zhǔn)有助于消除機(jī)床之間的差異

雖然使用支撐結(jié)構(gòu)可能會(huì)對(duì)構(gòu)建優(yōu)化起作用，但當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)幾乎支撐了墻壁的所有方面，或者需要在打印完成后對(duì)內(nèi)部無(wú)法加工的幾何形狀進(jìn)行加工時(shí)，它可能會(huì)變得非常昂貴，甚至無(wú)法拆除。

要避免這些挑戰(zhàn)，培訓(xùn)和減少教育障礙至關(guān)重要。這些解決方案包括推動(dòng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、開箱即用的系統(tǒng)保真度，以及提高端到端質(zhì)量和構(gòu)建流程的軟件自動(dòng)化程度。

有太多的材料科學(xué)家、工藝技術(shù)專家和博士正在以工匠之手處理日常項(xiàng)目。在運(yùn)營(yíng)層面，這些方向錯(cuò)誤的人力資產(chǎn)導(dǎo)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(yīng)用。

展望未來，針對(duì)目前增材制造中存在的勞動(dòng)力和過度復(fù)雜性，實(shí)踐 "零件整合與簡(jiǎn)化 "的思維方式是有益的。當(dāng)客戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)擺在我們面前時(shí)，我們當(dāng)然知道該怎么做。我們是否可以更努力地將這些知識(shí)應(yīng)用到自己的機(jī)器上呢？

向數(shù)控成功的鏡像邁進(jìn)

讓增材制造更像 CNC 加工是一個(gè)切實(shí)可行的愿景。數(shù)控機(jī)床可以輕松實(shí)現(xiàn)定制和中批量生產(chǎn)，并具有可重復(fù)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(shù)快速成型的四個(gè) Launcher Orbiter 發(fā)動(dòng)機(jī)

CNC 是應(yīng)用自動(dòng)化、硬件軟件集成和提高經(jīng)濟(jì)性的典范，同時(shí)還能提高車間績(jī)效。

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

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