“增材思维 数智未来”系列之“降本增效”设计思维必不可少

来源：安世亚太

增材制造作为一种新兴的制造技术，一经出现就在制造业引起了广泛的关注，尽管它目前还存在着不尽如人意的地方，但是人们普遍认为这是一种具有巨大发展潜力和想象力的技术，代表着数字化转型的重要发展方向之一。

安世亚太公司深耕增材制造产业化应用多年，深刻认同增材制造在未来数字化制造变革中的核心地位，安世亚太基于多年的项目经验和思考沉淀，推出了“增材思维 数智未来”系列文章。本文是该系列文章的第四篇内容，阐述DfAM设计思维解决增材制造降本增效问题。

增材制造“降本增效”的答案
 

成本——增材制造大规模应用的软肋
增材制造技术相对于传统的材料去除切削加工技术，是一种以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，体现了网络信息技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合。增材制造技术的出现，因其具有能够实现高性能复杂结构零件的无模具、快速、全致密近净成形等优势，为实现复杂结构优化设计、快速设计验证、小批量零部件快速制造、快速客户响应等关键问题带来了一种全新的解决思路。

在增材制造技术的实际应用过程中，成本成为制约该技术大规模推广的关键因素。38%的从业者认为，增材制造技术虽然具有独特的优势，但是成本过高，是增材制造的最大软肋。通常情况下，增材制造只适合复杂结构件小批量试制。
 

制约3D打印的因素

每批次3D打印零件数量

任何新技术要实现商业化应用，必须对该技术的成本构成做出清晰明确的分析，增材制造也概莫能外。对于增材制造产品而言，计算成本要考虑以下7个方面：

• 设计开发成本：产品的结构设计、功能仿真、工艺验证费用。一般来说增材制造的产品结构比传统结构更复杂，性能要求更高，设计开发的成本往往也更高。
• 原料成本：零件用料、支撑用料和其他用料消耗。可以在产品最终重量的基础上再增加30%-40%，作为原料成本的粗略判断。
• 机时成本：3D打印机在生产过程中的机器损耗成本。一般3D打印综合机时成本在100-300元/小时。
• 后处理成本：包括热处理、线切割、机加工、热等静压、人工打磨、磨粒流等抛光、表面渗碳渗氮等表面处理产生的费用。对于某些复杂产品或者精度要求特别高的产品，后处理成本甚至超过打印成本。
• 人工成本：生产涉及到的人力成本，包括模型数据准备、机器准备、打印过程监控、机器清理维护、后处理、生产管理等产生的人力资源费用。
• 间接成本：包括设计仿真等软件成本、水电煤气费用、房租等间接费用。
• 风险成本：打印失败的损失。一般打印时间越长，出现故障的风险越高；模型结构越大越复杂，打印失败的风险越高。某些产品打印失败1-2次并不少见。

降本增效——增材制造实现批产的出路

一般认为，增材制造的成本优势与结构复杂程度和批产数量密切相关，如果批产数量超过平衡点，传统的铸造、锻造、机加等工艺将更具竞争力。根据不同的结构复杂程度和替代工艺成本，这一平衡点介于数十件到数百件之间。
 

然而，GE公司的3D打印燃油喷嘴成功打破了这一魔咒，它是世界上第一个实现大规模量产的3D打印零部件，年产量达到3~4万件。其原因就在于通过基于增材制造的优化设计，提高了发动机的燃烧效率和燃烧稳定性。
 

虽然燃油喷嘴只有核桃般大小的结构（黄色方框内），里面却有14条精密的流体通道。这些复杂的冷却流道大大提升了冷却效果，降低了燃油喷嘴积炭的速度，因此喷嘴的使用寿命增加了5倍。
 

3D打印燃油喷嘴对油路流道进行优化设计，消除流道中的突然扩张和突然变向，增大燃油流速，从而减少燃油流过这些地方时与热管壁的换热。

最终，3D打印燃油喷嘴重量比传统方式减轻了25%，寿命提高了5倍，成本效益上升了30%。国产C919客机也采用了这款带有3D打印燃油喷嘴的Leap发动机。
2021年，GE公司又开发了另一个增材制造批产零件——涡轮机引气部件，在精确评估成本/效益的模型基础上，证明了金属3D打印在成本上也可以和铸造工艺一较高下。
 

GE Aviation梳理了现有的数百种铸件，从尺寸、形状、功能、材料、工艺、后处理等角度制定了成本分析模型，核算了每个零件的3D打印成本与收益，最终选择了涡轮机引气部件。经过摆放优化后，可同时打印4个零件，大大提高了生产率，削减多达35％的成本，成功逆袭传统制造工艺。
 

GE Aviation的增材制造部门负责人表示，这是他们第一次发现金属3D打印比铸造还要便宜。更为重要的是，这次3D打印的零件在前期已经基于铸造工艺设计定型，金属3D打印取代铸造后仍然体现了成本上的优势。这一发现极大振奋了GE Aviation，正着手寻找其他发动机上更多的零件，并采用金属3D打印来降低成本。

成本效益分析——找到下一个批产零件的法宝
GE公司找到增材制造批产零件的法宝，是他们建立了一套精确的成本/效益评估模型，利用这套模型GE公司对数百个铸造零件进行了评估，终于找到了这个百里挑一的“天选之子”。

在增材制造的成本效益评估方面，我国目前处于相对落后的状态。部分原因归咎于我国增材制造的应用相对集中于航空航天等军工市场，这是一个市场经济规律稍显薄弱的特殊市场，保型号、保节点、保重量、保质量等因素的重要性远远高于保成本，增材制造得益于其快速、灵活、适应复杂结构、适应小批量生产的特点，在军工市场率先得到了广泛应用，而需求量更大的民用市场发展稍显缓慢。

由此也造成了国内的增材制造行业缺少价值管理的理念，有的产品为了蹭上增材制造的热度，不计成本的“为了增材而增材”，另一些产品则出现了和菜市场买菜一样“论斤吆喝，按克收钱”的魔幻局面，相当于只赚取了材料费和加工费，甚至在“内卷”严重时，做到赚钱都困难。造成这一现状的主要原因就是增材制造产品的设计与制造割裂，产品的功能价值提升有限，在与其他加工方法竞争时缺少议价能力。
 

△成本效益分析

安世亚太公司基于对增材制造全流程的充分理解和全面把握，根据成本效益分析方法、全寿命周期分析方法等评估模型，从大量工业品制造案例中抽取出20个核心判断要素，形成了一套算法小程序：增材应用潜力评估系统。

该评估系统从增材制造产品全生命周期的角度考虑成本和收益，尤其是通过增材设计带来产品在服役过程中减重、节能、效率、功能等收益的增加，以及时间、人力、装配、维修等成本的降低，并综合考虑增材制造的工艺约束分析、产品可靠性分析、打印风险分析等。只需花费2分钟，就可实现自动评估产品的增材制造可行性与增材设计对产品的附加值潜力，并根据您提供的信息生成增材设计与制造方法的指导建议。
 

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