作者：Marc Saunders

雷尼绍全球解决方案中心总监，负责增材制造（金属3D打印）应用的普及

2016年7月14日

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？

现在最好先思考一下，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一技术来增强您的竞争力。在我的上一篇博文如何充分利用增材制造？中，我使用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

我还讨论了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，以及在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，因为您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，其价值也越大。

那么这有什么实践意义呢？您可以逐步应用哪些功能？本篇博文接下来将重点介绍增材制造在阶梯模型的前两级台阶您可以发挥的功能，而下一篇博文将介绍更高的两级台阶。

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，而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一个很好的例子，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。由于这是增材制造的内在特性，因此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，这样可避免冷却液滞留从而导致腐蚀，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。最终生产出的模具具有制造周期短、使用寿命长的特点。

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，便来到了零件制造阶段，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，在制造零件时材料浪费非常少。既然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？值得注意的是，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，而且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

增材制造不需要模具，因此能够消除与模具制造相关的高昂固定成本。这有助于提高小规模制造企业的经济效益 — 换句话说，即使您是一家小型企业，也能获得成本竞争优势，同时凭借临近客户的便利性，还可提供更加优质的服务。您可以借此机会彻底革新现有供应链，或改造现有供应链以提高响应速度。

总结 — 第1部分

第1部分介绍了在增材制造应用阶梯模型的前两级台阶中增材制造的一些基本功能。第2部分将完整介绍阶梯模型的剩余台阶，深入探讨一些更加高级的增材制造特性。

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，也为开创全新业务模式创造了机会。在这篇博文中，我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。

在上一篇博文增材效益第1部分中，我介绍了增材制造应用的阶梯模型，说明了当您沿着阶梯向上行进时，增材制造的生产效益和长期效益如何随之上升。当您采用的增材制造的独特功能越来越多时，这些效益也会随之水涨船高。

在第1部分中，我探讨了此阶梯的前两级台阶，在本文中，我将继续介绍更上方的两级台阶。

台阶2 — 零件集成

这是我们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这一特性。在这种情况下，我们希望通过将多个零件集成到单一且完整的加工件中，从而精简产品中的零件数量。在这一级台阶，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。我们可以消除工艺的复杂性，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，这可带来诸多的成本效益，包括：降低模具成本、缩短总加工时间以及缩短交货时间等。

b. 消除接合点

在产品设计中，对于传统制造过程无法一次完成的复杂形状，则需要加入接合点。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、加工时间和装配时间，也会导致产品结构中出现薄弱环节，以及各个部件之间匹配不佳，从而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。这有助于节省装配成本，同时提高长期使用效益。

有关此案例的详细介绍，请阅读我的博文通过增材制造来简化设计和减轻重量。

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

我们现在到达了阶梯顶部，可利用到最为高级的增材制造功能。我们将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。在这里一切都可以自由优化，您将获得创新、定制的解决方案。以下为几个值得一提的功能：

a. 空心/多孔结构

传统方法生产的许多零件均为实心结构，尽管空心结构的强度往往并不逊色于实心结构，但由于传统的空心加工方法费时费力且成本昂贵而不得不作罢。而增材制造通过单一加工过程便可轻松加工出空心结构，同时还具有材料使用量少、加工时间短的优点。例如网状结构能够在保持强度的同时减轻零件重量，这一数值通常可高达50%。

b. 拓扑优化

另一项可减轻零件重量的技术是拓扑优化。拓扑优化的原理是定义相邻结构的接触面及其所承受的载荷。然后我们考虑这些载荷对材料产生的应力，并去除应力最小的区域中的材料，而只保留能够以最有效方式传输指定载荷的区域中的材料。

以下示例为空间探测设备使用的一种支架，其中重量是极为关键的因素。通过拓扑优化，传统形状的支架变为一种空心结构 — 我们将其称为“命运之手指”— 其重量减少了三分之一。此外，设计和生产这种具有自由形态的新结构的时间也大大缩短。

c. 增强美观性

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

d. 增加表面积

承载接触面通常需要具有较大的表面积，以确保良好的附着性。骨科植入体尤其如此，医生们希望提高金属植入体和邻近骨骼之间的相容性，从而确保二者稳固接合，尽量防止出现“应力遮挡效应”，从而避免后续的手术修复治疗。目前，这一领域的研究十分活跃，重点研究方向包括：规则/不规则网状结构植入体与骨组织之间的融合。

精心设计的大面积接触表面，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液体之间的换热效率，理想的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。利用增材制造的独特功能，您能够经济高效地加工出热交换器的内外部细节特征，这意味着制造出的产品不仅性能更高，而且重量更轻。这对于赛车、公路车辆及绿色能源产品设计而言是一项明显的优势。

对于需要在使用过程中进行冷却的零件，在第1部分的模具设计中提到的随形冷却功能也可用于零件设计。随零件表面形状设计的复杂通道有助于有效带走零件内部的热量。

f. 高强度合金

由于某些合金材料的加工难度较大，因此尽管其具有理想的热属性和机械属性，但实际应用却受到限制。增材制造本质上是一种熔接过程，因此只要能够将合金“雾化”为粉末，那么就可以使用激光技术加工此类高难度的材料。特殊合金通常都比较昂贵，因此增材制造的近净成型特点还可最大限度降低浪费。

g. 微型结构材料

增材制造可加工出精细的网状结构，这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精心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。这与拓扑优化有些类似，但是处于微观层面。标准和定制的微型结构材料为生产轻质、高性能产品开启了新的机遇。以下应用案例由Betatype公司提供。

h. 按照物料清单进行生产

由于增材制造无需任何刀具及模具，因此您可将不同产品组件的制造过程集成到单一的加工工序中。这意味着您可以一次性制造产品的所有主要组件，然后对其进行后处理并完成组装。这种制造方式有助于简化生产调度、减少库存。您还可有选择地将其与本地化生产和大规模定制相结合，以便为客户提供一流的服务。

这方面的一个应用典范，便是我们为全球第一辆3D打印山地自行车制造的车架。

i. 大规模定制

只要您有希望制造的零件的CAD模型，无论您是想制造与之前完全相同的零件，还是有稍许差异的零件，使用增材制造在成本和加工时间方面几乎没有差别。增材制造无需刀具及模具，这意味着您能够以非常经济实惠的方式生产定制零件。雷尼绍的种植牙业务便是其中出色的应用案例 — 我们每天要根据不同口腔技工所发来的设计文件，制造数以百计形状各异的修复体。这些修复体可在一次加工过程中完成，以降低成本。

大规模定制依赖于有效的上游工艺链：准确评估零件部署环境、通过易用的CAD软件设计定制产品，以及利用软件将CAD模型转换为增材制造设备可使用的加工文件。

用户采用定制化零件的益处包括：零件能够更好地适应其应用环境，这使得安装更简便、使用效果更好，从而能够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时，便拥有了颠覆传统大规模生产模式的力量。 

总结 — 第2部分

我们已经登上了阶梯的顶端，在这一过程中采用了越来越多的增材制造功能。当然，无需在增材制造产品中运用所有功能 — 只需挑选那些能够为您的客户创造最大的价值、能够最有效地降低您的创新产品成本的功能。

我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。

加工链 — 创建增材制造工艺链

现代制造业的生产效率通过两个方面得以保证：一是面向制造的设计方法，二是能够系统性地消除或控制加工过程中的可变因素的标准化流程。

在雷尼绍，我们的机床每周运行超过140个小时，然而，借助自动化的过程反馈方法，我们不仅能够最大程度降低人工操作需求，而且能够基本上实现产品零缺陷。

要在实际生产中有效应用，每个制造过程都需要一个有效的加工链，在设计、准备、制造、控制和验证输出环节共同发挥作用。制造过程中的诸多可变因素会导致结果逐渐偏离预期，而保持生产效率的奥秘则在于充分关注和确定这些因素产生的原因，然后从设计源头加以消除，如果不能消除则对其严加控制。

因此，一个有效的工艺链有助于通过各种易用工具设计出最合适且受控的过程。它还支持跨学科的研究团队利用从准确的过程数据中获得的知识，提前作出正确的决策。

在这一方面，增材制造 (AM) 与传统的削减式制造没有什么不同。增材制造并不是一座孤岛：就实际生产而言，仅制造出近净成型部件还远远不够。如果有人向您打保票，对您说增材制造能够生产出所需要的一切，那么此人一定没有道出全部实情 — 大部分在展台上摆放的增材制造部件，都不是它们刚从增材制造机器中出来时最初的样子了。

• 制作主动脉形状的项链

尽管增材制造技术无比强大，但仍必须依赖一个有效的工艺链，这个链条中包含易用的设计工具以及一系列后处理和测量过程，之后方能真正制造出成品部件。信息必须在链条中上下流动，从而将各个过程连接在一起。

• 增材制造工艺链

这是一条端到端的工艺链；从增材制造的设计到加工过程，再到测量、后处理和检测过程。每个过程步骤均由雷尼绍设备和软件提供支持。

• 增材制造的生产流程

来源：雷尼绍