金屬材料增材制造的發(fā)展現(xiàn)狀與未來挑戰(zhàn)

增材制造技術(shù)的發(fā)展迄今已經(jīng)超過30年，過去該技術(shù)更多被用于產(chǎn)品試制階段的原型制造，因此從未得到廣泛關(guān)注。但是在最近五年中，對增材制造技術(shù)的關(guān)注度快速提高，我認(rèn)為主要原因包括以下幾點(diǎn)：

第一，產(chǎn)品設(shè)計(jì)趨勢的變化提升了對增材制造技術(shù)的需求。近年來，隨著制造業(yè)的整體產(chǎn)能發(fā)生全球性的過剩，市場競爭日漸加劇。為了在細(xì)分市場中取得競爭優(yōu)勢，制造企業(yè)開始改變傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)-制造-銷售”模式，轉(zhuǎn)而采用“用戶參與設(shè)計(jì)”與“制造服務(wù)化”相結(jié)合的方式。競爭的關(guān)鍵從價(jià)格變?yōu)橛脩舻摹翱倱碛谐杀荆═CO）”。為了降低總擁有成本， 如輕量化、功能集成化和可定制化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始流行，而增材制造技術(shù)恰好是實(shí)現(xiàn)這類設(shè)計(jì)的最佳工藝之一。

第二，技術(shù)的成熟度提升促使企業(yè)的接受度提升。2018年10月，GE慶祝其使用增材制造工藝生產(chǎn)的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴正式交付第30000件。幾乎同時(shí)，西門子也宣布其一臺(tái)SGT700燃?xì)廨啓C(jī)上采用增材制造生產(chǎn)的燃油噴嘴無故障運(yùn)行超過8000h。而在汽車行業(yè)，BMW也于2018年底正式宣布其i8 Roadster的頂棚支架的量產(chǎn)將完全采用增材制造工藝。這些經(jīng)典案例充分證明了增材制造工藝的成熟度已經(jīng)達(dá)到了量產(chǎn)級別。

第三，成本的持續(xù)下降進(jìn)一步激活了市場需求。隨著越來越多的材料供應(yīng)商進(jìn)入市場，競爭日趨激烈。在過去的五年間，金屬增材制造所用材料的市場價(jià)格平均下降超過了40％，個(gè)別鐵基材料的市場價(jià)格更是下降超過70％。與此同時(shí)，設(shè)備和工藝穩(wěn)定性的提升也使得服務(wù)商可以開發(fā)一些量產(chǎn)工藝，減少材料和惰性氣體的浪費(fèi)，并充分利用設(shè)備產(chǎn)能。在這些因素的作用下，增材制造的綜合成本也在顯著下降。成本的下降開始吸引更多的工業(yè)企業(yè)思考增材制造的商業(yè)價(jià)值。

增材制造技術(shù)優(yōu)勢明顯

從字面意義上來講，增材制造的加工過程中材料是通過各種手段逐層堆積出來的，這與傳統(tǒng)制造中先形成坯料再采用減材方式去除材料的過程是不同的。這種方式最大的優(yōu)勢，同時(shí)也是終端用戶關(guān)注的重點(diǎn)在于：

第一，實(shí)現(xiàn)了對設(shè)計(jì)自由度的釋放。受傳統(tǒng)工藝的限制，過去的產(chǎn)品設(shè)計(jì)往往不得不犧牲一些使用性能或者不得不提高裝配復(fù)雜度。而使用增材制造逐層堆積的方式，一些非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也具備了一次性制造的可行性，從而帶來了巨大的潛力。

第二，支持按需定制。傳統(tǒng)開模具后批量制造的模式無疑仍然是成本最優(yōu)的方式，然而隨著“多品種小批量”的趨勢日益明顯，能夠支持按需定制的免模具制造方式變得越來越有吸引力。比較典型的案例包括極致盛放的定制化禮品、MINI的定制款車輛內(nèi)外飾件，還有各種定制化的醫(yī)療用植入物等。而對于模具本身這種很典型的按需定制化產(chǎn)品，增材制造無疑是非常有優(yōu)勢的，從制作鑄造用的砂型或臘模，到為注塑或者壓鑄模具制造隨形水路，增材制造方式已經(jīng)證明了其巨大的商業(yè)價(jià)值。

第三，降低供應(yīng)鏈總成本。增材制造正在改變產(chǎn)品的MRO（Maintenance Repair Operating）方式。在傳統(tǒng)制造方式下，為了提升對售后服務(wù)需求的響應(yīng)速度，供應(yīng)鏈中的企業(yè)不得不背負(fù)巨大的備件庫存。而利用增材制造技術(shù)，可以快速實(shí)現(xiàn)零件的修復(fù)甚至重新制造，從而幫助制造企業(yè)縮短備件交期，從而降低庫存成本。在當(dāng)前國際貿(mào)易保護(hù)主義抬頭的大環(huán)境下，部分跨國企業(yè)甚至開始探討利用增材制造來規(guī)避實(shí)物進(jìn)出口的物流成本和關(guān)稅成本。

中國市場的應(yīng)用現(xiàn)狀

按照Gartner技術(shù)成熟度曲線的定義，我認(rèn)為增材制造在中國正在經(jīng)歷第三個(gè)階段，即泡沫化的谷底期。在這個(gè)階段，許多加工服務(wù)廠商在早期資本推動(dòng)下投入的產(chǎn)能正處于艱難的發(fā)展過程中，問題在于多數(shù)訂單仍然是試制件，而不是穩(wěn)定而持續(xù)的量產(chǎn)件。這說明制造業(yè)總體上對金屬增材制造仍處于觀望的狀態(tài)。這種觀望是可以理解的，一方面現(xiàn)有的金屬材料增材制造技術(shù)，包括選區(qū)激光熔化（SLM）、電子束選區(qū)熔化（EBM）、激光近凈成型（LENS）和電弧增材制造（WAAM）等在內(nèi)的技術(shù)，在成型尺寸、材料、加工精度、加工效率和成本上各自存在局限性，而且如多射流熔融（MJF）等這樣的新技術(shù)也在不斷涌現(xiàn)。另一方面，中國制造企業(yè)的創(chuàng)新研發(fā)能力尚有不足，如果產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段沒有突破，增材制造工藝的價(jià)值將無法顯現(xiàn)出來。

當(dāng)然，機(jī)會(huì)也正在蘊(yùn)育中，在技術(shù)方面，新材料、新設(shè)備和工藝正在不斷出現(xiàn)；在商業(yè)方面，一些領(lǐng)先的設(shè)備和服務(wù)廠商正在通過資本進(jìn)行資源整合。經(jīng)歷過這個(gè)階段后，預(yù)計(jì)中國的增材制造應(yīng)用將在3～5年內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)步上升的光明期，尤其是在航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域。

金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展前景

對于金屬材料的增材制造來講，材料、設(shè)備和工藝是影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的三個(gè)基本要素，未來所有的技術(shù)發(fā)展都將圍繞這些基本要素。相關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)包括：

第一，更多樣化的材料以及現(xiàn)有材料的改性。相對于傳統(tǒng)金屬材料上千個(gè)牌號，目前適用于金屬增材制造的材料牌號僅有數(shù)十種，這也從某種程度上限制了增材制造的應(yīng)用。近年來隨著市場關(guān)注度的提高，材料供應(yīng)商和解決方案供應(yīng)商開始聯(lián)合進(jìn)行新材料以及針對性工藝的開發(fā)，例如近年來出現(xiàn)的針對純銅材料或者鎢合金材料的開發(fā)。

此外，通過對現(xiàn)有材料進(jìn)行改性，可以幫助提高加工質(zhì)量或者降低成本，例如經(jīng)過改性的鈦合金材料可以減少對熱等靜壓處理的依賴，而如果新的采用傳統(tǒng)粉末冶金材料的增材工藝通過驗(yàn)證，預(yù)計(jì)可以將材料成本降低10倍以上。

第二，更廣的成型尺寸范圍?，F(xiàn)有的金屬材料增材制造工藝已經(jīng)可以覆蓋比較大的零件尺寸范圍。然而針對一些微小尺寸或者是超大尺寸的結(jié)構(gòu)時(shí)仍然存在較大的局限性。面對微小尺寸結(jié)構(gòu)，由于后續(xù)加工的難度較大，用戶往往希望利用增材制造工藝一次完成，這對加工精度和表面質(zhì)量提出了很高的要求。而面對超大尺寸結(jié)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)的熱變形往往較大，導(dǎo)致合格率顯著下降。為解決這樣的問題，需要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料、設(shè)備和工藝多角度入手來解決。

第三，替代工藝和/或工藝優(yōu)化。以雙激光的SLM工藝為例，其加工效率在2017年就已經(jīng)可以超過100 cm3/h，但是這個(gè)效率仍然無法滿足部分工業(yè)企業(yè)的需求。在設(shè)備廠商采取了各種手段后——例如增加到四激光、提高激光功率并增加鋪粉層厚、加快鋪粉速度等，加工效率已經(jīng)接近理論極限了。為了進(jìn)一步提升加工效率，替代工藝——例如多射流熔融（MJF）——將會(huì)是熱門的選項(xiàng)之一。

針對現(xiàn)有工藝的優(yōu)化也是現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)之一，其中就包括基于虛擬仿真的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用虛擬仿真軟件，工程師可以在制造前優(yōu)化擺放方向、合理設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)、嘗試不同的能量源掃描路徑等，從而提高加工質(zhì)量、提高效率且降低成本。