将增材制造成本降低五倍，Fraunhofer开发系统性降低成本的方法

根据3D科学谷的市场观察，3D打印技术在汽车制造业中的应用已超越了新产品快速原型、设计验证，逐渐进入到工装、夹具、模具和复杂零部件、轻量化结构的制造中。一些新兴汽车制造企业更是将3D打印技术直接应用于车身、车辆底盘的制造中。

▲3D打印的汽车门铰链

弗劳恩霍夫Fraunhofer IAPT

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设计与成本的关联作用

迄今为止，在汽车领域，通过LPBF选区金属熔化金属3D打印技术所制造的量产零件更多的是用于高端汽车上，例如通过粉末床金属3D打印技术制造的轻量化支架随着i8 Roadster的批量化生产而进入到量产领域。那么金属3D打印如何走向更为普及的道路呢？Fraunhofer旗下不同的研究所在作出从提升打印效率、质量控制，到自动化生产流程等多方面的努力（参考：Fraunhofer的futureAM – 下一代增材制造大幅提升3D打印经济效益)。其中，Fraunhofer IAPT研究所还在开发系统性降低成本的方法，着重点是从设计的角度降低制造成本。

/成本降低约50%

增材制造 (AM) 的优势在专门针对这一工艺从头开始设计时最能发挥作用。这个事实是众所周知的。但是，这方面如何与其他优化措施相结合，可以对成品部件的技术特性和成本产生积极影响，甚至可能产生意想不到的成本降低。

现在，Fraunhofer IAPT 使用跑车车门铰链示例进行了重新设计项目，以逐步确定影响组件成本的因素。

与同等的铣削零件相比，成本降低了约 50%，重量减轻了 35%，Fraunhofer IAPT研究所重新设计用于高端跑车的车门铰链臂表明，增材制造的创新在经济上是可行的！这要归功于 Fraunhofer IAPT 专家开发的以 3D 打印为中心的设计方法。

借助Fraunhofer IAPT孵化出来的3D Spark软件，3D Spark软件具有零件分析和筛选功能，可引导找到适合增材制造的零件。专家们随后确定了组件在 3D 打印过程中的成本优化方向。例如，使用优化的方向，可以最大限度地减少所需的支撑结构数量，同时最大限度地增加可安装在构建平台上的组件数量。与未进行此类优化的增材制造工艺相比，由此确定的组件方向可节省 15% 的成本。

Fraunhofer IAPT采用系统化的方法来降低零件的增材制造成本，这其中包括减少零件本身的材料、减少打印时间、减少支撑（减少材料、打印时间和后处理时间），优化打印工艺参数。

在设计的环节中，铰链臂的结构以有针对性的方式进行了优化，利用了增材制造的优势之一，即它可以实现全新的组件几何形状。总的来说，这将门铰链臂的重量减少了 35%。并且由于材料需求的减少和打印时间的缩短，与没有结构优化的设计相比，成本又降低了 20%。

任何不必移除的支撑结构都可以节省时间，从而避免在高度手动的后处理阶段产生的部分重大成本。减少设计中的支撑结构数量也对生产时间和材料要求产生积极影响，从而再次将成本降低 10%。从日益广泛的 3D 打印材料组合中巧妙地选择最佳金属粉末材料，可以将成本再降低 10%。

调整 AM 工艺参数提供了降低成本的其他方法，例如，打印过程中更高的层厚度、工艺参数的优化以及激光束轮廓的变形显着减少了构建时间。可以使3D打印成本进一步降低 15%，通过嵌套优化机器利用率，如有必要，在构建区域进行堆叠，可进一步节省 10% 的成本。

汽车铰链臂的案例证明，将增材制造成本降低五倍是可行的。通过系统性降低成本的方法，案例中的汽车铰链臂通过3D打印制造的经济性在5000件以下显现出超过传统制造工艺的优势。

IAPT 研究结果总结：在设计时考虑到系统性降低成本的方法，使得铰链臂的制造成本比没有相同优化的 3D 打印部件低 80%。这个总体百分比可以细分如下：构建方向和拓扑优化以及支撑优化贡献了 45%，AM 增材制造过程中优化的材料选择、工艺参数优化将成本进一步降低了 35%。

/成本与产品生命周期效益

根据3D科学谷的市场研究，当业界在讨论金属增材制造如何与传统制造工艺相比较的时候，存在经常会忽略的两个问题：一是容易陷入基于相同的设计相比较，3D打印的颠覆性优势是可以实现更复杂的零件的制造，在相同的设计情况下，做比较对于3D打印技术来说显得并不“公平”；二是传统制造环节中通常是铸造与CNC机加工的配合（铸造的上游还需要铸造模具），或者是锻造与CNC机加工的配合（锻造的上游也需要模具），而当与3D打印相比较的时候，通常会片段性的仅仅拿铸造与3D打印相比较，或者拿锻造与3D打印相比较，而忽略了上游模具的成本与制造周期，忽略了下游机加工去除材料余量所带来的资源的耗费。

▲生产效益与产品生命周期效益

3D科学谷

3D科学谷认为，最合理的比较是放在产品生命周期的角度比较，这不仅仅包含Fraunhofer研究所开发的系统性降低成本的方法，系统性降低成本的方法主要针对的是生产效益，产品生命周期的角度衡量的则是综合效益。生产效益专注于制造过程，包括减少材料消耗，缩短交货时间，最小的模具成本，降低装配成本和自动化的影响。而综合效益是指在使用通过增材制造出来的产品的过程中，来自如减轻重量带来的燃油效益，更高的性能和可靠性，更长的寿命收益，更快的新产品推出，市场相应速度，减少库存以及更好的适应性和更具吸引力的产品附加值等等。

举例来说，如何理解产品生命周期价值，拿习以为常的航空安全带锁扣举例，在3D科学谷之前介绍的案例中最后完成的钛合金材质锁扣，重量为70克，与传统的重量为155克的锁扣相比，重量减轻了85克。一架空客A380一共的座位数量在853个，全部加起来锁扣减重72.5公斤。而对于大型飞机来说，1公斤的减重将为其服役期节约45,000升的燃油，那么这些锁扣节约的燃油在330万升，大约价值16.5万欧元。

这些综合效益虽然看不到，不如生产效益来得直观，但却对改善人类利用资源的能力起着不容忽视的作用。

当前不论是制造业还是增材制造行业本身都容易过于关注生产效益，而忽略了产品生命周期的综合效益。而增材制造的价值台阶：原型与模具，备品备件，复杂零件，创新产品，围绕着产品生命周期的综合效益随着台阶的升高而越来越大。在比较3D打印的零件与传统制造的零件的经济效益的时候，还需要关注零件所处的价值台阶，如果零件所处的价值台阶很高，那么3D打印无疑更具备优势。

▲生产效益与产品生命周期效益

3D科学谷

当然，除了制造的经济性的比较，3D打印迈向产业化的过程中遇到了一系列的难题，其中包括：通过信息管理系统来管理增材制造数据流；工艺可重复性、零件到零件的可重复性；成熟的认证和质量检测方法。可以说任何一个零件，要实现从0到1的3D打印，再实现从1到n的产业化生产，都需要经历一个不断突破的过程。

知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，有关3D打印在汽车细分应用领域的更多分析，请前往3D科学谷发布的上篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》下篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》。