近年來(lái)，增材制造憑借復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)、快速原型制作、輕量化構(gòu)件以及全新的飛行關(guān)鍵零件制造方式，持續(xù)吸引航空航天工程師的關(guān)注。各類(lèi)行業(yè)報(bào)道對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步大加贊賞，但走進(jìn)實(shí)際生產(chǎn)車(chē)間就會(huì)發(fā)現(xiàn)，增材制造的落地現(xiàn)狀與愿景之間仍存在明顯差距。

△Mastercam推出的新一代刀具路徑平臺(tái)EverPath，旨在讓 CNC 編程更快、更簡(jiǎn)單、更靈活

Chad Chmura 在專注于 CNC 的 CAM 軟件公司 Mastercam 已任職12年，Mastercam在減材制造領(lǐng)域擁有超過(guò)四十年的深厚積累。作為全球應(yīng)用工程經(jīng)理，Chmura長(zhǎng)期直接對(duì)接航空航天制造商，協(xié)調(diào)數(shù)字設(shè)計(jì)愿景與認(rèn)證生產(chǎn)要求之間的差距。在他的觀察中，航空航天行業(yè)對(duì)增材制造的討論已逐步走向成熟，但其發(fā)展方向卻與多數(shù)人最初的預(yù)期大相徑庭。

Chmura 直言：“我不認(rèn)為存在增材制造能完全取代減材制造的場(chǎng)景，但我覺(jué)得這是一件好事，我們能同時(shí)發(fā)揮兩種技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。”

嚴(yán)苛公差劃定工藝邊界，減材制造仍不可替代
不可否認(rèn)，增材制造的優(yōu)勢(shì)真實(shí)且具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，能夠輕松制造出內(nèi)部流道、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)和異形幾何結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)用傳統(tǒng)機(jī)加工方式要么難以實(shí)現(xiàn)，要么會(huì)產(chǎn)生極高的制造成本，為航空航天零件設(shè)計(jì)開(kāi)辟了全新思路。熱等靜壓、退火等后處理技術(shù)的應(yīng)用，讓增材打印零件的強(qiáng)度大幅接近鍛件水平。但對(duì)于飛行關(guān)鍵部件而言，“接近”遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到裝機(jī)使用的標(biāo)準(zhǔn)。

Chmura 解釋道，減材制造在當(dāng)前生產(chǎn)中依舊占據(jù)不可或缺的地位，背后有著多重關(guān)鍵原因。尺寸穩(wěn)定性、表面光潔度、零件的實(shí)際裝配精度，以及加工效率，都是減材制造的核心優(yōu)勢(shì)。他認(rèn)為減材制造始終在生產(chǎn)流程中發(fā)揮重要作用，而且這種狀態(tài)在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都不會(huì)改變。

航空航天領(lǐng)域的認(rèn)證要求堪稱嚴(yán)苛。材料性能必須經(jīng)過(guò)完整的記錄、反復(fù)測(cè)試和嚴(yán)格審批，一項(xiàng)新型合金或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的認(rèn)證流程，往往需要持續(xù)數(shù)年甚至數(shù)十年。此外，飛行關(guān)鍵接口的公差要求極高，即便高端增材設(shè)備，生產(chǎn)過(guò)程中也可能產(chǎn)生微小波動(dòng)，而這種波動(dòng)是行業(yè)無(wú)法容忍的。這就意味著，增材制造生產(chǎn)的零件，幾乎都需要經(jīng)過(guò) CNC 精加工，才能達(dá)到裝機(jī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。

混合制造破局落地困境
面對(duì)增材與減材各自的優(yōu)勢(shì)與局限，混合加工設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。這類(lèi)設(shè)備能夠同時(shí)完成增材材料沉積與減材切削加工，部分高端設(shè)備甚至可以在一次裝夾中完成兩種工藝，大幅提升生產(chǎn)效率。為適配這種新型生產(chǎn)模式，Mastercam 推出了 CAManufacturing APlus 插件，支持用戶在熟悉的操作界面內(nèi)，完成兩種工藝的編程工作，降低了操作門(mén)檻。

目前，Chmura 正主導(dǎo)一項(xiàng)基于定向能量沉積系統(tǒng)的混合制造項(xiàng)目。項(xiàng)目的核心流程的是：

?五軸 CNC 設(shè)備上的焊接式噴頭將材料熔化并沉積

?待材料沉積完成后，再通過(guò)機(jī)加工工序，將零件加工至最終的尺寸和表面質(zhì)量要求。

Chmura 表示，模擬環(huán)節(jié)至關(guān)重要：“現(xiàn)在我們擁有非常先進(jìn)的技術(shù)，能夠模擬這種沉積式增材制造的全過(guò)程，這類(lèi)設(shè)備存在多種碰撞風(fēng)險(xiǎn)，增材工序的操作過(guò)程中，同樣會(huì)面臨這些風(fēng)險(xiǎn)，而仿真技術(shù)能有效規(guī)避這些問(wèn)題?！?/p>

△借助 GPU 加速仿真，處理復(fù)雜多工序零件的團(tuán)隊(duì)可在極短時(shí)間內(nèi)完成碰撞檢測(cè)與材料分析

原型優(yōu)勢(shì)突出
在航空航天領(lǐng)域，增材制造的價(jià)值在原型制作環(huán)節(jié)體現(xiàn)得最為明顯。對(duì)于后續(xù)將采用熔模鑄造工藝生產(chǎn)的零件，通過(guò)增材制造可以快速制作樣件，用于裝配驗(yàn)證、外形檢測(cè)和前期性能測(cè)試，所耗時(shí)間遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)鑄造毛坯的開(kāi)發(fā)周期。這種速度優(yōu)勢(shì)十分顯著，但當(dāng)生產(chǎn)需求從原型制作轉(zhuǎn)向規(guī)模化量產(chǎn)時(shí)，新的挑戰(zhàn)便隨之而來(lái)。

Chmura 評(píng)價(jià)道：“增材制造在原型制作上的表現(xiàn)堪稱出色，但規(guī)?；a(chǎn)的難點(diǎn)在于成本控制。在混合設(shè)備上，單件零件的成本與生產(chǎn)過(guò)程中最長(zhǎng)工序的耗時(shí)直接相關(guān)。雖然最終能得到合格的零件，但零件在單臺(tái)設(shè)備上占用的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)大幅推高制造成本?！?/p>

這種成本結(jié)構(gòu)，對(duì)于低產(chǎn)量、高復(fù)雜度的航空航天項(xiàng)目而言或許可以接受，但對(duì)于追求產(chǎn)能和效率的規(guī)模化生產(chǎn)項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，仍是難以逾越的限制。這說(shuō)明，增材制造在原型階段展現(xiàn)出的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，無(wú)法直接復(fù)制到量產(chǎn)環(huán)節(jié)。

Chmura 觀察到，新型增材工藝與材料在短期內(nèi)，最具發(fā)展動(dòng)力的領(lǐng)域是試驗(yàn)項(xiàng)目與軍用項(xiàng)目。這類(lèi)航空平臺(tái)主要執(zhí)行特定任務(wù)，不搭載乘客，即便出現(xiàn)測(cè)試失敗，雖然并非理想情況，但造成的后果遠(yuǎn)輕于商用航空事故。

“這類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景在先進(jìn)材料的使用與測(cè)試上，往往更加靈活，”他舉例說(shuō)明，這一點(diǎn)與 F1 賽事十分相似。電動(dòng)渦輪增壓器等在賽車(chē)領(lǐng)域得到驗(yàn)證的技術(shù)，往往需要十年甚至更久才能應(yīng)用于量產(chǎn)汽車(chē)，而賽車(chē)場(chǎng)景則為這些新技術(shù)提供了可靠的測(cè)試平臺(tái)。同理，試驗(yàn)類(lèi)航空項(xiàng)目也能承擔(dān)類(lèi)似角色，為那些暫未達(dá)到認(rèn)證生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的增材工藝，提供重要的測(cè)試和優(yōu)化環(huán)境。

設(shè)計(jì)思維代際差異
在 Chmura 的觀察中，工程教育方向的轉(zhuǎn)變，也對(duì)增材制造的落地產(chǎn)生了影響。如今的工程專業(yè)學(xué)生，成長(zhǎng)于桌面 3D 打印普及的時(shí)代，他們進(jìn)入行業(yè)時(shí)，對(duì)增材制造的熟悉度和直覺(jué)，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的減材制造。這一現(xiàn)象本身并無(wú)問(wèn)題，但當(dāng)設(shè)計(jì)的自由度超出實(shí)際制造能力的認(rèn)知范圍時(shí)，就會(huì)成為技術(shù)落地的隱形障礙。

Chmura 說(shuō)：“現(xiàn)在的大學(xué)生廣泛接觸 3D 打印技術(shù)，他們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)擁有極高的自由度，常常不會(huì)考慮零件的制造方式，默認(rèn)選擇用 3D 打印完成生產(chǎn)。這也是增材制造最初被賦予巨大行業(yè)愿景的重要原因之一?！?/p>

Mastercam 與康涅狄格大學(xué)有著長(zhǎng)期合作，為該校的方程式賽車(chē)團(tuán)隊(duì)制作零件。在合作過(guò)程中，Chmura 發(fā)現(xiàn)，學(xué)生提交的設(shè)計(jì)模型中，常常包含難以加工或無(wú)法按原設(shè)計(jì)制造的特征，比如零公差要求、尖銳內(nèi)圓角、深窄結(jié)構(gòu)等。這些問(wèn)題的根源，在于學(xué)生的設(shè)計(jì)思維中，沒(méi)有充分融入對(duì)設(shè)備實(shí)際加工能力的認(rèn)知。

Chmura 強(qiáng)調(diào)，降低制造成本最有效的方式，就是按照現(xiàn)有技術(shù)條件，開(kāi)展可實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)不必局限于某一種工藝，有時(shí)適合用增材制造，有時(shí)則更適合用減材制造，核心是匹配實(shí)際生產(chǎn)能力。

AI 應(yīng)用分化，增材領(lǐng)域仍處于探索階段
在技術(shù)賦能方面，Mastercam 已將 AI 功能集成至 Copilot 產(chǎn)品中。這款工具能夠輔助 CNC 程序員理解軟件功能、提示后續(xù)操作步驟，還能自動(dòng)完成部分編程流程，大幅提升編程效率。除此之外，外部也有相關(guān) AI 工具，可自動(dòng)生成減材加工程序，減輕程序員的手動(dòng)工作量。

△借助 AI 驅(qū)動(dòng)的 Copilot，用戶可通過(guò)語(yǔ)音或文本指令調(diào)整多道工序的進(jìn)給速率與主軸轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)內(nèi)置安全確認(rèn)提示以保障操作安全。

AI 在增材制造領(lǐng)域的輔助能力仍較為有限。Chmura 認(rèn)為，這種差異的核心原因在于行業(yè)成熟度不同。減材制造經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)積累了完善且明確的工藝規(guī)范和最佳實(shí)踐，AI 可以基于這些海量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行學(xué)習(xí)和優(yōu)化。而增材制造仍處于快速發(fā)展階段，相關(guān)的工藝基礎(chǔ)和行業(yè)規(guī)范，還在不斷完善之中。

Chmura 總結(jié)道：“對(duì)于減材制造，我們清楚知道自身需求是什么，只需借助 AI 技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化即可，但對(duì)于增材制造，我們還在不斷探索自身需求，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，也會(huì)同步推動(dòng)需求的明確和完善?！?/p>

南極熊點(diǎn)評(píng)
增材制造為航空航天領(lǐng)域帶來(lái)設(shè)計(jì)創(chuàng)新與原型制作的高效優(yōu)勢(shì)，但受?chē)?yán)苛認(rèn)證、公差要求及量產(chǎn)成本限制，無(wú)法替代減材制造?；旌现圃斐蔀榧骖檭烧邇?yōu)勢(shì)的有效路徑，AI在增材領(lǐng)域仍處于探索階段。當(dāng)前行業(yè)存在設(shè)計(jì)思維與制造能力脫節(jié)的問(wèn)題，試驗(yàn)與軍用項(xiàng)目成為新型增材技術(shù)的重要驗(yàn)證平臺(tái)。增材與減材融合發(fā)展，是航空航天制造的現(xiàn)實(shí)走向與未來(lái)方向。