增材制造：一种变革性的解决方案

作者 AM为维修周期和备件策略注入新的活力 阿列克谢·潘科夫 阿德南·梅尔哈巴 卡洛·斯特拉 卡塞基·平川 当关键部件失效时，拥有正确的备件意味着可能从数小时停机时间转变为数周时间。增材制造（AM）是一种变革性的解决方案，能够快速生产复杂的备件，以最小化停机时间并简化备件库存管理。本观点阐述了如何构建成功的AM战略，包括克服关键潜在采用障碍以及从按需制造技术中创造实际价值的方法。 如何重置维修和库存模型 增材制造是一种变革性的解决方案。 增材制造（AM）直接从数字模型逐层构建三维物体（参见侧边栏“增材制造过程”）。该过程代表了一种彻底改变公司管理备件和维修方式的方法。 增材制造过程 AM包含四个关键步骤，以确保精确性、可重复性和为工业部署做好准备。 功能与性能要求已满足。在此阶段，仿真工具常被用于预测行为，并在生产前进行数字化的设计验证。工艺可重复性与组件性能验证是此阶段的关键步骤。 1.零部件数字化与分析。该流程始于使用三维激光扫描等方法获取零部件的几何形状。随后，团队通过查阅原始文档、无损检测或样品分析，识别其材料组成和关键特性。这些几何和材料数据共同构成了数字孪生的基础。在第一阶段，识别相关标准至关重要（例如，石油天然气行业的API [美国石油学会] 20S、API 20T、ISO [国际标准化组织]/ASTM [美国材料与试验协会] 52904、DNV ST-B203、劳氏船级社以及TWI）。 3.安全的数字库存管理。在第三步中，所有经过验证的构建文件、工艺参数、材料规格、仿真结果和合格数据都应存储在安全的数字存储库中。该数字仓库必须具备强大的版本控制、数据完整性检查和可追溯性，以取代（或至少补充）物理库存。随着增材制造（AM）的采用日益增长，保护这些系统免受网络威胁的需求也随之增加。 4.按需分布式生产和后处理。最终，当需要替换部件时，经过验证的完整数据包会从数字仓库发送至经批准、认证的制造工厂（该工厂可能位于使用点附近）。生产在合格的增材制造系统上，使用预定义的精确参数进行。生产步骤几乎总是紧随着后处理步骤（例如，热处理、支撑结构去除、表面精加工、公差加工、清洗和检测），以确保在安装前满足所需的规格和质量标准。 2.材料工艺资格认证与设计优化。第二步涉及选择合适的增材制造（AM）材料和工艺组合，使其能够满足原部件的性能规范。这需要严格的材料资格认证，并为所选打印机和材料开发/验证特定的工艺参数。然后通常会对部件的几何形状进行重新设计，以优化所选的AM工艺（例如，通过确定最佳构建方向、最小化支撑结构以及考虑各向异性），同时确保 缩短交付周期，提升敏捷性 消除昂贵的过剩库存 传统的备件供应管理耗时较长。交付周期从几周（当备件从库存中采购时）到几个月不等（对于必须按订单制造的备件）。这些延误可能因供应链中断而加剧，例如由大流行病或地缘政治冲突引起。 一家拥有40万种备件SKU的美国领先石化公司，针对一种极少使用的工业刀具测试了按需金属增材制造技术。传统采购需要10件起订（每件约990美元），占用约9,900美元的资金和大量仓库空间（每年仅消耗一把）。选择性激光熔化技术生产该刀具的成本约为1,220美元，加上一次性约977美元的反向工程费，将第一年的现金支出削减了约7,688美元。考虑到20%的年持有成本，按需打印模式在十年内为该公司每把刀具节省了约658美元，并将该部件的过剩库存减少了90%。 增材制造（AM）按需生产零件，显著缩短了生产周期。这对于在偏远或恶劣环境下运营的行业（如海上平台、偏远钻井场，甚至大型发电厂）以及任何停机超过几小时就可能造成重大经济损失的情况至关重要。在某些情况下，通过传统渠道采购通常需要长达60周的部件，使用AM技术可在短短一周内完成制造。在许多情况下，由于过时而停产生产的零件也可以按需制造。 成本节约与库存优化 各行业组织都面临着因持有大量不常用或过时的备件而产生的重大成本。通常，不常用的备件有最低订货量要求，这会占用资金和仓库空间。增材制造（AM）使公司能够从库存积压模式转向按需打印模式，从而降低了对资金的需求以及备件存储所需的空间。增材制造（AM）还解决了过时问题：旧有和/或已停产组件可以被扫描或重新设计成数字文件，然后按需打印。 阿塞洛米塔尔焦化厂 紧急维修 波兰阿塞勒米塔尔焦化厂面临一项关键挑战：冷凝装置中的搅拌器需要更换，但相关部件已无法购买。传统方案包括购买新泵或尝试复杂的再生产过程。然而，维护团队利用AM技术，在几天内用316L不锈钢生产出替代部件。这种快速响应显著减少了该设施停机时间——该设施每年负责生产超过450万吨焦炭（钢铁生产的关键原料）。 设计灵活性与部件性能 AM的一项引人入胜的优势在于其设计优化的潜力。工程师可以重新设计部件，以实现诸如优化内部几何形状、集成冷却通道和减重（通过晶格结构）等改进。这些增强功能可以降低能耗和/或提高关键部件的耐用性。 - 材料资质。工业设备通常在高温、高压或腐蚀性等极端条件下运行。在满足这些条件的同时保持增材制造的成本效益，往往很难找到合适的材料。例如，传统合金和聚合物并不总是能很好地应用于增材制造，而认证新材料的安全性和性能合规性可能是一个漫长且资源密集的过程。此外，在增材制造过程中获取某些特定材料也常常是一个重大的挑战。 这种设计灵活性对于常用于高压、高温或腐蚀性环境的工业部件尤为宝贵。 阿尔弗雷德·凯彻尔优化的注塑生产线 阿尔弗雷德·凯彻尔有限公司（Alfred Kärcher GmbH）是热门K2压力清洗机的制造商，其生产遇到了瓶颈：塑料外壳模具冷却时间过长，限制了产量。雷尼绍子公司LBC工程公司扫描了模具，并识别出由直线钻孔冷却通道引起的热点。利用金属增材制造技术，LBC制造了两个包含弯曲共形通道的替代模具型芯，这些通道紧贴零件形状并均匀散热。模具壁温度从100°C降至70°C，冷却时间从22秒缩短至10秒，整个周期从52秒缩短至37秒。凯彻尔公司能够在不购买额外设备或增加班次的情况下，更好地满足市场需求。 - 建造与后处理。稳定的制造工艺和规范管理对于AM部件的质量和性能至关重要。这涉及设备校准、机器/材料/工艺组合的匹配、关键参数管理（例如，温度、气氛、氧含量、能量输入），以及添加特殊工艺（例如，热处理、热等静压、机加工、表面精饰）。所有这些都必须着眼于满足严格的行业标准，包括部件的任何未来用途。 领养面临的挑战 质量保证 (QA)。传统 A M 的优势非常显著，但在工业领域成功应用需要克服技术、运营和财务方面的挑战。 精密加工、注塑成型和铸造是众所周知的过程。作为一个新的技术，AM产品可能有缺陷传统制造业中遇到的问题。界定具体的法规、标准或适用于该零件的合规要求ASME, API, AMPP/ISO, DNV, ASTM, QA计划/接受，并保持控制权端到端的构建流程使用封闭式循环控制对于确保安全至关重要。部件的使用和满足运行要求它本应服务的条件。 技术挑战 数字化与逆向工程。大多数工业资产在设计时并未采用现代三维设计技术。为增材制造进行这些零件的逆向工程通常是可行的，但如果原始设计文档不完整或零件难以数字化，则可能具有挑战性。高分辨率激光扫描、CT扫描、先进软件和数据库可用于捕捉传统零件的精确尺寸、公差和属性（即使没有原始CAD文件），但这需要高端工程技术专业知识。 运营挑战 - 安全与合规挑战。工业基础设施受到严格监管以确保安全与环境保护。 使用AM部件，尤其是在高风险应用中，引发了关于认证、法规合规性和长期设备可靠性的问题。确认打印部件符合与传统制造组件相同的质量和安全标准，可能需要大量工作（包括分析、记录和测试）。高端工程能力、技术稳健的工艺、严格的法规合规性、监管机构和OEM的早期介入、沙盒测试以及物理试验对于降低安全风险都至关重要。 财务挑战 - 过渡成本。一项Arthur D. Little（ADL）项目的结果显示，对于某些部件而言，重复性的增材制造（AM）成本与传统部件的制造成本相当（见图1）。然而，扫描、设计和认证等一次性成本可能会推高总成本，从而为AM的实施制造障碍。 - 运营成本。采用增材制造（AM）创建的部件与传统制造相比，其成本可能仍然较高，但可及性正在提升。工业级金属打印机及其价格正变得亲民，在竞争压力和规模化生产的推动下，设备成本每年下降10%-20%。许多金属粉末也是如此——随着供应可用性提高，AM材料成本也随之降低。 知识产权（IP）限制。该技术运行于包含专有信息的数字文件上。在打印开始前，工业企业，尤其是依赖稳定备件供应的企业，必须与原始设备制造商（OEM）明确所有权、许可和使用权。OEM协议通常会明确允许的设计修改、合格材料和设备，以及当备件在OEM设施外打印时适用的保修条件。为缓解IP限制，增材制造（AM）经理应考虑从已过期的IP权利的部件开始，以降低法律风险。除此之外，与备件OEM协商明确的许可协议是确保专有设计合法使用的最佳方式。经过后期处理的单元，曾经标价数百万美元，现在正变得越来越 供应链适应成本。转向使用增材制造进行按需零件生产，需要转变公司内部的供应链流程，包括管理备件库存的新方法、与供应商建立新的组织协议、打印中心的布局优化，以及提升内部工程能力。这些变化伴随着投资成本，必须被妥善捕捉和评估。 案例研究——公用事业公司采用分阶段增材制造方法进行采购优化 一家主要公用事业公司分析了70万个备件参考信息，通过增材制造（AM）优化其采购策略。在发现大量零件可以使用增材制造打印后，该公司采用三阶段方法来过渡其库存。 第三步：应对财务挑战 图A的右侧展示了不同关键性类别下，增材制造（AM）备件的经济可行性随时间推移的变化。它表明，增材制造的总成本逐渐变得与传统制造方法具有竞争力（或更低）。尽管眼前的成本优势可能仅限于某些零件类别，但得益于经验积累和设备升级，该技术的成本效益正在不断提升，使其在更广泛的备件领域成为一项极具吸引力的解决方案。当然，在这一过程中，密切关注成本并持续推动精益改进至关重要。 第一步：技术可行性审查 对备件库的多阶段评估发现，其中大约一半（如常见的复杂叶轮和小阀门内部件）利用当前的增材制造技术易于打印（见图A左侧）。另一半备件库的可打印性为中等至较低（使用增材制造技术生产它们存在显著的技术挑战）。对备件库进行的这项全面、系统的评估对于识别适合打印的部件至关重要，包括那些属于不太明显类别的部件。 成功因素 ADL分析发现，围绕AM潜力的较高期望受到了显著的技术、运营和财务挑战的制约。尽管如此，经过仔细评估，已确定了一条可行的路径。成功的关键在于： 第二步：操作风险缓释 分阶段的方法和全面采用计划对于成功至关重要。图A的中间部分展示了根据操作关键性（即每个部件对持续运营的重要性以及其失效相关的风险）对部件库进行的重新分类。该公司从打印低关键性部件开始，逐步过渡到中高关键性部件，同时将投资（时间和资源）同步投入到进一步研究中，以与设备原始设备制造商（OEM）保持一致。- 以低关键性部件为起点，分阶段实施- 注重每个阶段中的测试与学习- 持续努力扩大可覆盖部件范围- 持续进行成本优化举措（如减少一次性成本），以确保长期财务可行性 双轨卓越框架 然而，这需要审慎评估哪些能力应内部掌控，哪些应外包，同时还需要一个稳固的管理框架，以及对合作伙伴进行严格评估，以确保其技术卓越和运营可靠性。 要成功开发基于增材制造（AM）的备件计划，企业需要制定包含采用掌握和工程/增材制造掌握的全面战略。 利用内部能力和人才库 合作伙伴，共同打造一套综合能力，包括先进的扫描和数字化技术、材料科学专业知识，以及强大的工程支撑体系，以确保打印部件满足严格的性能要求。 收养精通 增材制造（AM）需要一项灵活、全面、跨部门的采用计划。第一步是对公司备件组合进行系统化、技术先进性强的审查，以识别出最适合AM且影响最大的候选对象。下一步是创建分阶段实施方法，旨在