近年來，增材制造憑借復雜幾何結(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。各類行業(yè)報道對這項技術(shù)的進步大加贊賞，但走進實際生產(chǎn)車間就會發(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EverPath，旨在讓 CNC 編程更快、更簡單、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)域擁有超過四十年的深厚積累。作為全球應(yīng)用工程經(jīng)理，Chmura長期直接對接航空航天制造商，協(xié)調(diào)數(shù)字設(shè)計愿景與認證生產(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)人最初的預期大相徑庭。

Chmura 直言：“我不認為存在增材制造能完全取代減材制造的場景，但我覺得這是一件好事，我們能同時發(fā)揮兩種技術(shù)的最大優(yōu)勢，實現(xiàn)優(yōu)勢互補?！?/span>

嚴苛公差劃定工藝邊界，減材制造仍不可替代

不可否認，增材制造的優(yōu)勢真實且具有實際應(yīng)用價值，能夠輕松制造出內(nèi)部流道、點陣結(jié)構(gòu)和異形幾何結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)用傳統(tǒng)機加工方式要么難以實現(xiàn)，要么會產(chǎn)生極高的制造成本，為航空航天零件設(shè)計開辟了全新思路。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度大幅接近鍛件水平。但對于飛行關(guān)鍵部件而言，“接近”遠遠達不到裝機使用的標準。

Chmura 解釋道，減材制造在當前生產(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、零件的實際裝配精度，以及加工效率，都是減材制造的核心優(yōu)勢。他認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)在未來很長一段時間內(nèi)都不會改變。

航空航天領(lǐng)域的認證要求堪稱嚴苛。材料性能必須經(jīng)過完整的記錄、反復測試和嚴格審批，一項新型合金或復合材料結(jié)構(gòu)的認證流程，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)過程中也可能產(chǎn)生微小波動，而這種波動是行業(yè)無法容忍的。這就意味著，增材制造生產(chǎn)的零件，幾乎都需要經(jīng)過 CNC 精加工，才能達到裝機認證標準。

混合制造破局落地困境

面對增材與減材各自的優(yōu)勢與局限，混合加工設(shè)備應(yīng)運而生。這類設(shè)備能夠同時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，降低了操作門檻。

目前，Chmura 正主導一項基于定向能量沉積系統(tǒng)的混合制造項目。項目的核心流程的是：

?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，再通過機加工工序，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的技術(shù)，能夠模擬這種沉積式增材制造的全過程，這類設(shè)備存在多種碰撞風險，增材工序的操作過程中，同樣會面臨這些風險，而仿真技術(shù)能有效規(guī)避這些問題。”

借助 GPU 加速仿真，處理復雜多工序零件的團隊可在極短時間內(nèi)完成碰撞檢測與材料分析

原型優(yōu)勢突出

在航空航天領(lǐng)域，增材制造的價值在原型制作環(huán)節(jié)體現(xiàn)得最為明顯。對于后續(xù)將采用熔模鑄造工藝生產(chǎn)的零件，通過增材制造可以快速制作樣件，用于裝配驗證、外形檢測和前期性能測試，所耗時間遠低于傳統(tǒng)鑄造毛坯的開發(fā)周期。這種速度優(yōu)勢十分顯著，但當生產(chǎn)需求從原型制作轉(zhuǎn)向規(guī)模化量產(chǎn)時，新的挑戰(zhàn)便隨之而來。

Chmura 評價道：“增材制造在原型制作上的表現(xiàn)堪稱出色，但規(guī)模化生產(chǎn)的難點在于成本控制。在混合設(shè)備上，單件零件的成本與生產(chǎn)過程中最長工序的耗時直接相關(guān)。雖然最終能得到合格的零件，但零件在單臺設(shè)備上占用的時間過長，會大幅推高制造成本?！?/span>

這種成本結(jié)構(gòu)，對于低產(chǎn)量、高復雜度的航空航天項目而言或許可以接受，但對于追求產(chǎn)能和效率的規(guī)?；a(chǎn)項目來說，仍是難以逾越的限制。這說明，增材制造在原型階段展現(xiàn)出的經(jīng)濟優(yōu)勢，無法直接復制到量產(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)展動力的領(lǐng)域是試驗項目與軍用項目。這類航空平臺主要執(zhí)行特定任務(wù)，不搭載乘客，即便出現(xiàn)測試失敗，雖然并非理想情況，但造成的后果遠輕于商用航空事故。

“這類應(yīng)用場景在先進材料的使用與測試上，往往更加靈活，”他舉例說明，這一點與 F1 賽事十分相似。電動渦輪增壓器等在賽車領(lǐng)域得到驗證的技術(shù)，往往需要十年甚至更久才能應(yīng)用于量產(chǎn)汽車，而賽車場景則為這些新技術(shù)提供了可靠的測試平臺。同理，試驗類航空項目也能承擔類似角色，為那些暫未達到認證生產(chǎn)標準的增材工藝，提供重要的測試和優(yōu)化環(huán)境。

設(shè)計思維代際差異

在 Chmura 的觀察中，工程教育方向的轉(zhuǎn)變，也對增材制造的落地產(chǎn)生了影響。如今的工程專業(yè)學生，成長于桌面 3D 打印普及的時代，他們進入行業(yè)時，對增材制造的熟悉度和直覺，遠高于傳統(tǒng)的減材制造。這一現(xiàn)象本身并無問題，但當設(shè)計的自由度超出實際制造能力的認知范圍時，就會成為技術(shù)落地的隱形障礙。

Chmura 說：“現(xiàn)在的大學生廣泛接觸 3D 打印技術(shù)，他們在設(shè)計時擁有極高的自由度，常常不會考慮零件的制造方式，默認選擇用 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?！?/span>

Mastercam 與康涅狄格大學有著長期合作，為該校的方程式賽車團隊制作零件。在合作過程中，Chmura 發(fā)現(xiàn)，學生提交的設(shè)計模型中，常常包含難以加工或無法按原設(shè)計制造的特征，比如零公差要求、尖銳內(nèi)圓角、深窄結(jié)構(gòu)等。這些問題的根源，在于學生的設(shè)計思維中，沒有充分融入對設(shè)備實際加工能力的認知。

Chmura 強調(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，開展可實現(xiàn)的設(shè)計。設(shè)計時不必局限于某一種工藝，有時適合用增材制造，有時則更適合用減材制造，核心是匹配實際生產(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，可自動生成減材加工程序，減輕程序員的手動工作量。

借助 AI 驅(qū)動的 Copilot，用戶可通過語音或文本指令調(diào)整多道工序的進給速率與主軸轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)內(nèi)置安全確認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)范和最佳實踐，AI 可以基于這些海量經(jīng)驗數(shù)據(jù)，進行學習和優(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)實現(xiàn)優(yōu)化即可，但對于增材制造，我們還在不斷探索自身需求，相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，也會同步推動需求的明確和完善?！?/span>