3D金属打印对熔模铸造影响的分析


金 属增材制造,或称3D金属打印,过去几年受到了广泛的关注。通用电气投入超过10亿美元并购了3D金属打印设备制造商Arcam公司和Concept Laser公司,并组建了新的部门通用增材制造。他们预计到2020年,将生产超过10万件供自己使用的金属零部件,并将在同一年从增材制造部门创收超过10亿美元。此外,他们预计未来十年内,将售出1万台金属打印设备。

由麻省理工学院教授创办的Desktop Metal公司从通用、卡特彼勒、宝马和劳氏等公司获得了1.15亿美元的资金。

根据市场调查公司IDTechEx的预测,到2026年,金属增材制造的市场需求将达到66亿美元,与美国当前的熔模铸件市场规模差不多。金属打印服务商3Diligent声称, 3D金属打印将重塑航空航天工业。

有了这样的打印设备,难怪熔模铸造企业担心金属打印将引起潜在的业务流失。金属打印有可能使熔模铸造工艺淘汰吗?

根据熔模铸造研究所的数据,2016年,全球熔模铸件市场规模为135亿美元。仅在北美就生产了价值58亿美元的熔模铸件,有数千从业者。大部分产品是高附加值的零部件,应用于航空航天,工业燃气轮机和国防。北美有180多家熔模铸造企业,他们都担心金属打印可能对他们的业务产生影响。

在过去的几年中,金属增材制造设备企业数量从不到10家激增到了30家以上,而且似乎每个月都会出现新的制造企业。有人预测金属打印将成为金属零部件主要的制造方法。金属打印会使熔模铸造被淘汰吗?

在最近的一项研究中,根据常规的系列熔模铸造零部件案例,设计了75种不同的场景,熔模铸造厂和金属打印设备商按不同场景报价。比较熔模工艺和金属打印每个场景的报价,确定成本最低的工艺。然后假设金属打印的成本下降,再重复进行分析,看看随着成本的下降,金属打印是否能获得优势。

研究结果为金属打印设备企业和熔模铸造企业提供了一些启示,并能引导他们未来工作的努力方向。

方法介绍
生产企业为某种零部件选择特定的制造工艺基于多种原因。他们可以选择在最短时间内供货的工艺,选择产品冶金性能最佳的工艺,或选择产品表面光洁度最好的工艺。然而,大多数情况,生产企业会选择在质量可接受的情况下成本最低的工艺。这项研究的目的是为了找到金属打印可能比熔模铸造成本低的情况。

熔模铸造工艺的适用性非常广泛,可以生产从1英寸到数英尺的零部件,可以生产几何形状非常简单到复杂到难以置信的零部件,产量可以从1个零件到数万个零件。

当然,在某种情况下最经济的方法,在另一种情况下可能就不是最经济的。熔模铸造工艺可提供的方案很多,根据零部件尺寸大小、几何形状复杂性和产量而不同。
为了能涵盖熔模铸造工艺大部分情况,方案确定了75种不同的场景,由3种不同零件尺寸、5种不同复杂程度的几何形状和5种产量构成。

选择的零部件尺寸分别为4英寸、8英寸和16英寸。虽然熔模铸造可以生产尺寸比这更大或更小的零部件,但这些尺寸可以覆盖大部分市场需求。

几何形状特别简单或过度复杂的零部件通常不选择铸造工艺。图1所示几何形状1是简单的圆顶帽。模样可以简单的设计为两部分,无需侧面抽芯或插入。图2所示几何形状2稍微复杂一些,是开放式叶轮。模样可以简单的设计为两部分,但是叶片的铸造情况更为复杂。图3所示几何形状3是封闭的叶轮,在复杂性上更进一步。它不能用两分的模具生产,制作蜡模需要可溶芯或陶瓷芯,需要多种工具,导致成本增加。几何形状4是无人机机架,在复杂性上又一步,是模具无法完成的几何形状。需要打印蜡模结合熔模铸造生产。几何形状5是另一种无人机框架,为减少铸件的重量设计成格子结构。格子结构紧密的间距使得蜡模不可能在没有桥接的情况下完成制壳。即使能够制壳,格子的薄壁也很难充型。这个几何形状只能用金属打

印完成。
需要注意的是,几何形状1、2、3既可以使用传统的开模具的熔模铸造工艺,又可以使用熔模铸造复合工艺或使用金属打印完成。几何形状4不能开模具,因此不能使用传统的熔模工艺。但可以使用熔模铸造复合工艺和金属打印完成。几何形状5既不能开模具,也无法铸造,只能用金属打印制造。

研究方案的5种几何形状的主要尺寸是4英寸(101.4mm)。如果是8英寸和16英寸(203 mm和406 mm)的产品,尺寸的缩放倍数为2和4。

5种产量分别是:1、10、100、1000和10000件。

这3类主要变量的值,基本能涵盖大部分熔模铸造工艺的产品。

项目邀请了一些熔模铸造厂根据每种产品组合几何形状的复杂性、尺寸和产量进行报价。要求他们使用传统的熔模铸造工艺和熔模铸造复合工艺即打印蜡模后用熔模铸造工艺生产。产品的材质是不锈钢17-4。

有7家铸造厂对这一要求做出了回应。定价通常被认为是非常敏感的信息,项目需求的信息将涉及大量关于铸造厂定价的策略。为了减少企业对竞争对手获得定价信息的担忧,作者签署了保密协议,同意不披露企业的身份,只提供75种场景下每种情况的摘要信息(平均价格、中间、最高和最低价格)。

对于传统的熔模铸造工艺的报价,参与企业只需要估算模具的成本,不需要实际向模具供应商询价。

打印蜡模的供应商被要求基于同场景报价。平均每个场景打印蜡模的报价,再把这些平均价格提供给铸造厂,用于熔模铸造复合工艺的报价。铸造厂可以采用最令他们满意的打印蜡模的价格。12家打印蜡模的供应商参与了报价。

几家提供金属打印服务的公司也被邀请基于同样的场景对金属打印零部件报价。3家金属打印供应商进行了报价。

打印蜡模的供应商和金属打印的供应商签署了与铸造厂一样的保密协议。

每种场景,所有的传统熔模铸造工艺的价格都是平均价格,熔模铸造复合工艺和金属打印零部件的价格也是如此。每种情况都确定了最低的价格。

图6所示是4英寸(101毫米)零部件25种场景的最低价格。如图所示场景,绿色代表的是用模具制造蜡样的传统熔模铸造最便宜的情况。正如预期,所有产量较大的情况,这是最便宜的方法,绿色方格代表的是可以选择传统熔模铸造工艺的情况。

图示场景,红色代表制造方式为熔模铸造复合工艺最便宜的情况。对于简单的几何形状1和2,只有在10件或更少这种数量非常低的情况下,熔模铸造复合工艺是最便宜的。几何形状3少于100件的情况,熔模铸造复合工艺是最便宜的,这是由于模具成本非常高。对于几何形状4,只能用熔模铸造复合工艺或金属打印,数量为10件或更多时,复合工艺最是最便宜。

几何形状4数量为1时,以及任何数量的几何形状5,金属打印是最便宜的选择,并且只能用金属打印完成。图7所示为8英寸(203毫米)零部件的25种场景的最低价格。与4英寸(101毫米)零部件的定价相比,几乎没有什么变化。不同的是,几何形状3在数量为100件时,传统熔模铸造工艺最便宜,几何形状4数量为1时,是熔模铸造复合工艺最便宜。

图8所示为16英寸(406毫米)零部件25种场景的最低价格。唯一改变的是,对于任何一种16英寸(406毫米)的零部件,金属打印都不是最便宜的方法。没有金属打印设备能够制造出这么大的零部件。因此,这些零部件现在不能用该工艺制造。

数据分析
从这些结果可以看出:
按目前的价格,金属打印不会从传统的熔模铸造中获得市场份额。
按目前的价格,只有在小型且无法铸造的情况下,金属打印的成本低于熔模铸造复合工艺。
按目前的价格,熔模铸造复合工艺将比金属打印铸件便宜,但不包括无法铸造或需求量只有1个的小型零部件的情况。

毫无疑问,随着时间的推移,金属打印的成本将会下降。金属打印设备制造商数量迅速增加,竞争加剧,价格将承受压力。此外,随着打印设备销量的增加,规模经济将降低生产成本。此外,我们很可能会看到新的打印技术的引入,这也将降低成本。如果金属打印成本下降,它是否会成为熔模铸造领域较低成本的替代方案?
为了回答这个问题,把金属打印的平均价格降低50%,然后对所有75个场景重新进行审查,以确定每个场景成本最低的制造工艺。价格分别下降75%和90%,再重复这一分析,结果如图9所示。

从这些结果可以看出:
如果金属打印价格降低50%,8英寸(203毫米)和16英寸(406毫米)的零部件低成本制造工艺没有变化。对于4英寸的零部件,金属打印是数量为1的所有几何形状的产品,任何数量的几何形状4和5产品的成本最低的制造工艺。

如果金属打印的价格降低75%,则16英寸(406毫米)零部件的低成本制造工艺没有变化。对于8英寸(203毫米)零部件,只有数量为1的几何形状4和任何数量的几何形状5,金属打印是低成本的制造工艺。4英寸(101毫米)的零部件,除了几何形状3的数量为10和100外,金属打印的成本低于的熔模铸造复合工艺。

如果金属打印价格降低90%,16英寸(406毫米) 的零部件低成本制造工艺没有变化。8英寸(203毫米)零部件,除几何形状3外,在数量分别为1和10的情况下,所有几何形状零部件,金属打印成本比熔模铸造复合工艺更低。此外,数量为100的几何形状1,变得比传统的熔模铸造更便宜。4英寸(101毫米)的零部件,金属打印完全取代熔模铸造复合工艺,并从传统的熔模铸造中获得份额。

但是金属打印的价格真的能下降那么多吗?人们很容易认为,消费类电子产品也出现了同样的降价。考虑一下录音机或个人电脑在最初10或15年的价格下降。在此基础上,降价90%是可能的。

然而,金属打印设备和消费电子产品之间存在着显著的差异。首先,大多数打印设备是机械产品,机械零部件的成本没有类似的降低。即使产量从每年几十个扩大到数千个,但是否会降价50%以上仍值得怀疑。

其次,根据金属打印设备商的报告,材料成本占零件打印成本的10-15%。金属粉末供应商与熔模铸造厂购买相同的材料,然后投入巨大的加工成本,将其加工成形状和大小一致的粉末。因此,金属打印的材料成本大大高于铸造厂。例如,铸造厂为每磅钛锭支付约5美元,同样用于金属打印设备的合金每磅大约150美元。毫无疑问,随着金属粉末销量的增加,这一差距将会缩小,但差距下降10倍非常不可能。因此,金属打印价格不太可能下降90%。事实上,考虑到材料的成本,75%的降价似乎都是极不可能的。在可预见的将来,价格不太可能下降超过50%。

如果金属打印的价格下降不超过50%,它只能成为单个数量的小型零部件,无法开模具的小型零部件和无法铸造生产的零部件的低成本制造工艺。

结论
从目前的价格看,金属打印对熔模铸造行业没有影响。即使金属打印的价格下跌了50%,也不会对当前4英寸或4英寸以上的传统熔模铸造行业产生影响。

虽然这项研究表明,金属打印不存在使熔模铸造过时的直接威胁,但也存在其他威胁。在过去的几年里,在拓扑优化或零部件轻量化方面有了很大的发展。拓扑优化是在保持零部件的强度和功能的同时最小化零部件重量的方法。优化后的零部件可能具有更加复杂的几何形状,无法开模具,因此无法使用传统的熔模铸造。然而,尽管成本较高,这些零部件可以使用熔模铸造复合工艺或金属打印。

对于某些工业领域,如商用飞机和国防,零部件重量减轻的价值将抵消制造成本的增加。

现在有几种商业上可用的拓扑优化工具,目前许多用熔模铸造工艺生产的零部件很可能被优化的零部件所取代,而这些零部件不能用传统工艺铸造。

研究表明,对于几何形状不能开模具但是可以铸造的零部件,熔模铸造复合工艺是一种比金属打印更便宜的制造工艺。然而,熔模铸造复合工艺目前只用于原型和需求量很低的零部件。

熔模铸造复合工艺必须继续提升应用于批量生产的技术。如果他们不能或不愿意这样做,这些业务将会被金属打印承接。

轻量化的推进和拓扑优化工具的发展,将极大的增加无法使用传统蜡模模具(例如几何形状4),只能使用熔模铸造复合工艺生产铸件的需求。这种需求的增加将以减少传统熔模铸件的需求为代价。这将是熔模铸造厂发展能力最好的契机,使熔模铸造复合工艺应用于批量生产,而不仅仅是原型生产。 ■