第416章 金属加工方法革变,下一个研发重点
第416章金属加工方法革变,下一个研发重点
以目前的热源形式来分,金属3D打印可分为激光(单模)SLM、激光(多模)LENS、电子束(粉末)EBM、电子束(丝材)EBFF和电弧WAAM。
星海集团利用自主研发的激光技术,目前主要采用SLM和LENS技术,材料都是采用粉末形式。
以目前的设备型号来看,可以制造1000mm*800mm*600mm的零件,如果想加大零件尺寸并不难,增加导轨长度即可,不过,精度会有一定的影响。
一直以来,全球金属3D打印的发展似乎并未达到预期中的革命性发展,以世界金属3D增材代表企业Velo3D公司为例,
主要有三个因素影响。
第一,材料组织较差,一直达不到锻件水平。
也许构件的某些性能达到了同成分锻件水平,但材料组织依然达不到。
目前,星海集团已经解决了这个关键问题。
第二,制造效率问题。
一般来说,SLM技术的每小时制造效率为5-20立方厘米,如果是LENS(材料组织较差),可以到达10-80立方厘米,甚至可以达到300立方厘米。
以制造钢铁为例,钢材的密度为7.85克/立方厘米。
也就是说,金属3D增材的每小时制造效率,SLM技术大概是40-160克,而LENS则为80-2400克,每天24小时持续制造,最多也就五十多公斤。
如果是钛合金和铝合金,由于密度更小,单位生产的重量更低。
制造效率越高,相应地成形精度也会低许多。
所以,这项技术只适合于制造复杂程序非常高,而且批量少的结构件。
对于传统的机械制造(如车铣刨磨钻)而言,零件的制造成本随复杂程度的提升指数级的增长,且与制造的批量有关系,批量小于3000件时,成本非常高。
而零件的复杂程度对增材制造的成本影响很小,增材制造过程几乎不受零件复杂程度的影响,其成本主要决定于制造该零件所需要的时间。
因此对于单件小批量生产和具有较高几何复杂性的零件,增材制造具有显著的竞争优势。
如今,星海集团在SLM和LENS技术上有很大进步,单枪数量的效率比同行顶尖设备要快3倍-5倍。
这方面的原因,主要是设备空行更快、扫描速度、多通道送粉、多激光束、熔化效率更快等优势。
而且,星海集团的设备可以配置多枪同步进行,最多可配3把喷枪。
多加枪就意味着多加轴,占用空间,这还不是最重要的,主要是需要解决同步运行时的算法问题。
所以,运用3枪的设备,可比同行顶尖设备的效率要快5-15倍。
如果计算加工价格,差异就非常大。
在2022年之前,在缺乏专门设计的零件的情况下,增材制造生产成本会十分高昂,而工业增材制造系统也价值不菲,并且部分生产速度十分缓慢。
目前能够生产金属零件的增材制造系统和设备的总成本大约在50万美刀到100多万美刀之间。
如果以全年80%的运行时间计算,那么金属3D打印系统每年运作的时间约为7000小时。
对于高科技设备,两年的投资回报期(ROI)是成本计算的合理平均值,这也就意味着根据设备价值不同,每小时的设备运行成本(也可以说是设备折旧成本)为每小时37美刀到每小时90美刀不等。
电费能耗、惰性气体氩气成本倒不是很大,每小时10块钱左右,相对于设备的折旧成本就极低了。
如果加工一个不锈钢304结构件,重量为1公斤,粉末材料成本为500元。
按照国际上的金属3D增材设备,假如设备每小时运行成本为400元。
要求精度最高,最慢加工时间约为25小时,成本为=25*400+500+25*10=10750元!
要求精度一般,加工时间约为5小时,成本为=5*400+500+5*10=2550元。
换作星海集团的设备,假如设备价格和原材料价格相同,加工时间可能只需要5小时,甚至最快只需要半小时就可以,成本在800-3050元,而且精度更高。
但不管再怎么样便宜,成本依然比传统制造要高。
第三,表面粗糙度和后续加工问题。
3D增材设备毕竟是堆焊材料的方式,表面粗糙度肯定比精机加工差一些。
一般表面粗糙度在
一般来说,摇臂钻床所钻出来的孔,孔壁粗糙度在Ra12.5左右,用手摸还可以摸到纹路。
好点的,可以加工到Ra6.3,跟粗铣、粗车差不多了。
如果是Ra25-50,跟火焰切割出来的切割面一样,非常粗糙了。
如果还采用后续加工,采用3D增材设备就没啥意义了。
而星海集团的设备,如果采用LENS,每小时制造效率为200-1000立方厘米情况下,就可以达到Ra6.3,如果要求不高,根本不需要再加工了。
如果采用SLM,把每小时制造效率为50-100立方厘米情况下,表面粗糙度Ra可以达到0.8!
半精铣和半粗车的状况了,绝大情况下,不需要再进行后续加工。
就凭以上三个优势,星海集团的金属3D增材技术可以说是黑科技了,高出世界顶尖水平太多了,已经可以普遍应用了。
一些急用的小批量产品,都可以采用金属3D增材技术生产了。
所需要的,只要有3D图数据就可以。
当然,这个3D软件必须具备3D切片功能。
所谓的切片,这是因为金属3D增材生产过程就是一层一层地叠加。
星海集团的AD软件,新增加的功能,可以支持三维模型到打印成型,拥有增材制造切片软件的全部功能。
而且,在轻量化设计填充模块中,增加网格、内六角、立方体、锯齿状、交叉、螺旋二十四面体等晶格镂空图案,并且可根据设置实时显示已选择的晶格的元素数量,如角度、节点、体积,孔隙率等,晶格图案及参数可自主调节,不需要另外设计,设计更快。
也就是说,如果别人偷到星海集团的金属3D设备,如果AD软件没有增加星海集团的3D切片功能系统,用起来也是非常麻烦的。
软件与设备,就是相互匹配。
可以说,星海集团的生产制造能力上升了一个大台阶,产生革命性的变化。
今后,只要是金属材料制造,不管多复杂的设计,只要是设备的尺寸制造范围内,都能够制造出来。
自从去年6月份开始,先研发轴承、丝杆等核心零部件的特种钢材,接着伺服电机、数控系统等等,才真正转入金属3D增材设备的研发。
一年多时间,真的很快,也是在星海集团强悍的研发能力和制造能力上。
每每有新的研发项目,需要用到加工某个零部件时,都要优先进行生产,只要有图纸,原材料备好,一般两三天内,甚至一两个小时内就能加工出来,效率非常快。
除去研发成本,星海集团金属3D增材设备的制造成本不算高,估计就是二三十万一台就行了。
原材料粉末也是自己生产加工的,假如是不锈钢粉末,用不着五六百块钱一公斤,每公斤150元就足够了。
也就是说,每加工一公斤不锈钢重的零部件,实际成本只需要两三百元而已。
若能够大批量制造,成本还会降低,研发成本均摊到每台设备上后,综合成本也不会很高。
别的厂家加工一公斤不锈钢成本在2500-10000元,真正代加工价还要加倍,达到5000元以上,这个价格不是一般公司能够承受得了。
昂贵的加工价格,加工效率慢,也是阻碍了金属3D增材技术的发展。
当然,就算星海集团的金属3D增材设备牛比,也是无法代替传统机加工业,只有加工复杂结构产品时,它才有价值。
7月4日,沐阳处理完月初的文件后,来到金属3D增材实验室。
一台金属3D增材设备前,玻璃隔窗内,三个激光枪在快速地移动,没有干涉,枪头那喷出几道金黄色的激光线。
如果熟悉金属3D增材设备,会发现星海集团的设备在加工过程中竟然没有什么火花。
沐阳走进来观察,设备旁边的几个员工看到他后纷纷打招呼。
“董事长,您好!”
“嗯,里面加工的是什么东西?”
一名员工恭敬地回道:“李刚说市场上制造的婴儿车不怎么样,要不太重,要不太轻强度不够,于是我们设计了一个婴儿车,骨架和轮毂用高强度钛合金材料制造,强度足够,然后再定制一些材料,做成一个可以放两个孩子的电动助力婴儿车,送给董事长。”
“哦,有心了,谢谢。”沐阳点头微笑,“市场上的婴儿车的确不怎么样。”
“嘿嘿,就怕董事长你不喜欢,而且制造成本也不低。”
“没事,也可以多弄点航空上有用的产品。从电机项目部门拿图纸优化一下,一些结构用3D打印,看看能减轻多少重量。我们制造这个设备也是为了结构轻量化,只有不断地尝试制造不一样的产品,才会发现问题。”沐阳不阻止员工瞎搞这些,只要有意义,把工作做完就行。
沐阳观察了一会,项目经理看到他,走过来跟他汇报情况,也有一些技术问题问他。
“C919的加工进行得怎么样?”沐阳问道,他有一段时间没有关注C919了。
“尺寸不大于1米的零部件,这个月就能加工完成,尺寸过大的,目前在组装一台加工范围达到5米长4米宽3米高的设备,估计月底能调试好就不错了,想要加工完成剩余的部件,估计得8月底了。”
项目经理带沐阳来到一台更大的设备面前,几名员工正在组装调试。
“董事长,我们负责C919的任务,钛合金代加工报价多少?”研发项目经理有必要知道报价情况,知道他们自己研发的东西到底值不值钱,更要知道成加成本问题,知道从哪些细节进行优化,降本增效。
“第一台就不要钱了,就当为国家做贡献,我们也希望C919能够量产;
如果C919未来批量生产,我们就算想为国家做贡献,也要赚钱,钛合金每公斤加工价格三千块,铝合金两千,奥氏体不锈钢一千,对外报价上浮一些,具体报价还得让报价部门详细核算一下,你这边也统计一下数据和加工成本。”
沐阳只是大概算了下,铝合金和钛合金的加工难度大一些,而且密度太小,按照重量收费有些不划算。
钛合金金属3D增材加工的市场价格,精度越高是越贵,但也不能贵得太离谱。
而且金属3D增材,并不是没有代替品,太贵了没有客户愿意代工,宁愿采用传统加工方式。
如果没法加工,那就改变结构设计。
所以,沐阳不打算按照市场价格来,直接按照自己公司的情况,有钱赚就行。
也只有“廉价”,客户才愿意抛弃传统加工方式,为了效率,转为金属3D增材制造。
比如按照C919的空机总重量约42.1吨,金属结构重量占25%-30%,其中铝合金和钛合金估计占15%-20%,有必须采用金属增材制造的铝合金和钛合金重量大概有3-5吨。
如果按照星海集团给上飞公司的金属3D增材加工报价,这架飞机的金属3D增材代加工成本就需要750万-1250万元。
而C919报价为0.9亿美刀,折合6亿多,相对售价而言,近千万不算多,但也不算少了,主要是生产效率快。
只需要三五台设备,如果生产无故障的话,一个月时间内就能完成制造任务,而且优化设计后,重量可轻10%以上。
若是采用传统制造方法,半年时间内都不一定能搞定。
采用金属3D增材制造方法,可以大大缩短生产周期,那几百万近千万元的加工费,根本不是事儿。
只要星海集团愿意降低加工价格,这个市场规模就非常大,只要产能足够,光搞代加工,一年随随便便拿下一百亿美刀的订单。
没错,就是一百亿美刀以上!
按照沐阳给上飞公司的报价,就相当于4万吨金属材料的加工量!
仅需要500-1000台金属增材3D设备,几千名员工。
当然,这只是沐阳的理想估算,或者说,他低估了这个市场,反正有很大搞头。
如果他这么搞,全球所有从事金属3D增材设备的企业多半要倒闭。
卖设备?
在前期,那是不可能的,卖贵了没有客户愿意买,而且买的客户,肯定是同行买回来拆解研究。
每台设备可以产出一千万美刀的产值,卖便宜了,沐阳也不乐意,而且,别人有了这一类设备,加工实力发生质的提升,这类设备就跟光刻机一样,最好自己垄断。
想到这点,沐阳回办公室,让战略部门再好好调研一下。
同时,公司研发金属3D增材设备成功,可以转到下一个研发重点:顶尖数控机床!
工业母机,是时候搞一搞了。
而且,伺服电机和编码器的研发成功,也是时候攻研工业机器人了。
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以目前的热源形式来分,金属3D打印可分为激光(单模)SLM、激光(多模)LENS、电子束(粉末)EBM、电子束(丝材)EBFF和电弧WAAM。
星海集团利用自主研发的激光技术,目前主要采用SLM和LENS技术,材料都是采用粉末形式。
以目前的设备型号来看,可以制造1000mm*800mm*600mm的零件,如果想加大零件尺寸并不难,增加导轨长度即可,不过,精度会有一定的影响。
一直以来,全球金属3D打印的发展似乎并未达到预期中的革命性发展,以世界金属3D增材代表企业Velo3D公司为例,
主要有三个因素影响。
第一,材料组织较差,一直达不到锻件水平。
也许构件的某些性能达到了同成分锻件水平,但材料组织依然达不到。
目前,星海集团已经解决了这个关键问题。
第二,制造效率问题。
一般来说,SLM技术的每小时制造效率为5-20立方厘米,如果是LENS(材料组织较差),可以到达10-80立方厘米,甚至可以达到300立方厘米。
以制造钢铁为例,钢材的密度为7.85克/立方厘米。
也就是说,金属3D增材的每小时制造效率,SLM技术大概是40-160克,而LENS则为80-2400克,每天24小时持续制造,最多也就五十多公斤。
如果是钛合金和铝合金,由于密度更小,单位生产的重量更低。
制造效率越高,相应地成形精度也会低许多。
所以,这项技术只适合于制造复杂程序非常高,而且批量少的结构件。
对于传统的机械制造(如车铣刨磨钻)而言,零件的制造成本随复杂程度的提升指数级的增长,且与制造的批量有关系,批量小于3000件时,成本非常高。
而零件的复杂程度对增材制造的成本影响很小,增材制造过程几乎不受零件复杂程度的影响,其成本主要决定于制造该零件所需要的时间。
因此对于单件小批量生产和具有较高几何复杂性的零件,增材制造具有显著的竞争优势。
如今,星海集团在SLM和LENS技术上有很大进步,单枪数量的效率比同行顶尖设备要快3倍-5倍。
这方面的原因,主要是设备空行更快、扫描速度、多通道送粉、多激光束、熔化效率更快等优势。
而且,星海集团的设备可以配置多枪同步进行,最多可配3把喷枪。
多加枪就意味着多加轴,占用空间,这还不是最重要的,主要是需要解决同步运行时的算法问题。
所以,运用3枪的设备,可比同行顶尖设备的效率要快5-15倍。
如果计算加工价格,差异就非常大。
在2022年之前,在缺乏专门设计的零件的情况下,增材制造生产成本会十分高昂,而工业增材制造系统也价值不菲,并且部分生产速度十分缓慢。
目前能够生产金属零件的增材制造系统和设备的总成本大约在50万美刀到100多万美刀之间。
如果以全年80%的运行时间计算,那么金属3D打印系统每年运作的时间约为7000小时。
对于高科技设备,两年的投资回报期(ROI)是成本计算的合理平均值,这也就意味着根据设备价值不同,每小时的设备运行成本(也可以说是设备折旧成本)为每小时37美刀到每小时90美刀不等。
电费能耗、惰性气体氩气成本倒不是很大,每小时10块钱左右,相对于设备的折旧成本就极低了。
如果加工一个不锈钢304结构件,重量为1公斤,粉末材料成本为500元。
按照国际上的金属3D增材设备,假如设备每小时运行成本为400元。
要求精度最高,最慢加工时间约为25小时,成本为=25*400+500+25*10=10750元!
要求精度一般,加工时间约为5小时,成本为=5*400+500+5*10=2550元。
换作星海集团的设备,假如设备价格和原材料价格相同,加工时间可能只需要5小时,甚至最快只需要半小时就可以,成本在800-3050元,而且精度更高。
但不管再怎么样便宜,成本依然比传统制造要高。
第三,表面粗糙度和后续加工问题。
3D增材设备毕竟是堆焊材料的方式,表面粗糙度肯定比精机加工差一些。
一般表面粗糙度在
一般来说,摇臂钻床所钻出来的孔,孔壁粗糙度在Ra12.5左右,用手摸还可以摸到纹路。
好点的,可以加工到Ra6.3,跟粗铣、粗车差不多了。
如果是Ra25-50,跟火焰切割出来的切割面一样,非常粗糙了。
如果还采用后续加工,采用3D增材设备就没啥意义了。
而星海集团的设备,如果采用LENS,每小时制造效率为200-1000立方厘米情况下,就可以达到Ra6.3,如果要求不高,根本不需要再加工了。
如果采用SLM,把每小时制造效率为50-100立方厘米情况下,表面粗糙度Ra可以达到0.8!
半精铣和半粗车的状况了,绝大情况下,不需要再进行后续加工。
就凭以上三个优势,星海集团的金属3D增材技术可以说是黑科技了,高出世界顶尖水平太多了,已经可以普遍应用了。
一些急用的小批量产品,都可以采用金属3D增材技术生产了。
所需要的,只要有3D图数据就可以。
当然,这个3D软件必须具备3D切片功能。
所谓的切片,这是因为金属3D增材生产过程就是一层一层地叠加。
星海集团的AD软件,新增加的功能,可以支持三维模型到打印成型,拥有增材制造切片软件的全部功能。
而且,在轻量化设计填充模块中,增加网格、内六角、立方体、锯齿状、交叉、螺旋二十四面体等晶格镂空图案,并且可根据设置实时显示已选择的晶格的元素数量,如角度、节点、体积,孔隙率等,晶格图案及参数可自主调节,不需要另外设计,设计更快。
也就是说,如果别人偷到星海集团的金属3D设备,如果AD软件没有增加星海集团的3D切片功能系统,用起来也是非常麻烦的。
软件与设备,就是相互匹配。
可以说,星海集团的生产制造能力上升了一个大台阶,产生革命性的变化。
今后,只要是金属材料制造,不管多复杂的设计,只要是设备的尺寸制造范围内,都能够制造出来。
自从去年6月份开始,先研发轴承、丝杆等核心零部件的特种钢材,接着伺服电机、数控系统等等,才真正转入金属3D增材设备的研发。
一年多时间,真的很快,也是在星海集团强悍的研发能力和制造能力上。
每每有新的研发项目,需要用到加工某个零部件时,都要优先进行生产,只要有图纸,原材料备好,一般两三天内,甚至一两个小时内就能加工出来,效率非常快。
除去研发成本,星海集团金属3D增材设备的制造成本不算高,估计就是二三十万一台就行了。
原材料粉末也是自己生产加工的,假如是不锈钢粉末,用不着五六百块钱一公斤,每公斤150元就足够了。
也就是说,每加工一公斤不锈钢重的零部件,实际成本只需要两三百元而已。
若能够大批量制造,成本还会降低,研发成本均摊到每台设备上后,综合成本也不会很高。
别的厂家加工一公斤不锈钢成本在2500-10000元,真正代加工价还要加倍,达到5000元以上,这个价格不是一般公司能够承受得了。
昂贵的加工价格,加工效率慢,也是阻碍了金属3D增材技术的发展。
当然,就算星海集团的金属3D增材设备牛比,也是无法代替传统机加工业,只有加工复杂结构产品时,它才有价值。
7月4日,沐阳处理完月初的文件后,来到金属3D增材实验室。
一台金属3D增材设备前,玻璃隔窗内,三个激光枪在快速地移动,没有干涉,枪头那喷出几道金黄色的激光线。
如果熟悉金属3D增材设备,会发现星海集团的设备在加工过程中竟然没有什么火花。
沐阳走进来观察,设备旁边的几个员工看到他后纷纷打招呼。
“董事长,您好!”
“嗯,里面加工的是什么东西?”
一名员工恭敬地回道:“李刚说市场上制造的婴儿车不怎么样,要不太重,要不太轻强度不够,于是我们设计了一个婴儿车,骨架和轮毂用高强度钛合金材料制造,强度足够,然后再定制一些材料,做成一个可以放两个孩子的电动助力婴儿车,送给董事长。”
“哦,有心了,谢谢。”沐阳点头微笑,“市场上的婴儿车的确不怎么样。”
“嘿嘿,就怕董事长你不喜欢,而且制造成本也不低。”
“没事,也可以多弄点航空上有用的产品。从电机项目部门拿图纸优化一下,一些结构用3D打印,看看能减轻多少重量。我们制造这个设备也是为了结构轻量化,只有不断地尝试制造不一样的产品,才会发现问题。”沐阳不阻止员工瞎搞这些,只要有意义,把工作做完就行。
沐阳观察了一会,项目经理看到他,走过来跟他汇报情况,也有一些技术问题问他。
“C919的加工进行得怎么样?”沐阳问道,他有一段时间没有关注C919了。
“尺寸不大于1米的零部件,这个月就能加工完成,尺寸过大的,目前在组装一台加工范围达到5米长4米宽3米高的设备,估计月底能调试好就不错了,想要加工完成剩余的部件,估计得8月底了。”
项目经理带沐阳来到一台更大的设备面前,几名员工正在组装调试。
“董事长,我们负责C919的任务,钛合金代加工报价多少?”研发项目经理有必要知道报价情况,知道他们自己研发的东西到底值不值钱,更要知道成加成本问题,知道从哪些细节进行优化,降本增效。
“第一台就不要钱了,就当为国家做贡献,我们也希望C919能够量产;
如果C919未来批量生产,我们就算想为国家做贡献,也要赚钱,钛合金每公斤加工价格三千块,铝合金两千,奥氏体不锈钢一千,对外报价上浮一些,具体报价还得让报价部门详细核算一下,你这边也统计一下数据和加工成本。”
沐阳只是大概算了下,铝合金和钛合金的加工难度大一些,而且密度太小,按照重量收费有些不划算。
钛合金金属3D增材加工的市场价格,精度越高是越贵,但也不能贵得太离谱。
而且金属3D增材,并不是没有代替品,太贵了没有客户愿意代工,宁愿采用传统加工方式。
如果没法加工,那就改变结构设计。
所以,沐阳不打算按照市场价格来,直接按照自己公司的情况,有钱赚就行。
也只有“廉价”,客户才愿意抛弃传统加工方式,为了效率,转为金属3D增材制造。
比如按照C919的空机总重量约42.1吨,金属结构重量占25%-30%,其中铝合金和钛合金估计占15%-20%,有必须采用金属增材制造的铝合金和钛合金重量大概有3-5吨。
如果按照星海集团给上飞公司的金属3D增材加工报价,这架飞机的金属3D增材代加工成本就需要750万-1250万元。
而C919报价为0.9亿美刀,折合6亿多,相对售价而言,近千万不算多,但也不算少了,主要是生产效率快。
只需要三五台设备,如果生产无故障的话,一个月时间内就能完成制造任务,而且优化设计后,重量可轻10%以上。
若是采用传统制造方法,半年时间内都不一定能搞定。
采用金属3D增材制造方法,可以大大缩短生产周期,那几百万近千万元的加工费,根本不是事儿。
只要星海集团愿意降低加工价格,这个市场规模就非常大,只要产能足够,光搞代加工,一年随随便便拿下一百亿美刀的订单。
没错,就是一百亿美刀以上!
按照沐阳给上飞公司的报价,就相当于4万吨金属材料的加工量!
仅需要500-1000台金属增材3D设备,几千名员工。
当然,这只是沐阳的理想估算,或者说,他低估了这个市场,反正有很大搞头。
如果他这么搞,全球所有从事金属3D增材设备的企业多半要倒闭。
卖设备?
在前期,那是不可能的,卖贵了没有客户愿意买,而且买的客户,肯定是同行买回来拆解研究。
每台设备可以产出一千万美刀的产值,卖便宜了,沐阳也不乐意,而且,别人有了这一类设备,加工实力发生质的提升,这类设备就跟光刻机一样,最好自己垄断。
想到这点,沐阳回办公室,让战略部门再好好调研一下。
同时,公司研发金属3D增材设备成功,可以转到下一个研发重点:顶尖数控机床!
工业母机,是时候搞一搞了。
而且,伺服电机和编码器的研发成功,也是时候攻研工业机器人了。
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