在波音公司，我所在的团队称为 BAM（波音增材制造），将自己视为产品开发的加速器。我们对增材制造 (AM) 的关注包括金属和聚合物飞行部件的制造，以及协助我们的工厂工人和研究工程师快速制造工具和车间辅助工具、符合人体工程学的工厂辅助工具和研究模型。
我们的金属增材制造时间表始于 2001 年，当时我们的第一个钛线合金部件用于 X-37A。多年来，我们有条不紊地进行，使我们的 Ti 线技术成熟，同时着手进行粉末床融合技术。到 2017 年，我们在每架 787 梦幻客机上都安装了 Ti-wire 部件。 2018 年，我们为 pa 的卫星系列生产了可展开的离子发动机支架其他三个增材制造组件的组装图。今天，我们有超过 70,000 个 AM 部件在波音产品中飞行，包括聚合物和金属。
在波音之外，该行业也取得了显着的里程碑。我想我们都同意 GE Additive 在 2015 年凭借其 LEAP 燃料喷嘴做出了重大贡献。该喷嘴重量减轻了 25%，并将 20 个部件整合为一个部件。一旦全速生产，每年将生产 36,000 个这样的部件。
最近，GE Additive 获得了美国联邦航空管理局 (FAA) 的批准，为其将要飞行的 GE9X 发动机生产 228 个金属增材制造涡轮叶片部件在 777X 上，它们的重量减轻了 30%，并有助于将发动机性能提高 10%。
现在有人可能会问，增材制造的下一步是什么？我听到很多人说他们“只需要找到下一个燃料喷嘴”。 LEAP 燃料喷嘴是 AM 领域的一项显着进步，它展示了它的许多优点优点。但是，将 AM 限制为寻找下一个燃料喷嘴作为 AM 旅程的最终目的地，对我来说，类似于比尔盖茨的名言（他否认说），“没有人需要超过 640K内存。”不管他是否说过，增材制造的潜力远比寻找另一种燃料喷嘴应用大得多。
也就是说，随着我们继续开发、定义和定义应用程序，我们在前进的道路上面临着机遇和挑战。意识到 AM 可以提供的全部好处。
工程文化：我指的文化是指工程师着手进行新产品设计时的“增材优先”心态。向这种文化思维方式的转变对于在插入新产品时实现增材制造的全部优势是必要的。作为一个社区，我们不能简单地要求这种文化转变；相反，它必须通过对 AM 科学的深刻理解和通过创建数据库来获得表现出可重复和可靠的性能。
用于批量生产的工业化机器：我所说的工业化并不是指在工厂中放置机器人来为机器提供服务；相反，我指的是增材制造机器主要是一次性制造的，两台机器很少有完全相同的材料清单。例如，布线方案和管道方案在两台相同型号的机器中会有所不同。如果机器制造商要在机器之间提供统一的性能，就需要将机器的制造方式工业化。
工业 4.0：这非常重要，将使我们能够通过连接在效率和质量方面取得积极成果我们的工厂通过传感器并将这些数据编织到我们的数字线程中，从而提供执行数据驱动分析并为我们的端到端价值流提供反馈的能力。
作为可持续发展驱动因素的增材制造：增材制造是可持续发展的驱动力，因为它使用更少的材料来制造零件。这意味着在价值流的早期阶段，碳足迹减少了，因为从地球上开采、转化和运输到印刷点的材料减少了。然后在制造过程中，我们回收未使用的材料。我们在没有支撑结构的情况下的设计也变得更加聪明，如果我们使用它们，我们正在探索如何回收它们。在价值流的性能端，AM 允许部件重量更轻，占用的体积更小，从而使车辆更加流线型，运行所需的燃料更少。
产品差异化：我们开始将我们的重点从零件优化转向产品差异化。我们着眼于如何使用集成的零件系统来减少体积和组装，而不是逐个零件更换。我们还采用 AM 以传统制造无法实现的方式在狭小、奇特的空间中进行设计，并在我们的设计中增加功能性和复杂性s.
规模化：随着工程文化的变革、工业化机器支持的必要数据和规范，再加上数字化集成工厂，我们可以开始考虑规模化。如果规模没有在机构内部垂直整合，那么供应链生态系统需要发展、培育和支持，包括从原材料、印刷能力、后处理、测试和检验的每一个环节。
更快, 更清洁、更便宜、更智能
增材制造的附加值是多少？我喜欢从三个不同的层面来看待它。
第一个是零件层面。例如，我们的孔径冷板是多功能的——它是一个热交换器、一个结构部件和一个波导。它展示了增材制造的附加值，将许多部件整合为一个部件，使产品更便宜、更快、更智能、更耐用。我们有许多例子，我们在波音公司通过增材制造实现了不同类型的价值。有在我们将程序进度减少了 10 倍的情况，以及传统组装部件未通过测试而 AM 对应部件通过测试的其他情况。零件级价值非常重要，并不总是以美元衡量。
增材制造增加的第二种价值是产品级价值。在波音，我们正在为 AM 进行设计并创建传统方法无法制造的组件。我们寻求使用 AM 来制造差异化的车辆，而不仅仅是差异化的零件。
最后，还有计划价值。我的意思是，我们可能会因为添加剂内容而赢得项目奖，或者因为使用添加剂可以让我们更快地交付，或者以更低的成本制造。我们使用添加剂来帮助加速设计上市，这可以通过添加剂插入或通过原型设计、模型和工具支持我们的工程师。项目价值在于可持续性。我们认为，AM 带来的积极的可持续性交易是关键项目 v价值驱动因素。
增材制造让您可以通过改进功能和性能来使您的产品脱颖而出。它允许一种策略来适应更快、更清洁、更便宜和更智能的产品开发的移动环境。
循环经济的全部内容
增材制造是可持续发展的驱动力：在循环制造周期中，增材制造在每一步都有帮助。
例如，与传统的减材制造相比，增材制造本质上使用更少的材料，因此价值流的前端导致碳足迹减少（原材料开采、转化和运输到使用点）。此外，增材制造能够设计出传统上难以或不可能加工的轻型、拓扑优化零件。因此 AM 提供正 s可持续性涉及我们制造零件的方式和零件的性能。此外，AM 允许您在使用点进行打印，从而减少运输过程中产生的碳足迹。
最后，我们可以使用 AM 使产品更耐用。我们已经证明，在波音公司，以前用螺栓固定组件但使用添加剂的零件变成了加固的整体零件。这些部件更耐用，经受住了先前螺栓组件失败的测试。因此，预计这些类型的增材部件的使用寿命会更长，更换频率也会降低。
增材是为了规模，而不仅仅是增材
当人们说“规模”，他们通常建议这意味着购买 50 台打印机，故事结束。但是，在我们能够有效地扩展之前，我们必须先做很多功课。
正如我之前所暗示的，在我们能够扩展之前，需要做几件事。它们包括：
提高速度和AM 机器的准确性。
创建等效框架。当我们为设计许可创建数据库时，我们会在特定机器类型上创建它。当我们希望搭载一台更快、更大、质量更好的新机器时，我们是否需要从头开始创建相同的数据库？有必要创建一个等效框架，这样我们就可以利用我们已经收集到的数据，从而能够敏捷地采用最新技术并减少资源。
确保我们的源材料是一致的，并监控质量以确保其不受污染。
如果我们想要可重复且可靠的结果，请自动进行后处理。当前的大部分后处理都是通过蛮力手动操作执行的，这种操作不可扩展且容易出现不一致。
修复脱节的 AM 生态系统。 （有些人会说它甚至没有脱节，它不存在。）我们需要培育生态系统 of 端到端的价值流。制定行业规范，让供应商成为重要的贡献者，并通过培训应对劳动力挑战。
创建数字基础设施，以便我们可以收集所有数据并将其连接到数字线程。这对于规模和质量都极为重要。在波音，我们的端到端价值流有超过 40% 是数字连接的，我估计到 2022 年底我们将有超过 50% 的连接。通过我们的数字连接价值流提供的学习，我们已经看到质量的巨大改进。
避免瓶颈：我们需要在扩展时考虑整个端到端的价值流——并扩展每个方面按比例。如果我在生产的一个领域非常快，但在价值流的某个地方遇到了瓶颈，那么上游速度的提高就没有意义，我的生产率现在取决于通过瓶颈的速度。因此，每一个价值流的各个方面需要根据完成该特定工作所需的时间按比例缩放。
我们都是西西弗斯
有时感觉我们就像西西弗斯，将一块巨石推上一座山，其中巨石代表我们以敏捷方式实现可重复和可靠打印的目标，而山则代表我们为实现规模化而必须克服的一切障碍。
那些阻碍我们前进的障碍是什么从到达顶部？我们需要确保原始设备制造商制造的机器实现工业化。这并不意味着我们有一个很好的机器人平台可以将粉末从这里移动到那里。这对我来说意味着每台相同型号的机器都完全相同。它们具有相同的材料清单、相同的管道和相同的布线。如果他们不这样做，他们就是两台不同的机器。我们必须确保安装相同（例如，它们的放置方式、公用设施连接的管道细节等）.否则，它们是两台不同的机器。
另一个需要解决的问题是机器数据访问。增材制造是一个数字化过程，每一步都有大量数据驱动，每一步都会产生大量数据。为了优化我们的机器性能（或排除异常机器行为），我们需要访问该数据。我们发现航空航天工业对加工材料的特性有着极其严格的要求，因此需要对机器进行优化。许多 OEM 不允许访问数据，这对航空航天和国防工业来说是个问题。
那么您如何处理这些数据？ AM 创造了数 TB 的数据。你是如何管理的？ OEM 之间的协议不同，这导致我们的 e工程师花费大量时间将数据转换为标准化格式，以便我们的系统能够消化它，使我们的工程师和科学家能够从中学习。如果 OEM 有标准化的数据格式，那将是有益的。
还要考虑业务案例。在我们甚至考虑创建零件或零件系统之前，我们应该做的第一件事就是进行贸易研究。使用增材制造有意义吗？如果 AM 不提供额外价值，有时用传统制造方法制造零件可能会更好。提高业务是设计许可的可用性。因为没有航空航天的设计许可，我们通过点设计进行认证，这需要大量测试，侵蚀了我们的业务案例。
因此，我们有设计许可，这是一个由数千个测试样片组成的数据库提供我们加工材料的统计显着性的数据。设计许可允许通过分析进行认证sis 的测试要少得多。因此，设计允许值提供了更好的业务案例，并为工程师提供了他们设计增材制造所需的数据。
但是，当我们从中获得这些设计允许值的那些机器变得过时时，我们该怎么办？我们是否只是因为那是我们拥有数据的地方而继续使用它们？我重复一遍是因为这非常重要——我们确实需要创建一个可重复使用的等效框架，以便通过创建一个数据子集来利用现有数据，证明新机器数据与我们的数据是一致的，从而让下一代机器上线。以前生成的数据库。目前还不存在该标准化框架。
降低风险非常重要，因为工程师接受过设计风险降低的培训。这是正确的做法，但在这种情况下，他们会选择为已经积累了数十年价值的数据的制造模式进行设计。它的我们的工作是使用新的 AM 系统为他们创建数据，不是几十年的数据，而是在零件的预期操作条件下展示可重复和可靠的材料和机械性能的数据。
AM 需要与设计师交流
增材制造社区的工作就是做好功课，向设计工程师证明我们了解流程的基础科学。我们了解如何降低风险并有数据来证明这一点。这是工程师选择增材设计的唯一方式，并鼓励采用纯增材解决方案，而没有针对传统制造设计的“b 计划”。为传统设计制定“b 计划”意味着“a 计划”（增材制造解决方案）未得到优化，增材制造的全部优势并未实现。工程师不会冒险设计纯 AM 解决方案，直到我们完成作业并获得证明每个零件的数据在冶金学、机械学和几何学上相同。
我们如何证明？本次讨论的主题是航空航天和国防增材制造，它与汽车、工业、消费品等有不同的要求。例如，对于美国联邦航空局的认证，我们通过点设计或设计允许分析进行认证。无论是哪种类型的认证，我们都必须证明我们选择了一个以参数空间为中心的激光参数，这样如果激光功率、速度或其他机器属性有微小变化，则参数的变化会导致材料特性的微小变化。
在未来，我们可能会选择放弃使用固定参数进行验证，因为几何的固定参数非常复杂的零件可能并不总是驱动零件内的最佳材料特性。我们可能会考虑在未来通过熔池特性或我们在构建过程中保持不变的其他现场工艺变量进行认证。
这些是未来需要考虑的事情，它们会影响零件质量”是我们进步的基石。许多近期的行业趋势，如现场监测和物联网，将帮助我们实现目标。
近期的行业趋势始于物联网 (IoT)，它始于嵌入日常消费品的传感器，以及然后转移到工业机器。粉末床机器中的现场监控是物联网的一个例子，其中关于我们之间交互的信息en 热源和粉末床通过互联网流入我们的数据库以供发现、分析和学习。后来出现了工业 4.0，这是工厂中机器的互连，以帮助控制质量和提高效率。
最近出现了数字主线——这是我们在波音公司正在努力的事情。将我们的端到端价值流数据连接到数字线程，使我们能够使用该信息进行分析，例如数据驱动建模、基于物理的建模的证实、混合模型的创建、机器学习和人工智能的使用，并将智能推回到我们的价值链中以进行优化。
端到端价值流的数字主线集成有助于提高质量和效率。它支持使用数据生成数据驱动的模型，这些模型提供的学习可以加速我们的 AM 成熟度。这些学习使对 AM 的深刻理解成为可能能够降低风险。风险的缓解让我们回到工程文化。
眼不见为净
一旦我们向我们的客户、监管机构和利益相关者证明我们对 AM 拥有深刻的科学理解，能够降低风险，AM 可以成为一种标准的、可行的制造选项，可用于创建差异化产品，而不仅仅是差异化部件。工程师可以在没有“b 计划”、没有自我限制的“off ramp”的情况下为 AM 进行设计，可以这么说，对于传统制造。这种仅增材制造的设计将使机翼更薄、飞机更轻、卫星上的有效载荷更大、电动汽车的续航里程更长，因为我们使用增材制造解决方案来创造差异化产品，只有增材制造才能做到
威廉·福克纳 (William Faulkner) 曾说过：“只有鼓起勇气，你才能游向新的视野。””福克纳的名言以这种方式与增材制造相关：要充分利用增材制造的优势，您必须放弃“计划-b”，即传统制造。岸边是传统制造，纯增材制造解决方案是新的视野。在我们准备好远离海岸之前，我们还有工作要做，但在不久的将来，新的地平线就在眼前。
作者注：本文基于我在 RAPID + 上的主题演讲2021 年 9 月在芝加哥举行的 TCT 会议。
