使用增材制造实现成本的节约，不仅在于去除不必要的材料，还在于在生产过程中运用增材制造技术将清除掉多余的无用功和图纸解读后的生产工艺信息数字化，并加以保存。Lockheed Martin公司正追循着这个理念。

不同于当今产品设计和制造方式的思维，Lockheed Martin太空系统公司希望利用增材制造的理念，来获得全数字化的产品开发过程。

由于增材制造可以完全按照设计形状创造任意造型，生产步骤偏离设计的问题也同样解决。在理论上，使用增材制造就没有必要根据技术数据的解读，如尺寸和公差，进行模型制作，生产的重点直接放在这些技术数字上，而不用再顾及设计意图。这个理念在思维上是真正的创新，也正是Lockheed Martin公司的愿景，不仅是照搬增材制造，也不仅是在制造方面运用增材制造，而是要把增材制造导入到整个产品的开发过程中。Lockheed Martin公司将这个愿景称作“数字层”。

做不可能的事

在卫星和无人航天器的生产中，成品部件的增材制造进程往往缓慢而且谨慎，这是必须的。如果要用物理距离来衡量增材制造的先进性的话，那么太空系统公司则比任何一家公司走得更远，因为运用增材制造生产的波导支架，作为NASA朱诺号航天器的部件，已经在飞往木星的路上了（图1）。与用整轧坯料进行切削加工相比，这些支架的生产，在Arcam电子束熔融设备（EBM）上用钛金属实现了近净成形。

图1  “朱诺”号飞船（上图）上使用了一些早期增材制造的产品，如波导支架，该飞船将在2016年到达木星

太空系统公司生产副总裁Dennis Little先生带领我参观了曾制造Titan火箭的Waterton工厂。工厂中除了增材制造实验室外，还为组合结构件生产扩充了接合和固化的产能，同样，数控加工生产也采用了最新购置的设备，实现了现代化产出。为了提高产能，这里的制造工程师们极有预见地将数控机床与增材制造设备并列摆放，以顾及零件加工中可能的切换。尽管在大多数情况下，增材制造并不直接置换切削加工，但Lockheed Martin公司与航天相关的产品量小且结构复杂，增材制造确实是其许多普遍的传统切削加工类产品的最好生产方式。

工厂一年前刚有了自己的EBM机床。Little先生说，太空系统公司了解增材制造的作用和能力就是通过让工程师去探索挖掘。用切削加工和其他常规方法制造出来的产品再用EBM制造一遍。看似多余的增材制造运作就是测试其是否能做的更好的一种方法。如果不行，产品开发也并不会延误，因为零件的传统加工本来就是按计划进行的。但是如果增材制造确实生产出了低成本部件，便有可能将这种成本节约的潜力展示给客户。

一个成功的案例是用在公司的新产品A2100TR卫星平台上的一套12天线抗剪连接件。如果按原设计用整块料进行切削加工，12个连接件的加工周期为425h。经过比对，增材制造生产到最终投入使用，同样12个产品仅需220h（图2）。由于他们利用增材制造自由形状加工的优势进行了重新设计，这些产品的生产仅用了一半时间，并且质量也仅为数控加工版本的一半。增材制造因此节省了时间、成本以及之后送入太空的燃料消耗。

Lockheed Martin公司在天线抗剪连接件的考虑上取得的一些进展。这个连接件的其他设计可能性还会将此更加推进一步。

图2  这个天线抗剪连接件是刚刚投入生产的卫星平台的部件，过去，这样的连接件采用切削加工生产，根据增材制造重新设计后，产品的生产周期和重量都削减了一半

Little先生介绍说，按增材制造的理念做设计的方法是：只需从产品的实际功用角度出发，去设想实现产品功用所需的最少材料。连接件有个网孔状加强结构，是个很好的例子，这结构用传统方法加工不是不切实际，而是不可能。而对Lockheed Martin公司来讲，这是一个提示。使用过增材制造的人会发现一条经验：在使用增材制造的部分，或许直到发现得出的造型只能用增材制造手段进行加工时，你才会发现设计最终是成功的。

超越尺寸与公差

与产品设计承诺密切相关的是设计过程，这个过程本身并不是要抓住某些东西，只有设计意图才是产品开发的根本，这个过程就是要把产品的设计意图体现出来。整个生产过程“数字层”对接（或趋向对接），从概念到付诸实施，是一个比仅止于加工步骤或加工作业层面的应用要大得多的设想。公司希望看到的是整个生产过程在产品工程信息上，除了一开始生成的产品数字原型外，不再依赖其他。

要弄清楚“数字层”如何重塑生产制造，让我们先看一下没有运用这一理念的传统部件生产，这种生产制造很明显不是数字化的，只是用一些独立的线性尺寸要素来标明产品的整体精度。只是将产品用2D的方式呈现在纸上，这样确定产品几何尺寸和公差的做法是任何机械加工厂都能做到的。

与之相比，“数字层”取而代之的是呈现出可靠的产品预期造型，无论何种造型，原设计中可接受的变异量都被一并打包。“数字层”不再靠计算性公差来判定产品是否突破变异量，而是用自身生成的变异量直接比对来保证产品的质量。

用于比对的数据通过扫描部件和扫描设计造型获得。Little先生说：“无论如何，达到这一目的效率更高的方式是验证产品制造过程中形状的保真度，确保其达到需要的精度。”但生产现场没有哪个量具能完全适合计量任何一个尺寸和公差，也就是说，没有哪个体现产品的数值完全能达到机械师的预期。

一直以来，这些数值还不仅起到验证的作用，它们还提供了一种交流的方式。现在，增材制造在进行完全功能化的造型，“数字层”在悄悄地执行着设计意图，并做到意图与加工无缝对接，那么，一开始就形成所设计的产品的真实形状就显得尤为重要。由于使用增材制造，产品造型可以整塑；且由于运用“数字层”的设计自由度，线性尺寸不再能定义产品，工程师们又如何商讨确定一个具体产品的设计呢？

在Lockheed Martin公司，这个问题的部分答案就是虚拟现实。Waterton工厂的一个亮点是CHIL实验室（Collaborative Human Immersive Laboratory）。带上视像仪和输入设备就可以把你带入一个数字3D场景，工程师们在CHIL实验室里协同工作，对一个组合产品或部件的造型进行数字化检验、模拟和修改。即工程师们联合参与设计创作，并且所有人相信这个造型而且只有这种造型能在生产中完全实现，通过只要关注设计部件与关联部件的最佳配合就能设计出最精确的造型，而不再需要去抓取满足功能性要求的造型的关键尺寸，还要考虑可行的加工形状。

3D打印对部件加工来说，显然是一种加工方式，而且是最适合的方式。但是，Little先生强调：“‘数字层’并不依赖增材制造。由于增材制造的运用，其速度让工厂发现材料的采购和质量是生产瓶颈，阻碍了生产的同步进行，它已经在很多方面改变了Waterton工厂的传统生产方式。在其实现‘数字层’的适宜性方面，增材制造将会以近似同样的方式重塑传统生产方式，抛开现场量具测量和过程内返工，数控加工也同样可以独立接受并依赖数字模型。”