根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，近日，麥肯錫發(fā)布了一份有關(guān)增材制造發(fā)展主流化的文件《The mainstreaming of additive manufacturing》討論經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展，增材制造如何從小眾的技術(shù)實(shí)現(xiàn)超越。

不容小覷的3D打印

內(nèi)在價(jià)值創(chuàng)造推動(dòng)走向主流

根據(jù)麥肯錫，與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法相比，增材制造技術(shù)提供了四種潛在的價(jià)值來(lái)源。

首先，增材制造生成幾乎任何 3D 形狀，這種能力使設(shè)計(jì)人員能夠自由地創(chuàng)建性能比傳統(tǒng)替代品更好或成本更低的零件。例如，空中客車(chē)公司生產(chǎn)的增材制造鈦支架比其前身輕 30%，而不會(huì)影響性能或耐用性。

其次，無(wú)需模具或固定工裝，一臺(tái)3D打印設(shè)備生產(chǎn)的每個(gè)零件都可以是獨(dú)一無(wú)二的，為大規(guī)模定制鋪平了道路。一個(gè)典型的案例是測(cè)試設(shè)備制造商 Vectoflow 使用 AM-增材制造技術(shù)（3D打?。┥a(chǎn)用于流體流量測(cè)量應(yīng)用的定制探頭。其微激光燒結(jié)工藝可實(shí)現(xiàn)緊湊和復(fù)雜的設(shè)計(jì)，并具有流線型形狀，以最大限度地減少對(duì)被測(cè)流量的影響。探頭采用多種材料制造，以適應(yīng)所需的操作環(huán)境，包括不銹鋼、鈦和各種超合金。

第三，消除耗時(shí)的模具制造可加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，從而縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。最新的阿麗亞娜 6 號(hào)火箭中使用的復(fù)雜燃料噴射器頭是作為單件整體鎳基合金零件增材制造的。該零件先前通過(guò)傳統(tǒng)方式來(lái)制造則需要由 248 個(gè)單獨(dú)加工的部件焊接在一起。

最后，AM-增材制造可以簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品的維護(hù)和支持，通過(guò)啟用數(shù)字文件按需生產(chǎn)項(xiàng)目來(lái)減少對(duì)備件庫(kù)存的需求。例如，汽車(chē)制造商梅賽德斯-奔馳現(xiàn)在使用 AM-增材制造技術(shù)為其經(jīng)典車(chē)輛生產(chǎn)備件。

根據(jù)麥肯錫對(duì)增材制造行業(yè)的分析表明，3D打印-增材制造行業(yè)已經(jīng)發(fā)展到 134 億歐元，年增長(zhǎng)率為 22%。3D打印-增材制造行業(yè)非?；钴S，有 200 多家參與企業(yè)競(jìng)相開(kāi)發(fā)新的硬件、軟件和材料。

克服技術(shù)瓶頸推動(dòng)走向主流

快速創(chuàng)新正在推動(dòng)增材制造技術(shù)性能的重大改進(jìn)，最新一代的3D打印正在克服其上一代設(shè)備的許多感知限制，例如允許生產(chǎn)懸垂部件而不需要復(fù)雜的3D打印支撐結(jié)構(gòu)，或者通過(guò)使用磁場(chǎng)控制纖維增強(qiáng)物的對(duì)齊來(lái)制造更堅(jiān)固的部件。此外，可用于增材制造系統(tǒng)的材料范圍不斷擴(kuò)大，包括高強(qiáng)度鋁合金和醫(yī)療級(jí)塑料材料。

AM-增材制造（3D打?。┫到y(tǒng)也變得越來(lái)越快。例如，最近基于選擇性激光燒結(jié) (SLS) 的系統(tǒng)使用多達(dá)一百萬(wàn)個(gè)激光二極管來(lái)加速零件的生產(chǎn)。

另一方面，軟件和后處理技術(shù)的改進(jìn)正在進(jìn)一步簡(jiǎn)化從概念到成品組件的端到端的過(guò)程。3D打印-增材制造技術(shù)與創(chuàng)成式設(shè)計(jì)非常匹配，后者使用人工智能技術(shù)來(lái)定義和優(yōu)化零件的幾何形狀。

在許多領(lǐng)域，AM-增材制造（3D打?。┘夹g(shù)已被廣泛接受為在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和測(cè)試期間生產(chǎn)功能原型的最快、最具成本效益的方法。增材制造技術(shù)也被應(yīng)用于越來(lái)越多的“間接”應(yīng)用，包括用于傳統(tǒng)制造機(jī)器的模具、備件和夾具。

準(zhǔn)備好迎接黃金發(fā)展期

然而，盡管有些公司已經(jīng)涉足使用增材制造直接制造最終產(chǎn)品，但目前增材制造的大規(guī)模采用仍然有限。制造商列舉了使用增材制造的四個(gè)重大障礙：

硬件：大多數(shù)增材制造機(jī)器的低速和有限的構(gòu)建體積限制了可能的應(yīng)用范圍。事實(shí)證明，低效率和尺寸限制很難集成到生產(chǎn)工作流程中。自動(dòng)化的工業(yè)增材制造生產(chǎn)單元需要用戶結(jié)合來(lái)自不同供應(yīng)商的制造、后處理和材料處理設(shè)備。

軟件：增材制造設(shè)備通常依賴(lài)于供應(yīng)商特定的控制軟件，不同機(jī)器之間或與更廣泛工廠中使用的設(shè)備和生產(chǎn)控制系統(tǒng)之間的集成有限。這使得實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的質(zhì)量和穩(wěn)定的生產(chǎn)力所需的技術(shù)和訣竅是很難獲得的。

材料：今天即使是普通的工程材料當(dāng)以適合用 AM增材制造設(shè)備加工的形式提供時(shí)，價(jià)格要貴得多。例如塑料必須專(zhuān)門(mén)為增材制造機(jī)器開(kāi)發(fā)，這是一個(gè)耗時(shí)且復(fù)雜的過(guò)程。并且將金屬合金轉(zhuǎn)化為適用于增材制造機(jī)器的粉末形式所需的額外加工大大增加了金屬材料的成本。此外，沒(méi)有足夠的可用增材制造材料，尤其是塑料，缺乏足夠的已獲得關(guān)鍵最終用途應(yīng)用全面認(rèn)證的材料。

服務(wù)：工業(yè)用戶抱怨設(shè)備供應(yīng)商目前沒(méi)有提供超出安裝和調(diào)試設(shè)備所需的高級(jí)技術(shù)支持。例如，用戶希望獲得更多幫助來(lái)改進(jìn)組件設(shè)計(jì)以適應(yīng)特定的制造流程，或者在生產(chǎn)開(kāi)始后找到提高機(jī)器質(zhì)量、可靠性和生產(chǎn)力的方法。

雖然公司已經(jīng)涉足使用增材制造直接制造最終產(chǎn)品，但該方法的大規(guī)模采用仍然有限。

最后，制造商努力弄清楚增材制造將如何使他們受益。設(shè)計(jì)工程師通常對(duì)增材制造系統(tǒng)的功能或如何為增材制造進(jìn)行設(shè)計(jì)的知識(shí)有限。簡(jiǎn)單地將現(xiàn)有組件從傳統(tǒng)制造切換到增材制造工藝很少有優(yōu)勢(shì)。相反，當(dāng)利用增材制造的獨(dú)特功能時(shí)，好處就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，例如將多個(gè)特征組合到一個(gè)組件中，以減少裝配中的零件總數(shù)或消除對(duì)后續(xù)制造或工藝步驟的需求。

如今，工業(yè)規(guī)模增材制造安裝的風(fēng)險(xiǎn)都由最終用戶承擔(dān)。而這些障礙可能使構(gòu)建使用增材制造技術(shù)直接制造的商業(yè)案例變得極其困難?？朔@些障礙是整個(gè)行業(yè)的挑戰(zhàn)，例如，3D打印設(shè)備制造商可以進(jìn)一步提高速度、端到端自動(dòng)化以及與現(xiàn)有制造系統(tǒng)的集成，而材料供應(yīng)商可以解決有關(guān)認(rèn)證、可用性和成本的問(wèn)題。

然而，雄心勃勃的制造商無(wú)需等待增材制造行業(yè)完成所有工作。盡管存在這些限制，一些工業(yè)用戶在使用增材制造直接生產(chǎn)方面取得了重大進(jìn)展，并在此過(guò)程中不斷發(fā)展知識(shí)和能力，從而隨著行業(yè)的發(fā)展取得明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

醫(yī)學(xué)奇跡

醫(yī)療器械行業(yè)是通過(guò)3D打印-增材制造成功超越這些感知限制的杰出行業(yè)?，F(xiàn)在，增材制造技術(shù)被常規(guī)和大規(guī)模應(yīng)用以生產(chǎn)各種產(chǎn)品，包括假肢和植入物、手術(shù)導(dǎo)板以及用于術(shù)前計(jì)劃或患者教育的解剖模型（圖表 1）。

制藥和醫(yī)療器械行業(yè)在使用增材制造進(jìn)行大規(guī)模直接生產(chǎn)方面處于領(lǐng)先地位。

這些應(yīng)用之所以成功，是因?yàn)樗鼈兪歉叨榷ㄖ苹?、高價(jià)值的應(yīng)用，可為患者和臨床醫(yī)生帶來(lái)傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法比擬的好處。例如，外科醫(yī)生無(wú)需花時(shí)間剃骨或塑造標(biāo)準(zhǔn)的骨科植入物，只需安裝一個(gè)定制設(shè)備，以匹配個(gè)體患者的形態(tài)。 

AM-增材制造甚至正在制藥領(lǐng)域進(jìn)行探索，使用 3D 打印技術(shù)生產(chǎn)具有定制藥物劑量和釋放特性的藥品。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)了解，2021年10月，三迭紀(jì)發(fā)布2.0時(shí)代開(kāi)放戰(zhàn)略，通過(guò)開(kāi)放技術(shù)資源，建立與全球藥企和上下游供應(yīng)商的廣泛合作，實(shí)現(xiàn)3D打印藥物技術(shù)的商業(yè)化。

AM-增材制造卓越藍(lán)圖

與此同時(shí)，其他行業(yè)的很多制造商還無(wú)法利用 AM-增材制造的優(yōu)勢(shì)，除非他們對(duì) AM-增材制造技術(shù)采取更全面的方法。這通常需要他們開(kāi)發(fā)新穎的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造流程和商業(yè)模式。醫(yī)療器械行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)表明這是可以做到的。

圖表 2 描述了一個(gè)可以幫助公司從零開(kāi)始開(kāi)發(fā)增材制造能力的框架。旨在最大程度地降低風(fēng)險(xiǎn)并保持對(duì)前期投資的要求較低，同時(shí)仍然支持組織從最初的增材制造體驗(yàn)到大規(guī)模應(yīng)用。

這種方法的核心是“AM-增材制造能力中心”，將組織的 AM-增材制造工作整合到一個(gè)地方，并作為能力、知識(shí)和最佳實(shí)踐的存儲(chǔ)庫(kù)。

一開(kāi)始，這個(gè)“AM-增材制造能力中心”可以是一個(gè)小型、敬業(yè)的團(tuán)隊(duì)，但理想情況下應(yīng)該是面向外部的，與外部合作伙伴合作發(fā)展知識(shí)和關(guān)系，并與整個(gè)組織的工程師和其他利益相關(guān)者分享所學(xué)知識(shí)。

在能力中心的帶領(lǐng)下，原型零件的生產(chǎn)是最常見(jiàn)的增材制造起點(diǎn)，此外裝配夾具的制造有助于在生產(chǎn)工程師和車(chē)間工作人員中激發(fā)興趣。

隨著對(duì)增材制造技術(shù)的了解加深，“AM-增材制造能力中心”可以開(kāi)始尋找更系統(tǒng)地應(yīng)用增材制造技術(shù)的機(jī)會(huì)。這可以通過(guò)確定AM-增材制造可以提供幫助的價(jià)值鏈中的關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如消除廢料、簡(jiǎn)化裝配、減少庫(kù)存或改進(jìn)下一代產(chǎn)品。

為了在保持投資水平可控的同時(shí)探索這些機(jī)會(huì)，企業(yè)可以采用協(xié)作方式。通過(guò)建立一個(gè)小型合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)，例如采用外部增材制造服務(wù)提供商的服務(wù)或與外部研發(fā)機(jī)構(gòu)合作，企業(yè)可以獲得嘗試不同方法和技術(shù)所需的能力和專(zhuān)業(yè)知識(shí)。

同時(shí)，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者可以密切關(guān)注未來(lái)應(yīng)用達(dá)到真正規(guī)模的機(jī)會(huì)。例如，在受監(jiān)管的行業(yè)中，對(duì)有前景的材料、設(shè)計(jì)方法和技術(shù)進(jìn)行早期認(rèn)證可以通過(guò)消除潛在的采用瓶頸來(lái)建立競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

隨著將最有前途的增材制造應(yīng)用程序投入生產(chǎn)，企業(yè)進(jìn)入了增材制造核心能力構(gòu)建和轉(zhuǎn)移階段。例如，為了更快地識(shí)別更多潛在應(yīng)用，企業(yè)可以將他們不斷增長(zhǎng)的增材制造知識(shí)編入設(shè)計(jì)工具中。這些可能包括總擁有成本 (TCO) 模型，可以輕松量化企業(yè)內(nèi)常見(jiàn)應(yīng)用程序轉(zhuǎn)向增材制造的成本和收益。同時(shí)，組織可以加強(qiáng)與生態(tài)系統(tǒng)合作伙伴的合作，以根據(jù)需要轉(zhuǎn)移知識(shí)，并開(kāi)始獲取內(nèi)部生產(chǎn)增材制造零件所需的硬件。

一旦獲得了使用增材制造直接生產(chǎn)的一些經(jīng)驗(yàn)，組織就可以進(jìn)入規(guī)模和擴(kuò)大應(yīng)用階段，將增材制造完全納入其制造技術(shù)組合。這一階段通常涉及對(duì)額外生產(chǎn)能力的投資、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制標(biāo)準(zhǔn)流程的開(kāi)發(fā)，以及工程師和操作員的進(jìn)一步技能培養(yǎng)。

總之，在作為一個(gè)小玩家?guī)资旰螅?D打印-增材制造正處于明星的風(fēng)口浪尖，這是不容小覷的技術(shù)。更快的機(jī)器、更好的材料和更智能的軟件正在幫助使 AM-增材制造成為許多現(xiàn)實(shí)世界生產(chǎn)應(yīng)用程序的現(xiàn)實(shí)解決方案。隨著技術(shù)壁壘的降低，3D打印設(shè)備制造商有責(zé)任提高對(duì)這些快速發(fā)展的技術(shù)的理解，建立使增材制造在工業(yè)世界中大放異彩所需的技能、流程和商業(yè)模式。

本文轉(zhuǎn)自 3D科學(xué)谷