根據3D科學谷的(de)市場觀(guan)察，近日(ri)，麥肯錫發布了(le)一份有(you)關增材制造發展(zhan)主流化的(de)文(wen)件(jian)《The mainstreaming of additive manufacturing》討論經(jing)過40年(nian)的(de)發展(zhan)，增材制造如何(he)從小(xiao)眾(zhong)的(de)技術(shu)實現(xian)超越(yue)。

不容小覷的3D打印

內在價值創造推動走向主流

根據麥肯錫，與傳(chuan)統的(de)生產(chan)方法相比(bi)，增(zeng)材制造技術提(ti)供了四種潛(qian)在的(de)價值來源。

首先，增材制(zhi)造(zao)生成(cheng)幾乎(hu)任(ren)何 3D 形狀，這種能(neng)力使設計(ji)人員能(neng)夠自由地(di)創建性(xing)能(neng)比傳統替代(dai)品(pin)更好或成(cheng)本更低的零(ling)件(jian)。例如，空中客車公司生產(chan)的增材制(zhi)造(zao)鈦(tai)支(zhi)架比其前身輕 30%，而不會影(ying)響性(xing)能(neng)或耐用性(xing)。

其(qi)次，無(wu)需模(mo)具或固定(ding)工裝，一臺(tai)3D打(da)印設備(bei)生產的(de)每個零件都可以是獨一無(wu)二的(de)，為大規模(mo)定(ding)制(zhi)鋪平了道路。一個典型的(de)案例(li)是測試設備(bei)制(zhi)造商(shang) Vectoflow 使用(yong)(yong) AM-增材(cai)制(zhi)造技術（3D打(da)印）生產用(yong)(yong)于流(liu)體流(liu)量(liang)測量(liang)應用(yong)(yong)的(de)定(ding)制(zhi)探頭(tou)。其(qi)微激光燒(shao)結(jie)工藝可實現緊湊(cou)和復雜(za)的(de)設計，并具有流(liu)線型形狀，以最大限度地(di)減(jian)少對(dui)被測流(liu)量(liang)的(de)影響。探頭(tou)采用(yong)(yong)多種材(cai)料制(zhi)造，以適應所需的(de)操作環(huan)境，包括不(bu)銹鋼、鈦和各種超合金。

第三，消(xiao)除(chu)耗時的模具制造(zao)可加(jia)速產品(pin)開發(fa)和生產，從而縮(suo)短(duan)產品(pin)上(shang)市(shi)時間。最新的阿麗亞娜 6 號火箭中使(shi)用的復(fu)雜燃料噴射(she)器頭是(shi)作(zuo)為單(dan)件整體鎳基合(he)金(jin)零(ling)件增(zeng)材制造(zao)的。該零(ling)件先前通過傳統方式來制造(zao)則需要由 248 個(ge)單(dan)獨加(jia)工的部件焊接在一起。

最后，AM-增(zeng)材制(zhi)造可以簡化現場產品的維護和支(zhi)持，通過(guo)啟用數(shu)字文件按(an)需生產項目來(lai)減少對備件庫存的需求。例如，汽車(che)制(zhi)造商梅(mei)賽德(de)斯-奔馳現在使用 AM-增(zeng)材制(zhi)造技(ji)術為(wei)其經典車(che)輛生產備件。

根據麥肯錫對增(zeng)材制造行業(ye)的分(fen)析表明，3D打(da)(da)印-增(zeng)材制造行業(ye)已經發展到(dao) 134 億歐元，年增(zeng)長(chang)率為(wei) 22%。3D打(da)(da)印-增(zeng)材制造行業(ye)非常(chang)活躍，有 200 多(duo)家參與企業(ye)競相開發新(xin)的硬件、軟件和材料。

克服技術瓶頸推動走向主流

快速創新(xin)正(zheng)在(zai)(zai)推動增(zeng)材(cai)制(zhi)造技術性能的(de)(de)重大改(gai)進，最新(xin)一(yi)代(dai)的(de)(de)3D打(da)(da)印正(zheng)在(zai)(zai)克服其上一(yi)代(dai)設備的(de)(de)許多感知限(xian)制(zhi)，例如允許生產懸垂部(bu)件而不需(xu)要(yao)復(fu)雜的(de)(de)3D打(da)(da)印支撐結構，或者通過(guo)使用(yong)磁場控制(zhi)纖維增(zeng)強物(wu)的(de)(de)對齊來制(zhi)造更堅(jian)固的(de)(de)部(bu)件。此外，可(ke)用(yong)于增(zeng)材(cai)制(zhi)造系統的(de)(de)材(cai)料范圍不斷擴(kuo)大，包括高(gao)強度鋁合金(jin)和醫療(liao)級塑料材(cai)料。

AM-增(zeng)材制造（3D打印(yin)）系統也變得越來(lai)越快。例如(ru)，最近基于(yu)選擇性激光燒結 (SLS) 的系統使(shi)用多達一(yi)百萬個激光二極(ji)管來(lai)加速零件的生產。

另一(yi)方(fang)面，軟件和后處理技(ji)術的改進(jin)正在進(jin)一(yi)步簡化(hua)從概念到成(cheng)(cheng)品組件的端到端的過(guo)程(cheng)。3D打(da)印(yin)-增材制造技(ji)術與創成(cheng)(cheng)式設計非常(chang)匹配(pei)，后者使用人工智能(neng)技(ji)術來(lai)定(ding)義和優化(hua)零件的幾何形狀。

在許多領域(yu)，AM-增材制(zhi)造(zao)（3D打印）技術已被(bei)廣(guang)泛接受為在產品開(kai)發和(he)(he)測(ce)試期間(jian)生產功能(neng)原型的(de)最快、最具成本效益的(de)方法。增材制(zhi)造(zao)技術也被(bei)應用于越(yue)來越(yue)多的(de)“間(jian)接”應用，包括用于傳(chuan)統制(zhi)造(zao)機(ji)器的(de)模(mo)具、備件和(he)(he)夾(jia)具。

準備好迎接黃金發展期

然(ran)而(er)，盡管有(you)些公司已經涉足使用(yong)增材制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)直接制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)最終(zhong)產品，但目前增材制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)的(de)大規模采用(yong)仍然(ran)有(you)限。制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)商列舉了使用(yong)增材制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)的(de)四個重大障礙(ai)：

硬件：大多數(shu)增材制(zhi)造(zao)機器的(de)(de)(de)低(di)速和有限(xian)的(de)(de)(de)構建體積限(xian)制(zhi)了可能(neng)的(de)(de)(de)應用范圍。事實證明(ming)，低(di)效率和尺寸限(xian)制(zhi)很(hen)難(nan)集成到生產工作(zuo)流(liu)程中。自動化的(de)(de)(de)工業(ye)增材制(zhi)造(zao)生產單元需要用戶(hu)結(jie)合來自不同供應商的(de)(de)(de)制(zhi)造(zao)、后(hou)處(chu)理和材料(liao)處(chu)理設備。

軟件：增材制(zhi)(zhi)造設備通常依賴(lai)于供應商(shang)特定的(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)軟(ruan)件，不同機器之間或與(yu)更廣泛工(gong)廠中使用(yong)的(de)(de)(de)(de)設備和(he)生(sheng)產(chan)控(kong)制(zhi)(zhi)系統(tong)之間的(de)(de)(de)(de)集成(cheng)有(you)限(xian)。這(zhe)使得實現穩定的(de)(de)(de)(de)質量和(he)穩定的(de)(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)力所需的(de)(de)(de)(de)技(ji)術和(he)訣竅(qiao)是很難(nan)獲(huo)得的(de)(de)(de)(de)。

材料：今天即使是普通的(de)(de)(de)工(gong)程材(cai)(cai)(cai)料當以適合用(yong)(yong) AM增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制造設備加(jia)工(gong)的(de)(de)(de)形式提(ti)供(gong)時，價格要貴得多。例如(ru)塑料必須專門為(wei)增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制造機器(qi)開發，這是一個耗時且復雜的(de)(de)(de)過程。并(bing)且將(jiang)金(jin)屬合金(jin)轉化(hua)為(wei)適用(yong)(yong)于增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制造機器(qi)的(de)(de)(de)粉末形式所(suo)需的(de)(de)(de)額外加(jia)工(gong)大(da)大(da)增(zeng)加(jia)了金(jin)屬材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)(de)成本。此外，沒有足夠的(de)(de)(de)可用(yong)(yong)增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制造材(cai)(cai)(cai)料，尤其是塑料，缺乏(fa)足夠的(de)(de)(de)已獲得關鍵最(zui)終用(yong)(yong)途應(ying)用(yong)(yong)全面認(ren)證的(de)(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料。

服務：工業用戶抱怨(yuan)設備(bei)供應(ying)商目(mu)前沒有提(ti)(ti)供超出安裝和調試設備(bei)所需的高級技(ji)術支(zhi)持。例如，用戶希望獲得更多幫助來(lai)改(gai)進組件設計以適應(ying)特定的制造(zao)流(liu)程，或者在生產開始后找(zhao)到(dao)提(ti)(ti)高機器(qi)質(zhi)量、可靠性(xing)和生產力的方法。

雖然公司已經(jing)涉(she)足使(shi)用增(zeng)材制造直接制造最終產品，但該方法的(de)大規模采用仍然有限。

最后，制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)商(shang)努力(li)弄清楚增(zeng)(zeng)材制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)將如何(he)使他們受益。設計工程師通常對增(zeng)(zeng)材制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)系(xi)統的功能或(huo)如何(he)為增(zeng)(zeng)材制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)進行(xing)設計的知識有限。簡單地將現有組件從傳統制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)切(qie)換到增(zeng)(zeng)材制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)工藝(yi)很少(shao)有優勢。相反，當利用增(zeng)(zeng)材制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)的獨特功能時，好處(chu)就會顯現出來，例(li)如將多個(ge)特征組合到一個(ge)組件中，以減少(shao)裝配中的零件總數或(huo)消除對后續(xu)制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)或(huo)工藝(yi)步驟(zou)的需求。

如今，工業(ye)規模增(zeng)材制(zhi)(zhi)造安裝的(de)風險都由最終(zhong)用(yong)戶承擔(dan)。而這(zhe)些障礙可(ke)能使構(gou)建使用(yong)增(zeng)材制(zhi)(zhi)造技術(shu)直接制(zhi)(zhi)造的(de)商業(ye)案(an)例變得極(ji)其(qi)困難。克服這(zhe)些障礙是整個行業(ye)的(de)挑戰，例如，3D打印(yin)設備(bei)制(zhi)(zhi)造商可(ke)以進一步提高(gao)速度、端到端自動化以及(ji)與現有制(zhi)(zhi)造系(xi)統的(de)集成(cheng)，而材料供應商可(ke)以解(jie)決有關認證、可(ke)用(yong)性(xing)和成(cheng)本的(de)問(wen)題。

然而，雄(xiong)心(xin)勃(bo)勃(bo)的(de)制造商(shang)無(wu)需等(deng)待增材制造行業完成所有(you)工作。盡管存(cun)在這些(xie)限(xian)制，一些(xie)工業用(yong)戶在使用(yong)增材制造直(zhi)接生產方面取得了重大進展(zhan)，并在此過程中(zhong)不斷發展(zhan)知(zhi)識和(he)能力(li)，從而隨(sui)著行業的(de)發展(zhan)取得明顯的(de)競爭優(you)勢(shi)。

醫(yi)學奇跡

醫療器械行業(ye)是通過3D打印(yin)-增(zeng)材(cai)制(zhi)造成功超越這些感知(zhi)限制(zhi)的杰出行業(ye)。現在，增(zeng)材(cai)制(zhi)造技術被常規(gui)和大(da)規(gui)模(mo)應用以生(sheng)產各(ge)種產品(pin)，包(bao)括假肢(zhi)和植(zhi)入(ru)物(wu)、手術導板以及用于術前計劃(hua)或患者教育的解剖(pou)模(mo)型（圖表 1）。

制藥和醫療器械行(xing)業在使用(yong)增(zeng)材制造進行(xing)大(da)規(gui)模直接生產方面處于領先地位(wei)。

這些應用之所以成功，是(shi)因為它們是(shi)高(gao)度定制(zhi)化(hua)、高(gao)價(jia)值(zhi)的(de)(de)應用，可為患(huan)者(zhe)和臨床醫生帶來傳統制(zhi)造技(ji)術無(wu)法比擬(ni)的(de)(de)好處。例如，外科醫生無(wu)需(xu)花時(shi)間剃骨(gu)或塑造標準(zhun)的(de)(de)骨(gu)科植入物，只需(xu)安裝一個定制(zhi)設備，以匹配(pei)個體患(huan)者(zhe)的(de)(de)形態。 

AM-增材制造甚至(zhi)正在制藥(yao)(yao)(yao)領域(yu)進行探索，使用 3D 打印(yin)技術(shu)生產具有定制藥(yao)(yao)(yao)物劑量(liang)和(he)(he)釋放特(te)性的藥(yao)(yao)(yao)品。根據(ju)3D科學谷(gu)的市場(chang)了解，2021年10月(yue)，三迭紀發(fa)布2.0時代開放戰略(lve)，通過開放技術(shu)資源(yuan)，建立與全球藥(yao)(yao)(yao)企和(he)(he)上下(xia)游供(gong)應商(shang)的廣泛合作，實現3D打印(yin)藥(yao)(yao)(yao)物技術(shu)的商(shang)業化。

AM-增材制造卓越藍圖

與(yu)此同時(shi)，其他行業(ye)(ye)的(de)很多制(zhi)造(zao)(zao)商還無法(fa)利用 AM-增材制(zhi)造(zao)(zao)的(de)優勢(shi)，除非(fei)他們(men)對 AM-增材制(zhi)造(zao)(zao)技術(shu)采取更全面(mian)的(de)方(fang)法(fa)。這通(tong)常需要他們(men)開發(fa)新穎的(de)產品設計、制(zhi)造(zao)(zao)流程和(he)商業(ye)(ye)模式。醫療器械行業(ye)(ye)的(de)經驗表明這是可(ke)以做到的(de)。

圖(tu)表 2 描(miao)述(shu)了(le)一個(ge)可以幫助(zhu)公司從零開(kai)始開(kai)發增材制(zhi)造(zao)能力的框架(jia)。旨在最大(da)程度地降低(di)風險并保持對(dui)前期投資(zi)的要求較低(di)，同時仍然支持組織從最初(chu)的增材制(zhi)造(zao)體驗到大(da)規模應用(yong)。

這種方法的核心是“AM-增材制造能力(li)中心”，將組織(zhi)的 AM-增材制造工(gong)作整合到一(yi)個地(di)方，并作為(wei)能力(li)、知識和最(zui)佳實(shi)踐的存儲庫。

一開始，這個(ge)“AM-增材制造能力中心”可以(yi)是(shi)一個(ge)小型、敬(jing)業的(de)(de)團隊(dui)，但理想(xiang)情況下(xia)應該是(shi)面向(xiang)外部的(de)(de)，與(yu)外部合(he)作伙伴合(he)作發展知識和(he)關(guan)系，并與(yu)整個(ge)組織(zhi)的(de)(de)工程師(shi)和(he)其他利益(yi)相關(guan)者(zhe)分享所學(xue)知識。

在(zai)能力中心的帶(dai)領下，原型(xing)零件(jian)的生(sheng)產是最(zui)常見的增材(cai)制造(zao)起點(dian)，此外裝配夾具的制造(zao)有(you)助于在(zai)生(sheng)產工(gong)(gong)程師和車間工(gong)(gong)作人員中激發興(xing)趣。

隨著對增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制造(zao)技(ji)術的(de)了(le)解加深，“AM-增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制造(zao)能力中心(xin)”可以開始尋找更系(xi)統(tong)地應用(yong)增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制造(zao)技(ji)術的(de)機會。這可以通過確(que)定AM-增(zeng)材(cai)(cai)(cai)制造(zao)可以提供幫助(zhu)的(de)價(jia)值鏈中的(de)關鍵點來實現，例如消除廢料、簡(jian)化裝配、減(jian)少庫存(cun)或改進下(xia)一代產品(pin)。

為了在保持投資(zi)水平可(ke)控的(de)同時(shi)探索這些機會，企業可(ke)以(yi)(yi)采用協作方式。通過建立一個小型合作伙伴生態系(xi)統，例如采用外部增材制造服務提供商的(de)服務或與外部研發機構(gou)合作，企業可(ke)以(yi)(yi)獲得嘗試不同方法和(he)技術所需的(de)能力和(he)專業知(zhi)識。

同時，企業領導者(zhe)可(ke)以密切關注未(wei)來應(ying)用達到真正規模的機會(hui)。例如，在受監管的行(xing)業中，對有(you)前(qian)景的材(cai)料、設計(ji)方法和技術進行(xing)早期認證可(ke)以通過消除潛在的采用瓶頸來建立競(jing)爭優勢。

隨著將最有(you)前途的增(zeng)(zeng)材制(zhi)造(zao)應用(yong)程序投入生(sheng)(sheng)產，企業進入了(le)增(zeng)(zeng)材制(zhi)造(zao)核心能力構(gou)建和轉移階段(duan)。例(li)如，為了(le)更快地識別更多潛在應用(yong)，企業可(ke)(ke)以將他(ta)們不斷增(zeng)(zeng)長的增(zeng)(zeng)材制(zhi)造(zao)知識編入設計工具中。這些可(ke)(ke)能包括總擁有(you)成本(ben) (TCO) 模型，可(ke)(ke)以輕松量化(hua)企業內常見應用(yong)程序轉向增(zeng)(zeng)材制(zhi)造(zao)的成本(ben)和收益(yi)。同(tong)時(shi)，組織可(ke)(ke)以加強(qiang)與生(sheng)(sheng)態系統(tong)合(he)作伙伴的合(he)作，以根據需(xu)要轉移知識，并開始獲取內部生(sheng)(sheng)產增(zeng)(zeng)材制(zhi)造(zao)零件所需(xu)的硬件。

一旦獲得(de)了使(shi)用增材(cai)制(zhi)造(zao)直接生(sheng)產的一些(xie)經驗，組(zu)織就可以進入規模和(he)擴大應用階段，將增材(cai)制(zhi)造(zao)完全納入其(qi)制(zhi)造(zao)技(ji)術(shu)組(zu)合(he)。這一階段通常涉及對額外生(sheng)產能力的投資、設計和(he)生(sheng)產控制(zhi)標準(zhun)流(liu)程的開發，以及工程師和(he)操作(zuo)員的進一步(bu)技(ji)能培養。

總之(zhi)，在(zai)作為(wei)一個小(xiao)玩(wan)家幾(ji)十年后，3D打印-增(zeng)材制造(zao)(zao)正處于明星的(de)(de)風口浪尖(jian)，這(zhe)是不(bu)容小(xiao)覷的(de)(de)技(ji)(ji)術(shu)。更快的(de)(de)機器、更好的(de)(de)材料和(he)更智能的(de)(de)軟件正在(zai)幫助(zhu)使 AM-增(zeng)材制造(zao)(zao)成為(wei)許(xu)多(duo)現實(shi)(shi)世界(jie)生產應(ying)用程序的(de)(de)現實(shi)(shi)解(jie)決方案。隨著技(ji)(ji)術(shu)壁(bi)壘的(de)(de)降低，3D打印設備制造(zao)(zao)商有責任提高對這(zhe)些快速發展的(de)(de)技(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)理解(jie)，建立使增(zeng)材制造(zao)(zao)在(zai)工業世界(jie)中大放異彩所需的(de)(de)技(ji)(ji)能、流程和(he)商業模(mo)式。

本文轉自 3D科學谷