根據3D科學谷(gu)的市場觀察，近日，麥肯(ken)錫發(fa)布了一份有關增材制造發(fa)展主(zhu)流化(hua)的文件《The mainstreaming of additive manufacturing》討(tao)論經過40年的發(fa)展，增材制造如何從(cong)小眾的技術(shu)實現超越。

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，與傳統(tong)的(de)生產方(fang)法相比，增(zeng)材制(zhi)造技(ji)術提供了四(si)種潛在的(de)價值(zhi)來源。

首先，增(zeng)材制造(zao)生成幾(ji)乎任何 3D 形(xing)狀，這種能(neng)力使設計人(ren)員能(neng)夠自(zi)由地創(chuang)建性能(neng)比傳(chuan)統(tong)替代品更好或(huo)成本更低的零件。例如(ru)，空(kong)中客車(che)公司(si)生產(chan)的增(zeng)材制造(zao)鈦支架比其前身輕 30%，而(er)不(bu)會影響性能(neng)或(huo)耐用性。

其次，無(wu)需模(mo)具或(huo)固(gu)定(ding)工(gong)裝，一臺3D打印(yin)(yin)設備(bei)生產(chan)的(de)(de)(de)(de)(de)每(mei)個零(ling)件都可以(yi)是獨一無(wu)二的(de)(de)(de)(de)(de)，為大規模(mo)定(ding)制(zhi)鋪(pu)平了道路。一個典型的(de)(de)(de)(de)(de)案(an)例(li)是測試設備(bei)制(zhi)造商 Vectoflow 使用(yong) AM-增材(cai)制(zhi)造技術(shu)（3D打印(yin)(yin)）生產(chan)用(yong)于流(liu)體流(liu)量測量應用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)定(ding)制(zhi)探(tan)頭(tou)。其微(wei)激光燒結工(gong)藝(yi)可實現(xian)緊湊(cou)和(he)復雜(za)的(de)(de)(de)(de)(de)設計，并具有流(liu)線型形狀(zhuang)，以(yi)最大限度地減少對(dui)被測流(liu)量的(de)(de)(de)(de)(de)影響。探(tan)頭(tou)采用(yong)多種(zhong)材(cai)料制(zhi)造，以(yi)適(shi)應所需的(de)(de)(de)(de)(de)操作環(huan)境，包括不銹鋼、鈦和(he)各(ge)種(zhong)超(chao)合金。

第三，消除耗(hao)時(shi)的(de)模具制(zhi)造可加速產(chan)品(pin)開發和生(sheng)產(chan)，從而縮短(duan)產(chan)品(pin)上市時(shi)間。最新的(de)阿(a)麗亞娜(na) 6 號火(huo)箭中(zhong)使用的(de)復雜燃料噴射器頭是作為單(dan)件(jian)整(zheng)體鎳(nie)基合金(jin)零件(jian)增材制(zhi)造的(de)。該零件(jian)先前通過傳統方式來制(zhi)造則(ze)需(xu)要由(you) 248 個單(dan)獨加工的(de)部件(jian)焊接(jie)在(zai)一(yi)起。

最(zui)后，AM-增材(cai)制造可以簡化現場產(chan)品的維護和支持，通過(guo)啟用(yong)(yong)數(shu)字文件(jian)(jian)(jian)按需(xu)生產(chan)項目來減(jian)少(shao)對備件(jian)(jian)(jian)庫存的需(xu)求(qiu)。例如，汽車制造商梅賽德(de)斯-奔馳現在使(shi)用(yong)(yong) AM-增材(cai)制造技術為其經典車輛(liang)生產(chan)備件(jian)(jian)(jian)。

根據麥(mai)肯錫對增材(cai)制造行(xing)(xing)業(ye)(ye)的(de)(de)分析(xi)表明，3D打印-增材(cai)制造行(xing)(xing)業(ye)(ye)已經(jing)發展到 134 億歐元(yuan)，年(nian)增長(chang)率為 22%。3D打印-增材(cai)制造行(xing)(xing)業(ye)(ye)非常活(huo)躍，有(you) 200 多家參與企(qi)業(ye)(ye)競相開發新(xin)的(de)(de)硬件(jian)、軟件(jian)和材(cai)料。

克服技術瓶頸推動走向主流

快速創新(xin)正在推動增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)(zao)技術性能(neng)的(de)(de)重大改(gai)進，最(zui)新(xin)一代的(de)(de)3D打印正在克服其(qi)上一代設(she)備的(de)(de)許多感知限制(zhi)，例如允(yun)許生產懸垂部件而不需要復(fu)雜的(de)(de)3D打印支撐結構，或者通過使用磁場(chang)控制(zhi)纖維增(zeng)強(qiang)物的(de)(de)對(dui)齊來制(zhi)造(zao)(zao)更堅(jian)固的(de)(de)部件。此外，可用于增(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)(zao)系統的(de)(de)材(cai)料范圍不斷(duan)擴大，包(bao)括高強(qiang)度鋁合金(jin)和醫療級塑料材(cai)料。

AM-增材制(zhi)造（3D打印）系(xi)統也變(bian)得越來越快。例(li)如，最(zui)近基(ji)于選擇(ze)性激光(guang)(guang)燒(shao)結(jie) (SLS) 的(de)系(xi)統使(shi)用多達一百萬個激光(guang)(guang)二(er)極管(guan)來加速零件的(de)生產。

另(ling)一(yi)方面，軟件(jian)(jian)和后(hou)(hou)處理技(ji)(ji)術的(de)改進正在(zai)進一(yi)步(bu)簡化(hua)(hua)從概念到(dao)成(cheng)品組件(jian)(jian)的(de)端(duan)到(dao)端(duan)的(de)過程。3D打印-增(zeng)材制造技(ji)(ji)術與創成(cheng)式設(she)計非常匹配，后(hou)(hou)者使用人(ren)工(gong)智能技(ji)(ji)術來定(ding)義和優化(hua)(hua)零件(jian)(jian)的(de)幾何形狀。

在(zai)許多領域(yu)，AM-增材制造（3D打(da)印）技術已被廣泛(fan)接受為在(zai)產品開發和測(ce)試期(qi)間(jian)生產功能(neng)原型(xing)的最快、最具(ju)成本效益的方(fang)法。增材制造技術也被應用(yong)于(yu)越來越多的“間(jian)接”應用(yong)，包括用(yong)于(yu)傳統(tong)制造機器的模具(ju)、備件(jian)和夾具(ju)。

準備好迎接黃金發展期

然而，盡管(guan)有些公司已經涉足使用增材制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)直接制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)最終產(chan)品(pin)，但目前增材制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)的(de)大(da)規模采用仍然有限。制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)商(shang)列舉(ju)了使用增材制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)的(de)四個重大(da)障礙：

硬件：大(da)多數增材制(zhi)造機器的(de)低(di)速(su)和(he)有限的(de)構建體積(ji)限制(zhi)了可能的(de)應用范圍。事實證明，低(di)效率和(he)尺寸(cun)限制(zhi)很難集成到生產(chan)工作流程中。自動(dong)化的(de)工業增材制(zhi)造生產(chan)單元需要用戶結合(he)來自不同供應商(shang)的(de)制(zhi)造、后(hou)處理和(he)材料(liao)處理設備。

軟件：增材制(zhi)造設備通常依(yi)賴于供應商特(te)定的控(kong)制(zhi)軟件，不(bu)同機器之間(jian)或與更廣泛工廠中使(shi)用的設備和生產(chan)控(kong)制(zhi)系統之間(jian)的集成有限。這使(shi)得(de)實現穩定的質量和穩定的生產(chan)力所需(xu)的技術和訣竅是很難獲得(de)的。

材料：今天即使是(shi)(shi)普通的(de)工程材(cai)料(liao)當以適合(he)用(yong) AM增(zeng)材(cai)制造(zao)設備加(jia)(jia)工的(de)形式提供(gong)時，價格要貴得多。例如(ru)塑料(liao)必(bi)須(xu)專門為增(zeng)材(cai)制造(zao)機器開(kai)發，這是(shi)(shi)一(yi)個耗時且復雜的(de)過程。并且將金屬合(he)金轉化為適用(yong)于增(zeng)材(cai)制造(zao)機器的(de)粉末(mo)形式所(suo)需的(de)額外加(jia)(jia)工大大增(zeng)加(jia)(jia)了金屬材(cai)料(liao)的(de)成(cheng)本。此外，沒(mei)有足夠的(de)可用(yong)增(zeng)材(cai)制造(zao)材(cai)料(liao)，尤(you)其是(shi)(shi)塑料(liao)，缺乏足夠的(de)已獲得關鍵最終用(yong)途應(ying)用(yong)全面認證的(de)材(cai)料(liao)。

服務：工(gong)業用戶(hu)抱怨設(she)備(bei)(bei)供(gong)應(ying)商目前沒有提(ti)供(gong)超出安裝和(he)調試設(she)備(bei)(bei)所需的高級(ji)技術支持。例如，用戶(hu)希望獲得更多幫助來改進組件設(she)計以(yi)適應(ying)特定的制造(zao)流(liu)程，或者在生(sheng)產開始(shi)后(hou)找到提(ti)高機器(qi)質量、可(ke)靠(kao)性和(he)生(sheng)產力的方法。

雖然公(gong)司已經(jing)涉足使(shi)用(yong)增材制(zhi)造(zao)(zao)直接制(zhi)造(zao)(zao)最終產品，但(dan)該方法的大(da)規模采用(yong)仍然有限。

最后(hou)，制(zhi)造(zao)商努力弄清楚增材(cai)制(zhi)造(zao)將(jiang)(jiang)如何使他們(men)受益(yi)。設計(ji)工程師通常對增材(cai)制(zhi)造(zao)系(xi)統的功能或(huo)如何為(wei)增材(cai)制(zhi)造(zao)進(jin)行設計(ji)的知(zhi)識有(you)限。簡單(dan)地(di)將(jiang)(jiang)現有(you)組件從傳統制(zhi)造(zao)切換到增材(cai)制(zhi)造(zao)工藝很少(shao)有(you)優(you)勢。相反，當(dang)利用增材(cai)制(zhi)造(zao)的獨特(te)功能時(shi)，好(hao)處就會顯(xian)現出來，例如將(jiang)(jiang)多個特(te)征組合到一個組件中，以減(jian)少(shao)裝(zhuang)配中的零(ling)件總數或(huo)消除對后(hou)續制(zhi)造(zao)或(huo)工藝步驟的需求。

如今，工業(ye)規模增(zeng)材制(zhi)造安裝的(de)(de)風險都(dou)由最終(zhong)用戶承擔。而這(zhe)些(xie)障礙(ai)可能使構建使用增(zeng)材制(zhi)造技術(shu)直接制(zhi)造的(de)(de)商業(ye)案例變得極其(qi)困難。克服這(zhe)些(xie)障礙(ai)是(shi)整(zheng)個行業(ye)的(de)(de)挑戰(zhan)，例如，3D打(da)印(yin)設(she)備制(zhi)造商可以進一步提高(gao)速(su)度、端(duan)到端(duan)自(zi)動化以及與現有制(zhi)造系統的(de)(de)集成，而材料供應商可以解(jie)決有關認(ren)證、可用性和(he)成本的(de)(de)問(wen)題。

然而(er)，雄心勃勃的制造商無需等待增(zeng)材制造行業完(wan)成所(suo)有工作(zuo)。盡管存在這些限制，一些工業用戶在使用增(zeng)材制造直(zhi)接生產方(fang)面取得了重大(da)進展(zhan)，并在此(ci)過程中(zhong)不斷發展(zhan)知識和(he)能力(li)，從而(er)隨著行業的發展(zhan)取得明顯的競爭優(you)勢。

醫學奇跡

醫療器械行業是通過3D打印-增材制(zhi)(zhi)造成(cheng)功(gong)超越這(zhe)些(xie)感知限(xian)制(zhi)(zhi)的(de)杰(jie)出行業。現在，增材制(zhi)(zhi)造技術(shu)被常(chang)規和大規模應用(yong)以(yi)(yi)生(sheng)產各種產品，包括假肢和植入物、手(shou)術(shu)導板(ban)以(yi)(yi)及(ji)用(yong)于術(shu)前計劃或患(huan)者教育(yu)的(de)解(jie)剖模型（圖表(biao) 1）。

制藥和醫療器械行業在使用增材(cai)制造進(jin)行大規模直接生產方(fang)面(mian)處于領先(xian)地位。

這些應(ying)用(yong)之所以成功，是(shi)因為它們是(shi)高度(du)定制化、高價(jia)值(zhi)的應(ying)用(yong)，可為患者(zhe)和臨床醫生(sheng)帶來傳(chuan)統制造(zao)技術無法比擬的好(hao)處。例如，外科醫生(sheng)無需花時間(jian)剃骨(gu)或塑造(zao)標準的骨(gu)科植入(ru)物，只需安裝一個定制設備，以匹配個體患者(zhe)的形態(tai)。 

AM-增(zeng)材制(zhi)造(zao)甚(shen)至(zhi)正在制(zhi)藥(yao)(yao)領(ling)域進行(xing)探索(suo)，使用 3D 打印(yin)技(ji)術生產具有定制(zhi)藥(yao)(yao)物劑量和釋放特性的藥(yao)(yao)品(pin)。根據3D科(ke)學谷的市場了解，2021年10月(yue)，三迭紀(ji)發布(bu)2.0時代(dai)開放戰略，通(tong)過開放技(ji)術資(zi)源，建立與全球藥(yao)(yao)企和上(shang)下(xia)游供應商(shang)的廣泛合作，實現3D打印(yin)藥(yao)(yao)物技(ji)術的商(shang)業化。

AM-增材制造卓越藍圖

與此同時，其他(ta)行(xing)業的很多制(zhi)造(zao)商還(huan)無(wu)法(fa)利(li)用 AM-增材制(zhi)造(zao)的優(you)勢，除(chu)非他(ta)們對 AM-增材制(zhi)造(zao)技(ji)術(shu)采取更(geng)全面的方法(fa)。這通常需要他(ta)們開發新(xin)穎(ying)的產品(pin)設計、制(zhi)造(zao)流程和(he)商業模式。醫(yi)療器械(xie)行(xing)業的經(jing)驗(yan)表明這是可以做到的。

圖表 2 描述(shu)了一(yi)個可以幫助公司從零開始開發增材制(zhi)造能力的(de)(de)框架(jia)。旨在最(zui)大(da)程度地降(jiang)低風險并保持對前期投資(zi)的(de)(de)要求(qiu)較(jiao)低，同時仍然支(zhi)持組織(zhi)從最(zui)初的(de)(de)增材制(zhi)造體驗到大(da)規(gui)模應用。

這種方法的核(he)心(xin)(xin)是(shi)“AM-增材制造能(neng)力中心(xin)(xin)”，將組織(zhi)的 AM-增材制造工作整合到一個(ge)地方，并作為能(neng)力、知(zhi)識和最(zui)佳實踐的存儲庫。

一開(kai)始，這個(ge)“AM-增材制造(zao)能(neng)力中心”可以是一個(ge)小型(xing)、敬業的(de)團隊，但理(li)想情況(kuang)下應(ying)該(gai)是面向外部的(de)，與外部合作伙伴合作發展知識(shi)和關(guan)(guan)系(xi)，并(bing)與整個(ge)組織的(de)工程師和其他利益相關(guan)(guan)者分享所學知識(shi)。

在(zai)能力中(zhong)心的(de)帶領下，原型零件的(de)生產是(shi)最常(chang)見的(de)增材制(zhi)造起點，此外裝配夾具的(de)制(zhi)造有(you)助(zhu)于在(zai)生產工(gong)程(cheng)師和(he)車間工(gong)作人員中(zhong)激發興趣。

隨著(zhu)對增材制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)技(ji)術(shu)的了(le)解加深，“AM-增材制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)能力中心”可(ke)以(yi)(yi)開始尋找更(geng)系統(tong)地(di)應用增材制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)技(ji)術(shu)的機會。這可(ke)以(yi)(yi)通過確定AM-增材制(zhi)(zhi)造(zao)(zao)可(ke)以(yi)(yi)提供幫助的價值鏈中的關(guan)鍵點來實現，例如消除廢料、簡化裝配、減少庫(ku)存(cun)或(huo)改進下一代產品。

為了在(zai)保持(chi)投資水平(ping)可控的(de)同時(shi)探(tan)索這些機(ji)會，企業(ye)可以(yi)采用協作(zuo)方(fang)式。通過建立一個小型合作(zuo)伙伴生態(tai)系統，例如采用外部增材制造服務(wu)(wu)提供商的(de)服務(wu)(wu)或(huo)與外部研發機(ji)構(gou)合作(zuo)，企業(ye)可以(yi)獲得嘗試不同方(fang)法和技術(shu)所需的(de)能力和專業(ye)知識。

同時，企(qi)業領導者可以密切關(guan)注未來應用達到真正規模的(de)機(ji)會。例如，在受監管的(de)行(xing)業中，對有前景(jing)的(de)材(cai)料、設計方法和技(ji)術進行(xing)早期(qi)認證可以通(tong)過消除潛(qian)在的(de)采用瓶頸來建立(li)競爭(zheng)優勢(shi)。

隨著將(jiang)最(zui)有前途的(de)增(zeng)材(cai)(cai)制造應用(yong)程(cheng)序投入(ru)生(sheng)產，企業(ye)進入(ru)了增(zeng)材(cai)(cai)制造核心能(neng)力(li)構建和(he)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)階段。例如，為(wei)了更(geng)快地識(shi)別更(geng)多潛在應用(yong)，企業(ye)可(ke)以(yi)將(jiang)他(ta)們(men)不斷增(zeng)長的(de)增(zeng)材(cai)(cai)制造知(zhi)識(shi)編入(ru)設計(ji)工具中。這些可(ke)能(neng)包括總擁有成本(ben) (TCO) 模型，可(ke)以(yi)輕(qing)松量化(hua)企業(ye)內常見應用(yong)程(cheng)序轉(zhuan)(zhuan)向增(zeng)材(cai)(cai)制造的(de)成本(ben)和(he)收(shou)益。同時，組織可(ke)以(yi)加強與生(sheng)態系(xi)統(tong)合作(zuo)(zuo)伙(huo)伴(ban)的(de)合作(zuo)(zuo)，以(yi)根據需(xu)要(yao)轉(zhuan)(zhuan)移(yi)知(zhi)識(shi)，并(bing)開(kai)始獲取內部生(sheng)產增(zeng)材(cai)(cai)制造零件所需(xu)的(de)硬件。

一旦獲得(de)了(le)使用增材制造(zao)(zao)直接生產(chan)的(de)(de)一些經驗(yan)，組織就可以進(jin)入規模和(he)擴大應用階段(duan)，將增材制造(zao)(zao)完(wan)全納入其制造(zao)(zao)技術組合。這一階段(duan)通常涉及(ji)對額外生產(chan)能力的(de)(de)投資(zi)、設(she)計和(he)生產(chan)控制標準流程(cheng)的(de)(de)開發，以及(ji)工程(cheng)師(shi)和(he)操作(zuo)員的(de)(de)進(jin)一步技能培養(yang)。

總之，在(zai)作為一個小玩家(jia)幾十年后，3D打(da)(da)印-增(zeng)(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)(zao)正處于明星的(de)(de)(de)(de)風(feng)口浪尖，這(zhe)(zhe)是不容(rong)小覷(qu)的(de)(de)(de)(de)技(ji)術(shu)。更(geng)快的(de)(de)(de)(de)機(ji)器、更(geng)好的(de)(de)(de)(de)材(cai)料和(he)更(geng)智(zhi)能的(de)(de)(de)(de)軟件正在(zai)幫助使(shi) AM-增(zeng)(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)(zao)成為許多現(xian)實世界生產(chan)應用程(cheng)序的(de)(de)(de)(de)現(xian)實解決方案(an)。隨著(zhu)技(ji)術(shu)壁壘的(de)(de)(de)(de)降低，3D打(da)(da)印設備制(zhi)造(zao)(zao)商有責任提高對這(zhe)(zhe)些快速發展(zhan)的(de)(de)(de)(de)技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)理解，建立使(shi)增(zeng)(zeng)材(cai)制(zhi)造(zao)(zao)在(zai)工業世界中大放異彩(cai)所(suo)需的(de)(de)(de)(de)技(ji)能、流程(cheng)和(he)商業模式(shi)。

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