【詳解】為什么要發(fā)展增材制造？（下）

3D打印代表著未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的方向之一，但受限于現(xiàn)有技術(shù)及材料缺乏，現(xiàn)階段3D打印技術(shù)試驗(yàn)性用途大于實(shí)用性。哥本哈根未來(lái)研究學(xué)院（CIFS）名譽(yù)主任約翰·彼得·帕魯坦說(shuō)過(guò)，我們的社會(huì)通常會(huì)高估新技術(shù)的可能性，同時(shí)卻又低估它們的長(zhǎng)期發(fā)展?jié)摿�。南極熊認(rèn)為，3D打印技在未來(lái)的發(fā)展將會(huì)有無(wú)限可能，接下來(lái)我們就一起來(lái)看一下，為什么要發(fā)展增材制造？（文章分為兩部分，此為下半部分）

三、增材制造發(fā)展現(xiàn)狀
1.技術(shù)工藝現(xiàn)狀
自增材制造技術(shù)誕生以來(lái)，已經(jīng)有十幾種新工藝和新系統(tǒng)及設(shè)備先后面世。根據(jù)2012年1月美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）增材制造技術(shù)委員會(huì)F42頒布的標(biāo)準(zhǔn)——“增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)用語(yǔ)(ASTM F2792-12)”，這種工藝被簡(jiǎn)潔地定義為：“基于3-D模型數(shù)據(jù)，通常采用與減式制造技術(shù)相反的逐層疊加的方式，結(jié)合材料來(lái)生產(chǎn)物品的過(guò)程”（The process of joining materials to make objects from 3-D model data, usually layer upon layer,as opposed to subtractive manufacturing technologies），見圖6。

按照其工藝特點(diǎn)，增材制造可分 為7大類，分別為粉末床熔合、定向能量沉積、材料噴射、粘結(jié)劑噴射、材料擠出、容器內(nèi)光聚合和片層壓。在此基礎(chǔ)上，英國(guó)增材制造特別興趣小組（AM SIG）又對(duì)7大工藝進(jìn)行細(xì)化，整理出10余種分支工藝。表1總結(jié)了增材制造各工藝的整體情況，包括各工藝的基本描述、面向的市場(chǎng)、所采用的材料體系、包含的分支工藝和相關(guān)的代表企業(yè)及院校。

從市場(chǎng)的角度來(lái)說(shuō)，增材制造可用于樣品原型制造、模具制造、直接零部件制造、零部件維護(hù)及修理等領(lǐng)域。樣品原型制造是增材制造最早進(jìn)入的市場(chǎng)，被用于評(píng)估和優(yōu)化模型的尺寸、結(jié)構(gòu)和功能等方面設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品達(dá)到最佳性能。對(duì)于模具制造來(lái)說(shuō)，熔模鑄造和砂型鑄件已開始通過(guò)增材制造進(jìn)行生產(chǎn)，這種技術(shù)還可以用于硅膠模具和氨酯鑄件等生 產(chǎn)。直接零部件制造則是增材制造發(fā)展最快的一個(gè)領(lǐng)域，由于可以直接用于生產(chǎn)最終產(chǎn)品，該領(lǐng)域在增材制造應(yīng)用市場(chǎng)中所占的比重已經(jīng)上升到第1位。

增材制造還越來(lái)越多的用于零部件的維護(hù)和修理，特別是當(dāng)所用零件非常昂貴的時(shí)候。這種技術(shù)可以用來(lái)修復(fù)只有小部分損壞的大部件，由于其修復(fù)所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力很小，非常適用于對(duì)熱變形高度敏感的部件。對(duì)于不同的增材制造工藝，其適用的市場(chǎng)也有所區(qū)別。其中，大部分工藝普遍應(yīng)用于模型制造，而對(duì)于直接零部件制造、零部件維護(hù)及修理來(lái)說(shuō)，需選用所對(duì)應(yīng)的專用技術(shù)工藝。

2.應(yīng)用現(xiàn)狀
由于增材制造的一些獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這項(xiàng)技術(shù)近年來(lái)已在航空航天、醫(yī)療、文化創(chuàng)意、消費(fèi)電子產(chǎn)品、軍工等眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

表2根據(jù)7大技術(shù)工藝及所用材料體系，對(duì)國(guó)際上已經(jīng)出現(xiàn)的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析。從表中可以看出，每一種工藝都各有所長(zhǎng)，所適用的應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。在選用不同工藝時(shí)，主要的考慮因素包括工藝的生產(chǎn)速度、可用的材料種類、產(chǎn)品的尺寸限制、產(chǎn)品的表面光滑度和精密度、產(chǎn)品的力學(xué)性能、機(jī)器及材料的成本、操作的方便性和安全性 等。

比如，定向能量沉積工藝可生產(chǎn)高性能的金屬部件，在高端工程領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛。對(duì)比之下，粘結(jié)劑噴射工藝和材料擠出工藝則可以生產(chǎn)保真度很高的組件，主要用于樣品原型制造和工藝品生產(chǎn)，但由于產(chǎn)品的機(jī)械性能較差，不適合航空航天等領(lǐng)域。粉末床熔合工藝的應(yīng)用則最為廣泛，此工藝可使用金屬和高分子體系，在增材制造涉及的大部分領(lǐng)域進(jìn)行使用。 在諸多領(lǐng)域中，航空航天、生物醫(yī)療和創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的增材制造技術(shù)應(yīng)用發(fā)展最為快速，表3列出了部分典型應(yīng)用實(shí)例。對(duì)于航空航天領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，增材制造由于其獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，可滿足高精度、復(fù)雜形狀、小批量的生產(chǎn)要求，正在成為此領(lǐng)域中廣泛使用的技術(shù)。

波音公司已經(jīng)制造出大約2萬(wàn)多增材制造零部件，用于商業(yè)和軍用飛機(jī)上面。其中，32種部件用于波音787夢(mèng)想客機(jī)中�？湛凸�司則正在進(jìn)行一系列增材制造產(chǎn)品的檢驗(yàn)測(cè)試，包括減重的起落架、機(jī)艙和冷卻系統(tǒng)等。生物醫(yī)療領(lǐng)域則是增材制造技術(shù)應(yīng)用的另一重要領(lǐng)域，已成功應(yīng)用的產(chǎn)品包括顱骨植入物、髖關(guān)節(jié)置換物、牙冠、體外模型等。

預(yù)計(jì)全球使用3D打印的矯正骨骼植入物患者已經(jīng)超過(guò)3萬(wàn)人，僅瑞典Arcam公司就制作2萬(wàn)多個(gè)經(jīng)過(guò)FDA批準(zhǔn)、CE認(rèn)證的植入物；美國(guó)Invisalign公司則已經(jīng)銷售了超過(guò)200萬(wàn)個(gè)透明3D打印定制牙套；西門子等公司使用3D技術(shù)生產(chǎn)的助聽器也成為了產(chǎn)品的主流。此外，創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)方面的增材制造也正在快速發(fā)展。除了逐步火熱起來(lái)的3D打印人像模型、裝飾品、工藝品以外，增材制造技術(shù)還拓展到更多的產(chǎn)品創(chuàng)作上面。2013年巴黎時(shí)裝周上推出了一款由比利時(shí)Materialise公司利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的時(shí)裝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜幾何圖案和獨(dú)特材質(zhì)的完美結(jié)合。幾種增材制造產(chǎn)品實(shí)例如圖7所示。

四、增材制造未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
1.增材制造未來(lái)發(fā)展對(duì)各應(yīng)用領(lǐng)域的影響
對(duì)于不同的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，短期內(nèi)增材制造技術(shù)還不足以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的制造方式。但隨著打印材料價(jià)格的下降，打印尺寸和速度的提升，增材制造技術(shù)在各應(yīng)用領(lǐng)域的滲透也將逐步加深，人們會(huì)越來(lái)越多地使用到包含3D打印的零部件產(chǎn)品，甚至是完全通過(guò)3D打印制造的產(chǎn)品。如《Wohlers Report 2013》報(bào)告展示的遠(yuǎn)景一樣（圖8），我們所能看到的往往只是整個(gè)冰山的一小部分，而海面下隱藏的巨大冰山才是尚待開發(fā)的領(lǐng)域，也是增材制造未來(lái)的潛力所 在。雖然我們還無(wú)法清晰的描述未來(lái)增材制造的全貌，但足以預(yù)期其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

海平面上方的冰川，代表了多年以來(lái)增材制造技術(shù)活躍的應(yīng)用領(lǐng)域，如原型件和模型的制造。而處于海平面下方附近的區(qū)域則是增材制造正在發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域，包括醫(yī)療植入器械、金屬航空部件的制造等。在更深的區(qū)域則是人們期望的人體器官“活體”打印和外太空3D打印。在未來(lái)，增材制造還能實(shí)現(xiàn)哪些不可思議的應(yīng)用，我們現(xiàn)在還不得而知，但這些未知領(lǐng)域的應(yīng)用將是非常令人期待。 從細(xì)分領(lǐng)域的預(yù)期來(lái)看，我們則可發(fā)現(xiàn)增材制造技術(shù)逐步滲透的方式有所區(qū)別，見圖9。

就航空航天 和汽車領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，增材制造將從局部零件制造發(fā)展到整體打印。相比較之下，生物醫(yī)療領(lǐng)域則將從“非活體”打印逐步進(jìn)階到“活體”打印。對(duì)于創(chuàng)意行業(yè)而言，增材制造技術(shù)所帶來(lái)的沖擊并非制造方式的改變，而是創(chuàng)意設(shè)計(jì)模式的逐步改變。從更加宏觀的角度來(lái)看，增材制造對(duì)于通用制造、供應(yīng)鏈和商業(yè)的影響都可歸于模式的革新，即生產(chǎn)模式、供應(yīng)模式、商業(yè)模式的革新。這將意味著將有大量的新興中小企業(yè)將依靠新創(chuàng)意蓬勃發(fā)展，他們將有能力以最小的資金投入實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的迅速擴(kuò)大。

這些具有敏捷性和極短產(chǎn)品上市周期的新公司，將成為未來(lái)市場(chǎng)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。而對(duì)于大型設(shè)計(jì)和制造企業(yè)來(lái)說(shuō)，增材制造技術(shù)是IT與制造業(yè)實(shí)現(xiàn)融合的機(jī)會(huì)。如上文所述，增材制造不僅僅是一種制造技術(shù)，更是一種數(shù)字化技術(shù)。借助互聯(lián)網(wǎng)所形成的“信息物理系統(tǒng)”，它所具有的開放型和大眾性，將為未來(lái)的創(chuàng)新搭建了廣闊的舞臺(tái)。正如美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室戰(zhàn)略中提到的：“IT”的涵義從信息技術(shù)（information technology）轉(zhuǎn)變?yōu)楣餐瑒?chuàng)新（innovate together）。

2. 增材制造未來(lái)對(duì)全球經(jīng)濟(jì)的沖擊
雖然目前增材制造產(chǎn)業(yè)在全球所占的份額還很小，但其發(fā)展速度和潛在的增值能力是驚人的。根據(jù)麥肯錫全球研究院的研究表明，到2025年，增材制造每年對(duì)全球經(jīng)濟(jì)的影響將達(dá) 到2 300億～5 500億美元（見圖10）。

其中，高附加值3D打印產(chǎn)品的直接消費(fèi)對(duì)經(jīng)濟(jì)的沖擊最大，規(guī)模將達(dá)到 1 000億～3 000億美元。對(duì)于零部件生產(chǎn)和模具制造兩個(gè)市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，其經(jīng)濟(jì)影響將分別達(dá)到1 000億～2 000億美元和300億～500億美元。在上述2個(gè)市場(chǎng)，預(yù)計(jì)通過(guò)使用增材制造技術(shù)，可減少產(chǎn)品制造過(guò)程中原材料的浪費(fèi)和預(yù)處理工序，節(jié)約生產(chǎn)升本40%～55%，產(chǎn)品的市場(chǎng)份額也將增加到30%～50%。 目前，全球制造業(yè)的GDP價(jià)值超過(guò)7萬(wàn)億美元，涉及全球12%的勞動(dòng)力（3.2億人）。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，增材制造技術(shù)的應(yīng)用推廣將對(duì)全球經(jīng)濟(jì)帶深遠(yuǎn)的影響，然而其影響程度，還取決于技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向。誠(chéng)然，增材制造的推廣將使得勞動(dòng)力因素在制造業(yè)中的重要性顯著降低，減少生產(chǎn)成本和勞動(dòng)力成本。

但無(wú)論其在未來(lái) 市場(chǎng)滲透率達(dá)到什么程度，這種技術(shù)都不是萬(wàn)能的，不可能適用于制造業(yè)的所有領(lǐng)域。英國(guó)增材制造咨詢公司Econolyst在過(guò)去的7年中對(duì)230個(gè)產(chǎn)品和業(yè)務(wù)進(jìn)行了評(píng)估，分析結(jié)果指出80%的產(chǎn)品由于種種原因，目前并不適合采用增材制造技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。實(shí)際上，現(xiàn)階段大多數(shù)吸引眼球的增材制造創(chuàng)新應(yīng)用都還只是演示或原型件，其成本與實(shí)用性往往被忽略。增材制造作為先進(jìn)制造技術(shù)中的一部分，其未來(lái)發(fā)展還要經(jīng)受技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用市場(chǎng)的考驗(yàn)。借用哥本哈根未來(lái)研究學(xué)院（CIFS）名譽(yù)主任約翰·彼得·帕魯坦(Johan Peter Paludans)的一句話：我們的社會(huì)通常會(huì)高估新技術(shù)的可能性，同時(shí)卻又低估它們的長(zhǎng)期發(fā)展?jié)摿Α?br />

因此，把握增材制造發(fā)展的時(shí)代機(jī)遇，積極應(yīng)對(duì)面臨的挑戰(zhàn)與困 應(yīng)用規(guī)模3D打印產(chǎn)品直接消費(fèi) 直接用于生產(chǎn)制造 工具及模具制造 其他潛在應(yīng)用（未計(jì)算規(guī)模） 總計(jì)潛在經(jīng)濟(jì)影響規(guī)模 1 000～3 000 1 000～2 000 300～500 2 300～5 500 2025年潛在經(jīng)濟(jì)影響規(guī)模 2025年遠(yuǎn)景預(yù)計(jì)4萬(wàn)億美元個(gè)性化產(chǎn)品可能通過(guò)3D打印 制造 復(fù)雜醫(yī)用植入體和模具零部件消費(fèi)3000億美元 運(yùn)輸工具復(fù)雜零部件消費(fèi)4700億美元 3600億美元全球注射成型塑料磨具市場(chǎng) 相關(guān)產(chǎn)品中，3D打印產(chǎn)品替換率達(dá)到30%～50% 30%～50%注射成型塑料模具產(chǎn)品采用3D打印 對(duì)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，3D打印產(chǎn)品價(jià)格下降40%～55% 通過(guò)使用高級(jí)3D打印模具降低生產(chǎn)成本30% 假設(shè)消費(fèi)者介入，5%～10%的相關(guān)產(chǎn)品（如玩具）可實(shí)現(xiàn)3D打印 每個(gè)3D打印產(chǎn)品60%～80%的增值 產(chǎn)品價(jià)格下降35%～60%個(gè)人化產(chǎn)品增值10% 預(yù)計(jì)2025年潛在影響 2025年潛在規(guī)�；�生產(chǎn)能力或收益 /億美元 難，理性評(píng)估技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的程度，才能推動(dòng)這種先進(jìn)技術(shù)的快速健康發(fā)展，使其遠(yuǎn)景變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

正如《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》“第三次工業(yè)革命”�？�文中所述的一樣，制造業(yè)革命非一日之勤，不過(guò)這次革命則已經(jīng)啟動(dòng)良久。同其他數(shù)碼科技一樣，增材制造已經(jīng)在成本上和生產(chǎn)效率上取得優(yōu)勢(shì)，該行業(yè)的突破將一發(fā)不可收拾。3D打印已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的逐個(gè)或小批量生產(chǎn)。未來(lái)，結(jié)合數(shù)字化制造，使各工作臺(tái)生產(chǎn)不同的產(chǎn)品，便可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制生產(chǎn)。到了那時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)便騰飛了。在10年或20年以后，當(dāng)人們游覽法蘭克福展覽館時(shí)，將會(huì)對(duì)展覽館前面的“錘工”雕像感到好奇。這尊21m高的雕像手持錘子，上下移動(dòng)著胳膊，不停地敲打著一塊金屬是在干什么呢？

編輯：南極熊
作者：于灝（北京新材料發(fā)展中心）  黃  瑤（北京石油機(jī)械廠）