五個(gè)方面分析增材制造的數(shù)字化智造未來(lái)，挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存

來(lái)源：安世亞太  

增材制造技術(shù)作為一種新興的制造技術(shù)，一經(jīng)出現(xiàn)就在制造業(yè)引起了廣泛的關(guān)注，盡管它目前還存在著不盡如人意的地方，但是人們普遍認(rèn)為這是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿�和想象力的技術(shù)，代表著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要發(fā)展方向之一。安世亞太公司深耕增材制造產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用多年，深刻認(rèn)同增材制造在未來(lái)數(shù)字化制造變革中的核心地位，基于多年的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和思考沉淀，推出了“增材思維 數(shù)智未來(lái)”系列文章。

本文是該系列文章的總論部分，接下來(lái)我們將從碳中和制造、成本控制、智能設(shè)計(jì)、多源技術(shù)融合、新能源應(yīng)用等5個(gè)方面，闡述增材制造的數(shù)字化未來(lái)，更多精彩內(nèi)容敬請(qǐng)期待。

3D打印，是革命性智造技術(shù)么？
增材制造（3D打�。┘夹g(shù)是近20年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型制造技術(shù)。與傳統(tǒng)“減材”制造過(guò)程正好相反，增材制造以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料通過(guò)分層制造、逐層疊加的方式制造三維實(shí)體，是集先進(jìn)制造、數(shù)字制造、智能制造、綠色制造于一身的制造技術(shù)，無(wú)疑是未來(lái)制造技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。同時(shí)，增材制造帶動(dòng)新材料、精密控制、激光、電子束、CAD、CAE、CAM等技術(shù)蓬勃發(fā)展，具有巨大的產(chǎn)業(yè)溢出效應(yīng)。

增材制造從根本上突破了復(fù)雜異型構(gòu)件的制造瓶頸，改變了傳統(tǒng)的“制造引導(dǎo)設(shè)計(jì)、可制造性?xún)?yōu)先于性能/功能”的設(shè)計(jì)理念，基本實(shí)現(xiàn)了工程師的“設(shè)計(jì)自由”，使得從功能需求出發(fā)的正向設(shè)計(jì)成為可能。增材制造特有的逐點(diǎn)逐層制造方式，配合自帶的數(shù)字化基因，實(shí)現(xiàn)了材料微觀組織可控、結(jié)構(gòu)宏觀性能可調(diào)、制造工藝全過(guò)程可監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量全壽命可追溯，是未來(lái)最有可能實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的技術(shù)之一。真正意義上實(shí)現(xiàn)了“設(shè)計(jì)引導(dǎo)制造、功能先于設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變，為制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、軍民深度融合、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)與發(fā)展開(kāi)辟了巨大空間。

增材制造將是未來(lái)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的主戰(zhàn)場(chǎng)之一
根據(jù)Smartech等9家機(jī)構(gòu)估計(jì)，2020年全球3D打印市場(chǎng)達(dá)到126億美元，比2019年同比增長(zhǎng)21％。在未來(lái)三年中，分析師平均預(yù)期3D打印市場(chǎng)同比增長(zhǎng)17％，到2026年將達(dá)到372億美元。

△全球增材制造市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)

在全球的制造業(yè)市場(chǎng)中，3D打印盡管占比不高，不過(guò)可喜的是它已經(jīng)走過(guò)了技術(shù)瓶頸期，正在向高速擴(kuò)張的方向上前進(jìn)。這一點(diǎn)相信廣大3D打印從業(yè)者能夠感受到，3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域正在越來(lái)越廣，應(yīng)用的數(shù)量也越來(lái)越多。

△3D打印技術(shù)成熟度曲線

2020年，我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破200億元，達(dá)到208億元，且增加速度要略快于全球整體增速，促使我國(guó)3D產(chǎn)業(yè)占全球的比重在不斷增加。根據(jù)CCID數(shù)據(jù)顯示，2019年中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模為157.5億元，同比增長(zhǎng)31%。2020年前期雖受新冠肺炎疫情影響，但后期國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)強(qiáng)勁反彈，行業(yè)增長(zhǎng)迅速。

△中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模

目前，全球3D打印第一大技術(shù)來(lái)源國(guó)為美國(guó)，美國(guó)3D打印專(zhuān)利申請(qǐng)量達(dá)到141209項(xiàng)，占全球3D打印專(zhuān)利總申請(qǐng)量的35.81%；其次是中國(guó)，中國(guó)3D打印專(zhuān)利申請(qǐng)量占全球3D打印專(zhuān)利總申請(qǐng)量的25.52%。日本和德國(guó)雖然排名第三和第四，但是與排名第一的美國(guó)及排名第二的中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)量差距均較大。

△全球3D打印專(zhuān)利分布（截至2021年8月）

考慮到美國(guó)等西方國(guó)家在20世紀(jì)80年代就開(kāi)始發(fā)展3D打印技術(shù)，我國(guó)取得目前的成績(jī)實(shí)屬不易，這得益于我國(guó)近十年來(lái)對(duì)增材制造的大力支持。繼《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015—2016年）》出臺(tái)之后，2017年11月30日，工信部、發(fā)展改革委等十二部門(mén)聯(lián)合制定了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》，特別提到利用增材制造云平臺(tái)等新模式，線上線下打通增材制造在社會(huì)、企業(yè)、家庭中的應(yīng)用路徑，總的方向是推進(jìn)增材制造在航空、航天、船舶、核工業(yè)、汽車(chē)、電力裝備、軌道交通裝備、家電、模具、鑄造等重點(diǎn)制造領(lǐng)域的示范應(yīng)用，同時(shí)推進(jìn)“3D打印+”示范應(yīng)用。2021年，《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》中將增材制造列入關(guān)鍵核心技術(shù)，并提出中國(guó)將突破設(shè)計(jì)仿真、混合建模等基礎(chǔ)技術(shù)，開(kāi)發(fā)應(yīng)用增材制造、超精密加工等先進(jìn)工藝，攻克智能感知、人機(jī)協(xié)作、精益管控等共性技術(shù)，突破一批“卡脖子”基礎(chǔ)零部件和裝置。

由此可見(jiàn)，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)際，都已經(jīng)將增材制造作為未來(lái)制造業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向，今后在增材制造領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)必將越來(lái)越激烈。

增材制造發(fā)展面臨的問(wèn)題
盡管增材制造正在迎來(lái)發(fā)展的上升期，但是目前增材制造技術(shù)仍然面臨著諸多技術(shù)難題，離我們理想中的數(shù)字化智造還有很長(zhǎng)的路要走。

1）缺乏大批量制造案例
根據(jù)Hubs survey的調(diào)查報(bào)告，目前增材制造主要集中于原型驗(yàn)證或者小批量制造，超過(guò)60%產(chǎn)品的制造量不到10件，超過(guò)90%產(chǎn)品的制造數(shù)量在100件以下。GE公司的航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴是唯一通過(guò)公開(kāi)途徑可找到的大批量制造成功案例，該產(chǎn)品的年產(chǎn)量達(dá)到數(shù)萬(wàn)件。除航空產(chǎn)業(yè)外，汽車(chē)是最有可能實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)的工業(yè)領(lǐng)域，寶馬、保時(shí)捷等公司已經(jīng)在開(kāi)展增材制造產(chǎn)業(yè)化研究。

△每批次3D打印零件數(shù)量

2）增材制造成本居高不下
成本是制約增材制造技術(shù)大規(guī)模推廣的關(guān)鍵因素。超過(guò)38%的用戶(hù)認(rèn)為增材制造技術(shù)雖然具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是成本過(guò)高，一旦涉及到大批量生產(chǎn)的零部件，仍然需要依靠傳統(tǒng)的鑄造、鍛造、機(jī)加等工藝。因此，增材制造要在整個(gè)制造業(yè)中占有一席之地，降低成本勢(shì)在必行。GE公司近日推出了新的3D打印零件——渦輪機(jī)引氣部件，證明了金屬3D打印在成本上也可以和鑄造工藝一較高下。相信在不久的將來(lái)，隨著增材制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，成本逐步降低，增材制造取代傳統(tǒng)制造工藝的案例會(huì)越來(lái)越多。

△制約3D打印的因素

3）缺少智能設(shè)計(jì)方法
與其說(shuō)增材制造顛覆了制造方法，更不如說(shuō)增材制造顛覆了設(shè)計(jì)思維。增材制造實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造可行性，激活了一大批新興的設(shè)計(jì)方法，比如拓?fù)鋬?yōu)化、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)功能一體化等設(shè)計(jì)理念如雨后春筍般涌現(xiàn)，以至于我們?cè)�先的產(chǎn)品設(shè)計(jì)“套路”不再適用，新的設(shè)計(jì)方法又無(wú)從下手。以點(diǎn)陣、TPMS等多孔結(jié)構(gòu)為例，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和龐大的構(gòu)件數(shù)量而成為設(shè)計(jì)和仿真的難點(diǎn)，特別是多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法更是難上加難。

△安世亞太多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決方案

△nTopology功能模塊

目前，安世亞太已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一系列針對(duì)各種工業(yè)品和消費(fèi)品的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法，國(guó)外也開(kāi)發(fā)了以nTopology為代表的增材設(shè)計(jì)仿真軟件，其基本的解決思路是通過(guò)創(chuàng)成式設(shè)計(jì)等智能化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣、TPMS等多孔結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，以宏細(xì)觀結(jié)合多尺度算法為基礎(chǔ)的等效均質(zhì)化力學(xué)方法獲取點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)特性，然后再回到細(xì)觀，基于宏觀計(jì)算結(jié)果對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部細(xì)節(jié)模擬。

4）與其他橫向技術(shù)融合不足
在增材制造的技術(shù)火熱期，3D打印打印萬(wàn)物的言論不絕于耳，以至于有人提出3D打印將顛覆所有制造技術(shù)。更有意思的是模具行業(yè)，曾經(jīng)被視為是3D打印無(wú)模化制造最先顛覆的對(duì)象，如今卻是3D打印應(yīng)用最為活躍的行業(yè)。所以，筆者看來(lái)現(xiàn)階段3D打印并不是顛覆的對(duì)象不夠多，反而是與其他橫向技術(shù)的融合不足，比如與傳統(tǒng)五軸機(jī)床結(jié)合形成的增減材復(fù)合制造是一個(gè)非常成功的技術(shù)融合的例子。除了上文提到的設(shè)計(jì)方法，目前3D打印急需與材料基因組、高精度能量控制、數(shù)字孿生、新能源、綠色制造等先進(jìn)技術(shù)結(jié)合。同時(shí)，3D打印還缺乏與各行各業(yè)的融合，擴(kuò)大3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域。

增材思維驅(qū)動(dòng)模式變革
增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，從根本上改變了傳統(tǒng)制造技術(shù)與材料、結(jié)構(gòu)、功能相互割裂的發(fā)展局面。其原因在于3D打印機(jī)在輸出物理實(shí)體時(shí)，采用了從無(wú)到有的受控生長(zhǎng)方式，其所用的建造物質(zhì)從低維度的點(diǎn)、線或面形態(tài)，以積分原理累積形成最終的三維實(shí)體；而在持續(xù)累積過(guò)程中，3D打印機(jī)有充分的時(shí)空窗口對(duì)建造物質(zhì)的物性、結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行從微觀到宏觀的主動(dòng)控制，即將形狀信息承載至建造物質(zhì)的同時(shí)，亦將物性屬性和功能屬性施加至建造物質(zhì)。這使得打印過(guò)程結(jié)束時(shí)，所輸出三維實(shí)體既承載了宏觀的形狀信息，也被附加了微觀的材料物性信息，使得最終制品的功能得以同步完成。

也正是由于增材制造的這種技術(shù)特點(diǎn)，使得它受到全球的廣泛關(guān)注，將有可能給傳統(tǒng)的制造業(yè)來(lái)帶一系列深刻的變革。

第一、設(shè)計(jì)理念的變革
將傳統(tǒng)制造的設(shè)計(jì)方法遷移到增材制造應(yīng)用的實(shí)踐中，兩者在多方面表現(xiàn)出了沖突性。我們把面向增材制造的設(shè)計(jì)方法稱(chēng)為DfAM（Design for Additive Manufacturing），包括從產(chǎn)品功能需求出發(fā)的正向設(shè)計(jì)、從產(chǎn)品性能改進(jìn)出發(fā)的增材制造再設(shè)計(jì)、從增材工藝約束出發(fā)的制造優(yōu)化設(shè)計(jì)等等。

正向設(shè)計(jì)是增材制造帶來(lái)最具“破壞力”的革新。它讓設(shè)計(jì)師拋棄了傳統(tǒng)制造手段的束縛，能真正從產(chǎn)品的功能需求出發(fā)，設(shè)計(jì)出功能最優(yōu)、材料最省、效率最高的結(jié)構(gòu)形式，顛覆傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思維的桎梏。正向設(shè)計(jì)所提供的架構(gòu)性創(chuàng)新徹底釋放了增材制造的價(jià)值，增材制造打通了正向設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)瓶頸。

在數(shù)字化的世界里，研發(fā)和制造不是先后串行和跟隨序貫關(guān)系，數(shù)字化研發(fā)和數(shù)字化制造之間是一種相生相長(zhǎng)、生生不息的特征，兩者之間在任何時(shí)候都是相輔相成、相互輸送價(jià)值的過(guò)程。

△正向設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過(guò)程

在正向設(shè)計(jì)體系中，架構(gòu)的創(chuàng)新和優(yōu)化是首要工作，然后再結(jié)合創(chuàng)成式設(shè)計(jì)和多尺度仿真，對(duì)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和仿真。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法不同于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，使用的工具軟件也不是傳統(tǒng)的CAD軟件。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法發(fā)揮算法和人工智能的長(zhǎng)處，不需要人做過(guò)多干預(yù)，我們只需要提供必要的設(shè)計(jì)限制，其余的完全交給算法來(lái)創(chuàng)造。拓?fù)鋬?yōu)化算法是目前常見(jiàn)的設(shè)計(jì)算法之一。

第二、生產(chǎn)模式的變革
作為一種生產(chǎn)設(shè)備依賴(lài)更少的數(shù)字化制造技術(shù)，增材制造將有可能改變某些產(chǎn)品的生產(chǎn)模式，給企業(yè)和消費(fèi)者帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。人類(lèi)從古至今的生產(chǎn)模式經(jīng)歷了手工生產(chǎn)、機(jī)械化生產(chǎn)、智能化生產(chǎn)三個(gè)階段。在漫長(zhǎng)的手工生產(chǎn)階段，心靈手巧是核心競(jìng)爭(zhēng)力，每個(gè)工匠每一次制造的商品都可以不一樣，但是生產(chǎn)力及其有限。在機(jī)械化生產(chǎn)階段，產(chǎn)品按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，生產(chǎn)設(shè)備的效率是核心競(jìng)爭(zhēng)力，但是缺少個(gè)性化的定制。當(dāng)前隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)模式進(jìn)入智能化時(shí)代，大規(guī)模定制能力成為核心競(jìng)爭(zhēng)力，生產(chǎn)效率和靈活應(yīng)變兼顧，對(duì)于生產(chǎn)模式的變革提出了巨大挑戰(zhàn)。

△制造業(yè)發(fā)展模式變革

目前的機(jī)械化大生產(chǎn)模式嚴(yán)重依賴(lài)大型工廠，需要眾多的機(jī)器、大量專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)與加工技術(shù)人員才能實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于增材制造來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)師不再是專(zhuān)業(yè)的技術(shù)的人員，甚至設(shè)計(jì)師就是消費(fèi)者本身，因?yàn)閯?chuàng)成式設(shè)計(jì)等智能化設(shè)計(jì)方法大大降低了設(shè)計(jì)師的行業(yè)門(mén)檻。制造人員也將不需在工廠工作，在家中就可以管理好所有的工廠設(shè)備，正真實(shí)現(xiàn)“黑燈工廠”�？蛻�(hù)從下單到制造完成再到接收貨物就像如今的“京東次日達(dá)”一樣方便，因?yàn)楣�廠可能就在每個(gè)城市的某個(gè)“配送點(diǎn)”。總之，3D打印將實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)模式的根本變革，從傳統(tǒng)制造業(yè)的批量化、規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化制造轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄖ苹�、個(gè)性化、分布式制造。

△3D打印對(duì)供應(yīng)鏈的影響

第三、商業(yè)模式的變革
隨著增材技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，增材制造與數(shù)字孿生、工業(yè)互聯(lián)、人工智能等橫向技術(shù)融合，將消費(fèi)端、生產(chǎn)端、銷(xiāo)售端、物流端統(tǒng)一結(jié)合起來(lái)，全部人員直接參與到產(chǎn)品生命周期當(dāng)中。平臺(tái)經(jīng)濟(jì)的商業(yè)模式不再局限于銷(xiāo)售，從最初的設(shè)計(jì)過(guò)程、到生產(chǎn)制造、再到后期產(chǎn)品的維修，都將借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化文件的共享和交易，云平臺(tái)將所有的商業(yè)活動(dòng)都納入其中。這種商業(yè)模式是一種更順應(yīng)綠色發(fā)展的經(jīng)濟(jì)模式，增材制造減少了原材料的使用量，降低了對(duì)自然資源和環(huán)境的壓力，大大壓縮供應(yīng)鏈，減少能源消耗，對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、環(huán)境和消費(fèi)者都頗具益處。

△DfAM賦能商業(yè)模式進(jìn)化

增材制造刺激了商業(yè)模式的進(jìn)化，不僅使產(chǎn)品更容易適應(yīng)市場(chǎng)需求，降低業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，而且使創(chuàng)新邊界得以無(wú)限延伸，甚至是器官移植的商業(yè)模式也向制造業(yè)模式轉(zhuǎn)換。運(yùn)用X線電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）和核磁共振成像（MRI）掃描數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)出符合患者需求的植入物，通過(guò)3D打印制造出人工器官植入患者體內(nèi)，3D打印實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)一次革命性的變革。

安世亞太公司基于多年的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和思考沉淀，推出了“增材思維 數(shù)智未來(lái)”系列文章。本文是該系列文章的總論部分，接下來(lái)我們將從碳中和制造、成本控制、智能設(shè)計(jì)、多源技術(shù)融合、新能源應(yīng)用等5個(gè)方面，闡述增材制造的數(shù)字化未來(lái)，敬請(qǐng)期待。

參考文獻(xiàn)：
1、3D HUBS：Additive manufacturing trend report 2021
2、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院：2021年中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模與發(fā)展前景分析
3、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院：2021年全球3D打印行業(yè)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)格局
4、德勤：數(shù)字化轉(zhuǎn)型報(bào)告
5、LeSalle：The impact of 3D printing on supply chains

—作者—
馬立敏，安世亞太增材設(shè)計(jì)首席專(zhuān)家，高級(jí)工程師，北京航空航天大學(xué)/中國(guó)商飛公司博士后。主要研究方向?yàn)樵霾闹圃靹?chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品多次獲得全國(guó)性學(xué)會(huì)及行業(yè)大獎(jiǎng)，在增材制造創(chuàng)新設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面具有豐富的經(jīng)驗(yàn)和獨(dú)到的見(jiàn)解。