麥肯錫報告：增材制造正在成為制造業(yè)的主流

導(dǎo)讀：經(jīng)過40年的發(fā)展，增材制造要如何才能成為普遍應(yīng)用的技術(shù)？南極熊10年前進(jìn)入3D打印行業(yè)，創(chuàng)辦南極熊3D打印網(wǎng)m.lhkhtyz.com，就是因?yàn)椴聹y它可能會與機(jī)加工、注塑一樣，成為制造業(yè)的主流。只要路的方向是對的，就不怕漫長和遙遠(yuǎn)。

在2018年上映的喜劇電影《瞞天過海:美人計》中，8位女盜賊佩戴一副帶有內(nèi)置3D掃描儀的眼鏡，對價值1.5億美元的卡地亞項(xiàng)鏈進(jìn)行掃描，然后立即將數(shù)字文件發(fā)送給3D打印機(jī)，用3D打印技術(shù)把這個項(xiàng)鏈復(fù)制出來。

盡管好萊塢迅速抓住了增材制造（3D打印）的潛力，但這些技術(shù)在現(xiàn)實(shí)世界的制造中卻遲遲找不到像大片中的應(yīng)用。

增材制造技術(shù)的四大優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式相比，增材制造技術(shù)提供了四個潛在的優(yōu)勢。
首先，它可以打印幾乎任何三維形狀，使設(shè)計者能夠自由地創(chuàng)造出比傳統(tǒng)替代品性能更好或成本更低的零件。例如，空中客車公司生產(chǎn)的一個增材制造的鈦合金支架比之前的零件輕30%，而不影響性能或耐久性。

△空客3D打印某鋁合金支架（南極熊配圖）

其次，由于不需要模具或固定工具，機(jī)器生產(chǎn)的每個零件都可以是獨(dú)一無二的，為大規(guī)模定制鋪平道路。測試設(shè)備制造商Vectoflow使用增材制造技術(shù)為流體流量測量應(yīng)用生產(chǎn)定制的探頭。它的微激光燒結(jié)工藝使緊湊和復(fù)雜的設(shè)計具有流線型的形狀，以減少對被測流體的影響。探頭是用一系列材料制造的，以適應(yīng)所需的操作環(huán)境，包括不銹鋼、鈦和各種超耐熱合金。

△Vectoflow 3D打印的流體流量測量探頭（南極熊配圖）

第三，消除了耗時的工具制造和加工操作，加快了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)，縮短了上市時間。最新的阿麗亞娜6號火箭中使用的復(fù)雜的燃料噴射器頭是增材制造的鎳基合金。這個部件以前是由248個單獨(dú)加工的部件焊接而成的。

最后，增材制造可以簡化產(chǎn)品的維護(hù)和支持工作，通過從數(shù)字文件中按需生產(chǎn)零件，可以減少對備件庫存的需求。例如，汽車制造商梅賽德斯-奔馳（Mercedes-Benz）現(xiàn)在使用增材制造技術(shù)來生產(chǎn)經(jīng)典汽車的備件。

△梅賽德斯-奔馳3D打印汽車備件（南極熊配圖）

行業(yè)技術(shù)在進(jìn)步

到2020年，在第一臺商業(yè)3D打印機(jī)開發(fā)出來40年后，對增材制造行業(yè)的分析顯示，它已經(jīng)發(fā)展成為一個134億歐元的產(chǎn)業(yè)，年增長率為22%。這個行業(yè)仍然極具活力，有200多個參與者在競相開發(fā)新的硬件、軟件和材料。

快速創(chuàng)新正在推動增材制造技術(shù)性能的重大改進(jìn)。最新一代的機(jī)器正在突破許多限制，例如，允許生產(chǎn)懸空的零件而不需要打印支撐結(jié)構(gòu)，或者通過使用磁場控制纖維加固的排列來創(chuàng)造更強(qiáng)大的零件�？捎糜谠霾闹圃煜到y(tǒng)的材料范圍繼續(xù)擴(kuò)大，包括高強(qiáng)度的鋁合金和醫(yī)療級的聚合物。

△SLM Solutions無支撐金屬3D打印零件（南極熊配圖）

增材制造系統(tǒng)的速度也在不斷提高。例如，最近基于選擇性激光燒結(jié)（SLS）的系統(tǒng)，使用多達(dá)一百萬個激光二極管來加速零件的生產(chǎn)。而軟件和后處理技術(shù)的改進(jìn)正在進(jìn)一步簡化從概念到成品部件的端到端流程。增材制造技術(shù)與創(chuàng)成式設(shè)計系統(tǒng)搭配得非常好，甚至還使用人工智能技術(shù)來定義和優(yōu)化零件的幾何形狀。

△EOS 百萬激光二極管燒結(jié)技術(shù)（南極熊配圖）

在許多領(lǐng)域，增材制造已被廣泛接受，成為產(chǎn)品開發(fā)和測試期間生產(chǎn)功能原型的最快和最經(jīng)濟(jì)的方式。增材制造技術(shù)也被應(yīng)用于越來越多的 "間接 "應(yīng)用，包括工具、備件和夾具。

增材制造的四個障礙

然而，雖然已經(jīng)開始使用增材制造直接制造最終產(chǎn)品，但大規(guī)模采用這種方法仍然有限。制造商提到了他們使用增材制造時遇到的四個重要障礙。

①硬件。大多數(shù)增材制造機(jī)器的速度慢，制造量有限，限制了可能的應(yīng)用范圍。事實(shí)證明，這種機(jī)器也很難集成到生產(chǎn)工作流程中。一個工業(yè)化的增材制造生產(chǎn)單元可能需要用戶結(jié)合不同供應(yīng)商的制造、后處理和材料處理設(shè)備。

②軟件。增材制造設(shè)備通常依賴于供應(yīng)商的特定控制軟件，不同機(jī)器之間或與更廣泛的工廠中使用的設(shè)備和生產(chǎn)控制系統(tǒng)的整合有限。實(shí)現(xiàn)一致的質(zhì)量和穩(wěn)定的生產(chǎn)力所需的技術(shù)和知識是很難得到的。

③材料。今天，即使是普通的工程材料，如果要做成適合增材制造設(shè)備加工的形式，也要貴得多。聚合物必須為增材制造設(shè)備專門開發(fā)，這是一個耗時而復(fù)雜的過程。而將金屬合金轉(zhuǎn)化為適合增材制造的粉末形式所需的額外加工，也大大增加了成本。此外，沒有足夠多的增材制造材料（特別是聚合物），在關(guān)鍵的終端應(yīng)用中進(jìn)行充分認(rèn)證。

④服務(wù)。工業(yè)用戶抱怨說，設(shè)備供應(yīng)商目前沒有提供高水平的技術(shù)支持，除了安裝和調(diào)試設(shè)備所需的支持。用戶希望得到更多的幫助，例如，完善部件設(shè)計以適應(yīng)特定的制造工藝，或者在生產(chǎn)開始后找到提高機(jī)器質(zhì)量、可靠性和生產(chǎn)率的方法。

最后，制造商很難弄清楚增材制造將如何使他們受益。設(shè)計師們也對增材制造系統(tǒng)的能力以及如何為增材制造設(shè)計的認(rèn)知有限。簡單地將一個現(xiàn)有的部件從傳統(tǒng)的制造工藝轉(zhuǎn)換為增材制造工藝，很少有好處。相反，當(dāng)利用增材制造的獨(dú)特能力時，好處就會出現(xiàn)，例如將多個特征結(jié)合到一個部件中，以減少裝配中的零件總數(shù)，或消除對后續(xù)制造或工藝步驟的需要。

今天，工業(yè)規(guī)模的增材制造安裝的風(fēng)險全部由終端用戶承擔(dān)。而這些障礙會讓使用增材制造技術(shù)直接制造的商業(yè)案例變得極其困難�？朔�這些障礙是對整個行業(yè)的挑戰(zhàn)。例如，設(shè)備制造商可以在速度、端到端自動化以及與現(xiàn)有制造系統(tǒng)的整合方面做出進(jìn)一步的改進(jìn)，而材料供應(yīng)商可以解決有關(guān)認(rèn)證、可用性和成本的問題。

然而，雄心勃勃的制造商不需要等待增材制造行業(yè)來做所有的工作。盡管存在局限性，一些工業(yè)用戶已經(jīng)在使用增材制造的直接生產(chǎn)方面取得了重大進(jìn)展，沿途發(fā)展的知識和能力將在行業(yè)發(fā)展中為他們提供良好的服務(wù)。

增材制造成為醫(yī)療奇跡

醫(yī)療設(shè)備行業(yè)是一個已經(jīng)成功超越這些限制的特別領(lǐng)域�，F(xiàn)在，增材制造技術(shù)被常規(guī)地、大規(guī)模地應(yīng)用于生產(chǎn)各種產(chǎn)品，包括假肢和植入物、手術(shù)導(dǎo)板和用于術(shù)前規(guī)劃或手術(shù)培訓(xùn)的解剖模型。

這些應(yīng)用之所以成功，是因?yàn)樗鼈兪歉叨榷ㄖ频摹⒏邇r值的應(yīng)用，為病人和臨床醫(yī)生提供了傳統(tǒng)制造技術(shù)無法比擬的好處。例如，外科醫(yī)生不需要花時間去刮骨或塑造一個標(biāo)準(zhǔn)的骨科植入物，而是可以簡單地安裝一個根據(jù)病人的形態(tài)制造的定制植入物。增材制造技術(shù)甚至正在制藥領(lǐng)域進(jìn)行探索，使用3D打印技術(shù)來生產(chǎn)具有定制藥物劑量和釋放特性的藥片。

△三迭紀(jì)3D打印藥片（南極熊配圖）

卓越的增材制造藍(lán)圖

與此同時，其他行業(yè)的制造商在對增材制造技術(shù)進(jìn)行更全面的了解之前，是無法利用好增材制造的好處。這通常需要他們開發(fā)新的產(chǎn)品設(shè)計、制造流程和商業(yè)模式。醫(yī)療領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)表明，這是可以做到的。

下圖描述了一個框架，可以幫助一個公司如何發(fā)展增材制造能力。它的目的是將風(fēng)險降到最低，并保持較低的前期投資，包括從最初的調(diào)查到大規(guī)模應(yīng)用的整個過程。

這種方法的核心是 "增材制造能力中心"，它將增材制造工作整合到一個中心里。一開始，這個能力中心可以是一個小型的、專門的團(tuán)隊(duì)，但最好是面向外部，與外部合作伙伴一起發(fā)展知識和關(guān)系，并與整個組織的工程師和其他利益相關(guān)者分享所學(xué)。

在能力中心的領(lǐng)導(dǎo)下，組織對增材制造的首次嘗試可以是快速和低風(fēng)險的，主要是發(fā)展對現(xiàn)有技術(shù)的理解，并對潛力產(chǎn)生興奮感。原型零件的生產(chǎn)是最常見的增材制造起點(diǎn)，而裝配用工具的制造可以幫助生產(chǎn)工程師和車間人員產(chǎn)生興奮感。

在試驗(yàn)這些簡單應(yīng)用的同時，能力中心也可以開始確定更系統(tǒng)地應(yīng)用增材制造技術(shù)的機(jī)會�？梢詫ふ覂r值鏈上的關(guān)鍵點(diǎn)，用增材制造來提供幫助，例如消除廢料、簡化裝配、減少庫存或改進(jìn)下一代產(chǎn)品。

為了探索這些機(jī)會，同時保持可控的投資水平，公司可以采取合作的方式。通過建立一個小型的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)，如增材制造服務(wù)供應(yīng)商或設(shè)計咨詢公司，公司可以獲得實(shí)驗(yàn)不同方法和技術(shù)所需的能力和專業(yè)知識。同時，領(lǐng)導(dǎo)者可以關(guān)注未來應(yīng)用的機(jī)會，以達(dá)到真正的規(guī)模。例如，在受管制的行業(yè)中，有前途的材料、設(shè)計方法和技術(shù)的早期認(rèn)證可以通過消除潛在的采用瓶頸而提供競爭優(yōu)勢。

當(dāng)它將最有前途的增材制造應(yīng)用推向生產(chǎn)時，公司進(jìn)入了建設(shè)和轉(zhuǎn)讓階段。為了更快地確定進(jìn)一步的潛在應(yīng)用，公司可以將他們不斷增長的增材制造知識編入設(shè)計工具，例如。這些工具可能包括所有權(quán)總成本（TCO）模型，使其易于量化企業(yè)內(nèi)部普通應(yīng)用轉(zhuǎn)向增材制造的成本和效益。同時，企業(yè)可以加強(qiáng)與生態(tài)系統(tǒng)伙伴的合作，根據(jù)需要轉(zhuǎn)讓知識，并開始為內(nèi)部生產(chǎn)增材制造零件獲得必要的硬件。

一旦在使用增材制造直接生產(chǎn)方面獲得了一些經(jīng)驗(yàn)，公司就可以進(jìn)入規(guī)模和持續(xù)階段，將增材制造完全納入制造技術(shù)組合中。這個階段通常涉及投資額外的生產(chǎn)能力，開發(fā)設(shè)計和生產(chǎn)控制的標(biāo)準(zhǔn)流程，以及進(jìn)一步培養(yǎng)工程師和操作員的技能。

一個擁有增材制造能力的組織也可以開始重新思考商業(yè)模式，并確定競爭優(yōu)勢的額外來源。例如，它能否應(yīng)用增材制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的后期定制，或?yàn)槟承┯脩羧褐圃煜蘖靠�？它能否利用增材制造技術(shù)作為原型和全面生產(chǎn)之間的橋梁，讓新產(chǎn)品在選定的客戶群中進(jìn)行測試？

在經(jīng)歷了數(shù)十年的小打小鬧之后，增材制造正站在風(fēng)口浪尖上。更快的機(jī)器、更好的材料和更智能的軟件正在幫助使增材制造成為許多現(xiàn)實(shí)世界生產(chǎn)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)解決方案。隨著技術(shù)壁壘的下降，制造商有責(zé)任提高他們對這些快速發(fā)展的技術(shù)的理解，建立必要的技能、流程和商業(yè)模式，使增材制造在工業(yè)領(lǐng)域大放異彩。

關(guān)于作者

Jörg Bromberger是麥肯錫柏林辦事處的戰(zhàn)略和運(yùn)營總監(jiān)，Julian Ilg是慕尼黑辦事處的資深研究員，Ana Maria Miranda是哥斯達(dá)黎加圣何塞辦事處的顧問。