【詳解】為什么要發(fā)展增材制造？（下）

3D打印代表著未來制造業(yè)發(fā)展的方向之一，但受限于現(xiàn)有技術及材料缺乏，現(xiàn)階段3D打印技術試驗性用途大于實用性。哥本哈根未來研究學院（CIFS）名譽主任約翰·彼得·帕魯坦說過，我們的社會通常會高估新技術的可能性，同時卻又低估它們的長期發(fā)展?jié)摿�。南極熊認為，3D打印技在未來的發(fā)展將會有無限可能，接下來我們就一起來看一下，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.技術工藝現(xiàn)狀
自增材制造技術誕生以來，已經有十幾種新工藝和新系統(tǒng)及設備先后面世。根據(jù)2012年1月美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）增材制造技術委員會F42頒布的標準——“增材制造技術標準用語(ASTM F2792-12)”，這種工藝被簡潔地定義為：“基于3-D模型數(shù)據(jù)，通常采用與減式制造技術相反的逐層疊加的方式，結合材料來生產物品的過程”（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，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、粘結劑噴射、材料擠出、容器內光聚合和片層壓。在此基礎上，英國增材制造特別興趣小組（AM SIG）又對7大工藝進行細化，整理出10余種分支工藝。表1總結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、所采用的材料體系、包含的分支工藝和相關的代表企業(yè)及院校。

從市場的角度來說，增材制造可用于樣品原型制造、模具制造、直接零部件制造、零部件維護及修理等領域。樣品原型制造是增材制造最早進入的市場，被用于評估和優(yōu)化模型的尺寸、結構和功能等方面設計，使產品達到最佳性能。對于模具制造來說，熔模鑄造和砂型鑄件已開始通過增材制造進行生產，這種技術還可以用于硅膠模具和氨酯鑄件等生 產。直接零部件制造則是增材制造發(fā)展最快的一個領域，由于可以直接用于生產最終產品，該領域在增材制造應用市場中所占的比重已經上升到第1位。

增材制造還越來越多的用于零部件的維護和修理，特別是當所用零件非常昂貴的時候。這種技術可以用來修復只有小部分損壞的大部件，由于其修復所產生的殘余應力很小，非常適用于對熱變形高度敏感的部件。對于不同的增材制造工藝，其適用的市場也有所區(qū)別。其中，大部分工藝普遍應用于模型制造，而對于直接零部件制造、零部件維護及修理來說，需選用所對應的專用技術工藝。

2.應用現(xiàn)狀
由于增材制造的一些獨特優(yōu)勢，這項技術近年來已在航空航天、醫(yī)療、文化創(chuàng)意、消費電子產品、軍工等眾多領域實現(xiàn)應用。

表2根據(jù)7大技術工藝及所用材料體系，對國際上已經出現(xiàn)的相關應用進行了詳細分析。從表中可以看出，每一種工藝都各有所長，所適用的應用領域也有所不同。在選用不同工藝時，主要的考慮因素包括工藝的生產速度、可用的材料種類、產品的尺寸限制、產品的表面光滑度和精密度、產品的力學性能、機器及材料的成本、操作的方便性和安全性 等。

比如，定向能量沉積工藝可生產高性能的金屬部件，在高端工程領域的應用比較廣泛。對比之下，粘結劑噴射工藝和材料擠出工藝則可以生產保真度很高的組件，主要用于樣品原型制造和工藝品生產，但由于產品的機械性能較差，不適合航空航天等領域。粉末床熔合工藝的應用則最為廣泛，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域進行使用。 在諸多領域中，航空航天、生物醫(yī)療和創(chuàng)意產業(yè)領域的增材制造技術應用發(fā)展最為快速，表3列出了部分典型應用實例。對于航空航天領域來說，增材制造由于其獨特的應用優(yōu)勢，可滿足高精度、復雜形狀、小批量的生產要求，正在成為此領域中廣泛使用的技術。

波音公司已經制造出大約2萬多增材制造零部件，用于商業(yè)和軍用飛機上面。其中，32種部件用于波音787夢想客機中�？湛凸�司則正在進行一系列增材制造產品的檢驗測試，包括減重的起落架、機艙和冷卻系統(tǒng)等。生物醫(yī)療領域則是增材制造技術應用的另一重要領域，已成功應用的產品包括顱骨植入物、髖關節(jié)置換物、牙冠、體外模型等。

預計全球使用3D打印的矯正骨骼植入物患者已經超過3萬人，僅瑞典Arcam公司就制作2萬多個經過FDA批準、CE認證的植入物；美國Invisalign公司則已經銷售了超過200萬個透明3D打印定制牙套；西門子等公司使用3D技術生產的助聽器也成為了產品的主流。此外，創(chuàng)意產業(yè)方面的增材制造也正在快速發(fā)展。除了逐步火熱起來的3D打印人像模型、裝飾品、工藝品以外，增材制造技術還拓展到更多的產品創(chuàng)作上面。2013年巴黎時裝周上推出了一款由比利時Materialise公司利用3D打印技術生產的時裝，實現(xiàn)了復雜幾何圖案和獨特材質的完美結合。幾種增材制造產品實例如圖7所示。

四、增材制造未來發(fā)展趨勢
1.增材制造未來發(fā)展對各應用領域的影響
對于不同的應用領域來說，短期內增材制造技術還不足以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的制造方式。但隨著打印材料價格的下降，打印尺寸和速度的提升，增材制造技術在各應用領域的滲透也將逐步加深，人們會越來越多地使用到包含3D打印的零部件產品，甚至是完全通過3D打印制造的產品。如《Wohlers Report 2013》報告展示的遠景一樣（圖8），我們所能看到的往往只是整個冰山的一小部分，而海面下隱藏的巨大冰山才是尚待開發(fā)的領域，也是增材制造未來的潛力所 在。雖然我們還無法清晰的描述未來增材制造的全貌，但足以預期其技術發(fā)展趨勢。

海平面上方的冰川，代表了多年以來增材制造技術活躍的應用領域，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)展的應用領域，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，增材制造還能實現(xiàn)哪些不可思議的應用，我們現(xiàn)在還不得而知，但這些未知領域的應用將是非常令人期待。 從細分領域的預期來看，我們則可發(fā)現(xiàn)增材制造技術逐步滲透的方式有所區(qū)別，見圖9。

就航空航天 和汽車領域來說，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)療領域則將從“非活體”打印逐步進階到“活體”打印。對于創(chuàng)意行業(yè)而言，增材制造技術所帶來的沖擊并非制造方式的改變，而是創(chuàng)意設計模式的逐步改變。從更加宏觀的角度來看，增材制造對于通用制造、供應鏈和商業(yè)的影響都可歸于模式的革新，即生產模式、供應模式、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現(xiàn)生產的迅速擴大。

這些具有敏捷性和極短產品上市周期的新公司，將成為未來市場的有力競爭者。而對于大型設計和制造企業(yè)來說，增材制造技術是IT與制造業(yè)實現(xiàn)融合的機會。如上文所述，增材制造不僅僅是一種制造技術，更是一種數(shù)字化技術。借助互聯(lián)網所形成的“信息物理系統(tǒng)”，它所具有的開放型和大眾性，將為未來的創(chuàng)新搭建了廣闊的舞臺。正如美國航空航天局噴氣推進實驗室戰(zhàn)略中提到的：“IT”的涵義從信息技術（information technology）轉變?yōu)楣餐瑒?chuàng)新（innovate together）。

2. 增材制造未來對全球經濟的沖擊
雖然目前增材制造產業(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，增材制造每年對全球經濟的影響將達 到2 300億～5 500億美元（見圖10）。

其中，高附加值3D打印產品的直接消費對經濟的沖擊最大，規(guī)模將達到 1 000億～3 000億美元。對于零部件生產和模具制造兩個市場來說，其經濟影響將分別達到1 000億～2 000億美元和300億～500億美元。在上述2個市場，預計通過使用增材制造技術，可減少產品制造過程中原材料的浪費和預處理工序，節(jié)約生產升本40%～55%，產品的市場份額也將增加到30%～50%。 目前，全球制造業(yè)的GDP價值超過7萬億美元，涉及全球12%的勞動力（3.2億人）。長遠來看，增材制造技術的應用推廣將對全球經濟帶深遠的影響，然而其影響程度，還取決于技術的未來發(fā)展方向。誠然，增材制造的推廣將使得勞動力因素在制造業(yè)中的重要性顯著降低，減少生產成本和勞動力成本。

但無論其在未來 市場滲透率達到什么程度，這種技術都不是萬能的，不可能適用于制造業(yè)的所有領域。英國增材制造咨詢公司Econolyst在過去的7年中對230個產品和業(yè)務進行了評估，分析結果指出80%的產品由于種種原因，目前并不適合采用增材制造技術進行生產。實際上，現(xiàn)階段大多數(shù)吸引眼球的增材制造創(chuàng)新應用都還只是演示或原型件，其成本與實用性往往被忽略。增材制造作為先進制造技術中的一部分，其未來發(fā)展還要經受技術發(fā)展和應用市場的考驗。借用哥本哈根未來研究學院（CIFS）名譽主任約翰·彼得·帕魯坦(Johan Peter Paludans)的一句話：我們的社會通常會高估新技術的可能性，同時卻又低估它們的長期發(fā)展?jié)摿Α?br />

因此，把握增材制造發(fā)展的時代機遇，積極應對面臨的挑戰(zhàn)與困 應用規(guī)模3D打印產品直接消費 直接用于生產制造 工具及模具制造 其他潛在應用（未計算規(guī)模） 總計潛在經濟影響規(guī)模 1 000～3 000 1 000～2 000 300～500 2 300～5 500 2025年潛在經濟影響規(guī)模 2025年遠景預計4萬億美元個性化產品可能通過3D打印 制造 復雜醫(yī)用植入體和模具零部件消費3000億美元 運輸工具復雜零部件消費4700億美元 3600億美元全球注射成型塑料磨具市場 相關產品中，3D打印產品替換率達到30%～50% 30%～50%注射成型塑料模具產品采用3D打印 對消費者來說，3D打印產品價格下降40%～55% 通過使用高級3D打印模具降低生產成本30% 假設消費者介入，5%～10%的相關產品（如玩具）可實現(xiàn)3D打印 每個3D打印產品60%～80%的增值 產品價格下降35%～60%個人化產品增值10% 預計2025年潛在影響 2025年潛在規(guī)模化生產能力或收益 /億美元 難，理性評估技術和產業(yè)發(fā)展的程度，才能推動這種先進技術的快速健康發(fā)展，使其遠景變?yōu)楝F(xiàn)實。

正如《經濟學人》“第三次工業(yè)革命”專刊文中所述的一樣，制造業(yè)革命非一日之勤，不過這次革命則已經啟動良久。同其他數(shù)碼科技一樣，增材制造已經在成本上和生產效率上取得優(yōu)勢，該行業(yè)的突破將一發(fā)不可收拾。3D打印已經可以實現(xiàn)產品的逐個或小批量生產。未來，結合數(shù)字化制造，使各工作臺生產不同的產品，便可實現(xiàn)大規(guī)模定制生產。到了那時，這項技術便騰飛了。在10年或20年以后，當人們游覽法蘭克福展覽館時，將會對展覽館前面的“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（北京石油機械廠）