為什么要發(fā)展增材制造？

二、發(fā)展增材制造的意義

1.為什么增材制造受到設(shè)計(jì)者、制造者和消費(fèi)者的關(guān)注?

  增材制造是融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工與成形技術(shù),以數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ),通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將特制材料逐層堆積固化,制造出實(shí)體產(chǎn)品的制造技術(shù)。它與傳統(tǒng)的,對(duì)原材料進(jìn)行切削、組裝的加工模式不同,是通過材料累加的原理,從無到有地制造產(chǎn)品的新型技術(shù)工藝。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)來帶一系列深刻的變革。

  第一,新的生產(chǎn)模式。作為一種“無需工具”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)者帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。目前大型工廠的生產(chǎn)需要眾多的機(jī)器、大量專業(yè)設(shè)計(jì)與加工技術(shù)人員才能實(shí)現(xiàn)。而對(duì)于增材制造來說,設(shè)計(jì)師將不需在工廠工作,在家中就可以把設(shè)計(jì)好的數(shù)字化文件發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上,客戶通過文件下載,利用3D打印機(jī)制造出符合需求的產(chǎn)品。這將實(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)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化制造轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄖ苹?、個(gè)性化、分布式制造(見圖3)。

圖3 增材制造服務(wù)流程

  第二,新的設(shè)計(jì)理念。由于增材制造技術(shù)是通過層層堆積的方式來進(jìn)行生產(chǎn),可以制造出形狀高度復(fù)雜的產(chǎn)品。這使得過去受到傳統(tǒng)加工方式的約束,而無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造變?yōu)榭赡堋＿@將大大簡化產(chǎn)品設(shè)計(jì),提高零部件的集成度,加快產(chǎn)品開發(fā)周期。例如對(duì)于航空航天領(lǐng)域來說,可以通過優(yōu)化產(chǎn)品的幾何形狀來降低零部件重量,以此改進(jìn)強(qiáng)度-重量比,降低燃料消耗。還可以通過多種材料局部區(qū)域的組分調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)單一零件的多功能化(即零件的不同部位實(shí)現(xiàn)不同的力學(xué)性能),以滿足實(shí)際需求。同時(shí),由于不涉及熔煉、鍛造、機(jī)加工等工序,增材制造可以使產(chǎn)品的研發(fā)周期縮短了30%-50%,明顯縮短產(chǎn)品的開發(fā)成本與周期。

  第三,新的商業(yè)模式。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展,增材制造與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來還將使得消費(fèi)者直接參與到產(chǎn)品生命周期當(dāng)中,從最初的設(shè)計(jì)過程、到生產(chǎn)制造、再到后期產(chǎn)品的維修,并借助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化文件的共享和交易。這大大規(guī)避了傳統(tǒng)制造業(yè)和零售業(yè)的價(jià)值鏈,刺激了新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式、銷售商業(yè)模式和供應(yīng)鏈管理模式的產(chǎn)生,使相關(guān)企業(yè)受益(圖4)。消費(fèi)者的參與一方面將大幅度提升企業(yè)的創(chuàng)新能力與研發(fā)實(shí)力,使創(chuàng)新邊界得以延伸,另一方面使產(chǎn)品更容易適應(yīng)市場(chǎng)需求,降低業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 增材制造對(duì)傳統(tǒng)供應(yīng)鏈的沖擊示意圖

  第四,實(shí)現(xiàn)個(gè)性化產(chǎn)品制造。由于具有“自由設(shè)計(jì)”和“無需工具”的優(yōu)點(diǎn),增材制造將使得商業(yè)化個(gè)性制造成為可能,從運(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)打印出百分百符合患者需求的植入物,到個(gè)性化的消費(fèi)品如鞋子、珠寶和家庭用品。隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展,利用增材制造技術(shù)還可以直接打印活體組織,制造出符合人體需求的人工器官,實(shí)現(xiàn)人工器官的再造將給現(xiàn)代醫(yī)學(xué)帶來一次革命性的變革。

第五,順應(yīng)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。相對(duì)于利用切削機(jī)床對(duì)毛坯進(jìn)行加工的“減材制造”,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。此外,增材制造還可大大壓縮供應(yīng)鏈,使得傳統(tǒng)的離岸經(jīng)濟(jì)模式得以改變。它將允許在靠近消費(fèi)區(qū)域的地點(diǎn)進(jìn)行同步生產(chǎn),實(shí)現(xiàn)分布式制造。這將顯著地削減將量產(chǎn)商品從生產(chǎn)地運(yùn)送到消費(fèi)地所消耗的大量能源,對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、環(huán)境和消費(fèi)者都頗具益處。

2. 增材制造可以給中國帶來什么?

  增材制造最初只是用于原型件制造,經(jīng)過多年的發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)開始拓展到電子、汽車、醫(yī)療、工業(yè)及商用機(jī)器、航空航天等眾多行業(yè)。據(jù)《Wohlers Report 2013》發(fā)布的信息,2012年增材制造全球產(chǎn)值為22.04億美元,比2011年的17.14億美元增長28.6%。預(yù)計(jì)2015年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將翻番達(dá)到40億美元。雖然增材制造技術(shù)在近幾年得到了快速的發(fā)展,但根據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析,目前此技術(shù)的市場(chǎng)滲透率仍然不足8%。一部分原因是由于此項(xiàng)技術(shù)的認(rèn)知度不足,但更重要的是此項(xiàng)技術(shù)目前還面臨一些技術(shù)瓶頸,限制了其更大規(guī)模的應(yīng)用。如果可以突破這些瓶頸,那么此項(xiàng)技術(shù)的市場(chǎng)滲透率將達(dá)到92%,其產(chǎn)值將在2020年超過1000億美元。對(duì)比之下,目前全球航天產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值約為3300億美元。由此可見,作為一種高附加值的制造業(yè)經(jīng)濟(jì),增材制造將有可能成長為一個(gè)龐大的產(chǎn)業(yè),在中國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。目前,這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療器械和創(chuàng)意行業(yè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了小規(guī)模應(yīng)用,并開始向其他行業(yè)拓展。與之相關(guān)的儀器裝備、材料生產(chǎn)、軟件開發(fā)及創(chuàng)意設(shè)計(jì)等行業(yè)也將迎來重大的市場(chǎng)機(jī)遇。除此之外,增材制造還具有其他方面的戰(zhàn)略價(jià)值。

  第一,增材制造可提升制造業(yè)發(fā)展水平,增強(qiáng)國家先進(jìn)制造技術(shù)的國際競爭力。雖然我國制造業(yè)規(guī)模已經(jīng)位居世界第一,但總體上大而不強(qiáng)。隨著制造業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,個(gè)性化需求逐漸增多,新的變革正在悄然到來。這意味著一些傳統(tǒng)工廠將逐漸消失,生產(chǎn)制造將從大型、復(fù)雜、昂貴、冗長的工業(yè)過程中分離出來。部分高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)方式將像圓圈一樣又繞回到了原點(diǎn),從大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)回到個(gè)性化生產(chǎn)。生產(chǎn)目標(biāo)將不再是追求規(guī)模經(jīng)濟(jì),而是更快更靈活的生產(chǎn)。這一轉(zhuǎn)變將有可能導(dǎo)致新興市場(chǎng)的一些生產(chǎn)崗位重新回到發(fā)達(dá)國家手中。另外,增材制造和傳統(tǒng)制造工藝的結(jié)合將可促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。例如,機(jī)械零件制造所用的復(fù)雜模具就可以通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)。德國EOS通過此技術(shù)生產(chǎn)的一款產(chǎn)品,成本降低了近85%,生產(chǎn)周期降低了50%,有力的促進(jìn)了復(fù)雜磨具和機(jī)械零件制造技術(shù)的進(jìn)步。因此,面對(duì)發(fā)達(dá)國家實(shí)行的“制造業(yè)復(fù)興計(jì)劃”,積極發(fā)展以增材制造為代表的先進(jìn)制造業(yè)技術(shù),帶動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí),推動(dòng)我國由制造大國向制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變,是鞏固我國全球制造業(yè)第一大國地位的戰(zhàn)略需要。

  第二,增材制造可以降低貴重資源的消耗,實(shí)現(xiàn)稀缺材料和其他資源的高效利用。由于增材制造采用堆積方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造,超過90%的原材料可以回收再利用,此技術(shù)具有節(jié)料、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)。這對(duì)于一些大量應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)的稀缺資源來說,具有重要的戰(zhàn)略意義。例如在航空航天領(lǐng)域,為實(shí)現(xiàn)零件的高性能,需要大量使用鈦合金和鎳基合金等昂貴的戰(zhàn)略材料。而這些材料的加工十分困難,傳統(tǒng)的鍛造工藝會(huì)切削產(chǎn)生大量難以再利用的廢屑,造成巨大的原材料浪費(fèi)。如F22戰(zhàn)機(jī)的鈦合金框重量為144kg,但其原始鍛件質(zhì)量高達(dá)到2 980kg,材料利用率僅為4.8%。運(yùn)用增材制造技術(shù),可以把高性能金屬零件的材料利用率大幅度提高,節(jié)約2/3以上的昂貴原材料。

  第三,增材制造將在未來實(shí)現(xiàn)“活體”打印,催生生物醫(yī)療行業(yè)發(fā)生變革。增材制造技術(shù)最具開創(chuàng)性、革命性意義的應(yīng)用是進(jìn)行人體組織的“活體”打印。目前,全球器官移植的需求量巨大,僅美國就有11.4萬人等待合適的器官配對(duì),每年有超過6 600名患者在等待中過世。利用3D打印技術(shù),則可以使用患者的細(xì)胞制作“活體組織”,用于器官移植解決此問題。雖然道路十分漫長,但前景非常令人期待。設(shè)計(jì)和制造有生命的人體組織,甚至是人體器官已經(jīng)成為生命科學(xué)前沿研究中的重點(diǎn)方向,其發(fā)展和應(yīng)用正在催生一個(gè)新的學(xué)科——再生醫(yī)學(xué)。未來20年內(nèi),再生醫(yī)學(xué)的年產(chǎn)值將突破5 000億美元,替代常規(guī)的生物材料成為生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)的主體。因此,發(fā)展增材制造不僅可以促進(jìn)我國生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)快速健康的發(fā)展,而且對(duì)提高國民健康水平也具有重大意義。

  第四,增材制造可激發(fā)的新型設(shè)計(jì)理念、生產(chǎn)方式和商業(yè)模式,將創(chuàng)造更加卓越的價(jià)值鏈體系形成。增材制造不僅是一種先進(jìn)的制造技術(shù),它還將對(duì)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)理念、生產(chǎn)方式和商業(yè)模式產(chǎn)生沖擊,使得制造和設(shè)計(jì)被整合成為“精益設(shè)計(jì)”模式。這不但會(huì)影響制造業(yè)本身,還將改變經(jīng)濟(jì)發(fā)展的模式和我們的生活方式。增材制造將使得制造過程的復(fù)雜性降至最低,而通過精益設(shè)計(jì)提高制造的靈活度將成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。面向制造的設(shè)計(jì)與面向裝配的設(shè)計(jì)理念將逐步為人接受,并成為行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新之道的模式。

  這種變化恰恰迎合了信息技術(shù)快速發(fā)展的趨勢(shì),如iTunes等數(shù)碼產(chǎn)品的興起盤活了傳統(tǒng)的音樂和影視產(chǎn)業(yè),淘寶等電子商務(wù)的崛起激活了大眾消費(fèi)潛能釋放一樣,增材制造將有可能實(shí)現(xiàn)大量現(xiàn)有產(chǎn)品的數(shù)字化文件(3D模型文件)授權(quán)和交易。未來,隨著互聯(lián)網(wǎng)的愈發(fā)普及,人聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)網(wǎng)的大融合所產(chǎn)生的“智慧工廠”將取代傳統(tǒng)封閉性的制造模式,即充分利用信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)制造的智能化(見圖5)。這不僅僅可以使公司內(nèi)部人員得到解放,將精力投入到創(chuàng)新和增值業(yè)務(wù)上去,還可通過遠(yuǎn)程合作來實(shí)現(xiàn)眾包(crowdsource)創(chuàng)意資源的最大化利用,使得公司可以從一個(gè)更大的視野看待產(chǎn)品研發(fā)。這種模式將釋放整個(gè)社會(huì)的智慧,通過協(xié)同制造、全面參與構(gòu)建兼具個(gè)性化和數(shù)值化的產(chǎn)品與服務(wù),催生出新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式,演化出更加靈活和富有活力的商業(yè)模式,重組產(chǎn)業(yè)鏈分工、創(chuàng)造新的盈利模式和價(jià)值鏈體系。對(duì)我國制造業(yè)未來的發(fā)展來說,順應(yīng)信息化下制造方式的轉(zhuǎn)變,通過先進(jìn)技術(shù)引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)“中國制造”到“中國創(chuàng)造”的轉(zhuǎn)變將變得尤為重要。

圖5 由人聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)網(wǎng)構(gòu)建的人、物、商業(yè)交織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

四、增材制造未來發(fā)展趨勢(shì)

1. 增材制造未來發(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)域來說,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(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,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的。

圖8 Wohlers Associates公司預(yù)測(cè)的增材制造技術(shù)未來應(yīng)用方向

  從細(xì)分領(lǐng)域的預(yù)期來看,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(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,將成為未來市場(chǎng)的有力競爭者。而對(duì)于大型設(shè)計(jì)和制造企業(yè)來說,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,將為未來的創(chuàng)新搭建了廣闊的舞臺(tái)。正如美國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)。

圖9 美國CSC公司預(yù)測(cè)的增材制造技術(shù)影響

2. 增材制造未來對(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2 300~5 500億美元(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)來說,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。在上述兩個(gè)市場(chǎng),預(yù)計(jì)通過使用增材制造技術(shù),可減少產(chǎn)品制造過程中原材料的浪費(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%。

圖10 麥肯錫預(yù)期2025年增材制造對(duì)全球經(jīng)濟(jì)的影響

  目前,全球制造業(yè)的GDP價(jià)值超過7萬億美元,涉及全球12%的勞動(dòng)力(3.2億人)。長遠(yuǎn)來看,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)的未來發(fā)展方向。誠然,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。但無論其在未來市場(chǎng)滲透率達(dá)到什么程度,這種技術(shù)都不是萬能的,不可能適用于制造業(yè)的所有領(lǐng)域。英國增材制造咨詢公司Econolyst在過去的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)卻又低估它們的長期發(fā)展?jié)摿ΑＲ虼?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”?？闹兴龅囊粯?制造業(yè)革命非一日之勤,不過這次革命則已經(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,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,不停的敲打著一塊金屬是在干什么呢?

來源:《新材料產(chǎn)業(yè)》雜志,作者: 于灝 黃瑤