搜索為什么要發(fā)展增材制造？
2017-05-16 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
一、增材制造發(fā)展的背景環(huán)境
自2008年國際金融危機以來,以美國、歐盟為代表的西方發(fā)達國家開始積極尋找擺脫經濟危機的方法,并重新審視實體經濟和虛擬經濟之間的關系。這些發(fā)達國家紛紛調整經濟發(fā)展戰(zhàn)略,提出“再工業(yè)化”概念,希望通過重振制造業(yè)來拉動經濟復蘇,保持發(fā)達國家在核心科技領域的優(yōu)勢,重塑國家競爭力。以美國為例,2009年以來先后制定出臺了《重振美國制造業(yè)框架》、《制造業(yè)促進法案》、《先進制造伙伴(AMP)計劃》和《先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃》,如圖1所示,,從國家戰(zhàn)略層面提出加快創(chuàng)新、促進美國先進制造業(yè)發(fā)展的具體建議和措施。
圖1 美國先進制造政策里程碑
2012年3月,奧巴馬宣布實施投資10億美元的“國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡”計劃(NNMI),遴選出制造領域15項前沿性、前瞻性的制造技術,并建立制造業(yè)創(chuàng)新中心,全面提升美國制造業(yè)競爭力。同年4月,增材制造技術(也被稱為3D打印)被確定為首個制造業(yè)創(chuàng)新中心;8月,總投入達7000萬美元的國家增材制造創(chuàng)新中心(National Additive Manufacturing Innovation Institute)在俄亥俄州小城揚斯頓市剪彩成立。作為首個“樣板示范”中心,國家增材制造創(chuàng)新中心是由產業(yè)界、學術界、聯(lián)邦政府及州政府三方成員共同組成的公—私合作聯(lián)盟,致力于增材制造技術和產品的開發(fā),并成為新技術研究、開發(fā)、示范、轉移和推廣的基礎平臺。目前,中心成員已超過84家,其中包括波音、通用電氣、霍尼韋爾、3M、3D System、Stratasys、阿勒格尼技術、拜耳材料科學等全球知名公司,卡內基-梅隆大學、阿克隆大學、MIT林肯實驗室等全球知名研究機構,以及美國宇航局、能源部、教育部等美國政府部門。由此可見,增材制造不單單被認為是一項新興技術,它同其他先進制造技術一起承載了美國重振制造業(yè)的希望,是美國實現(xiàn)先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略的技術保障。奧巴馬總統(tǒng)在2013年和2014年的國情咨文演說中均談到了增材制造的重要性,他指出“3D打印可以革新我們幾乎任何東西的制造方法”,“我們現(xiàn)在有機會在下一輪高技術制造業(yè)崗位競爭中戰(zhàn)勝其他國家。我們已經在羅利和揚斯敦開始運行高技術制造業(yè)中心(國家增材制造創(chuàng)新中心),把商業(yè)和研究型大學聯(lián)系起來,幫助美國引領世界先進技術的發(fā)展?！?
隨著美國政府強力推動增材制造的發(fā)展,美國民間的制造商協(xié)會、咨詢公司、學者與媒體也紛紛發(fā)布報告或撰文,進行輿論宣傳,營造良好的社會環(huán)境。2012年3月,美國國防部防務分析研究所(IDA)發(fā)布了題為“增材制造業(yè):現(xiàn)狀與機遇”的研究報告,全面介紹了增材制造的現(xiàn)狀和關鍵技術的研究進展,面臨的技術挑戰(zhàn),和政府應發(fā)揮的作用。同年4月,英國《經濟學人》(The Economist) “第三次工業(yè)革命”(A third industrial revolution)專刊,通過7篇短文對制造業(yè)未來的發(fā)展趨勢進行了展望,認為增材制造將“與其他數(shù)字化生產模式一起推動、實現(xiàn)第三次工業(yè)革命”。8月,高德納(Gartner)公司發(fā)布的《高德納2012年新興技術炒作周期》報告認為綜合了數(shù)字建模、材料與化學、自動化控制、信息技術等多方面知識的增材制造技術將徹底顛覆現(xiàn)有生產和商業(yè)模式。其制造方式跟打印數(shù)字相片相似,允許客戶在家里面打印實體物件。結合3D 掃描技術,將可通過智能手機掃描特定對象,然后打印出相近的復制品。這項技術已經從技術萌芽期發(fā)展到期望膨脹期,與大數(shù)據(jù)一起成為當今最受市場關注的新技術之一。而生物三維打印也將在10年后達到期望膨脹期高點(見圖2)。短期內大幅度的媒體曝光引爆了全球對此技術的關注,使得增材制造在全球迅速升溫,如圖3所示。繼美國之后,歐洲及其他國家也在積極推動增材制造技術的研發(fā)及應用推廣。英國、德國、加拿大、日本、澳大利亞、新加坡等國相繼開始設立增材制造技術研究中心,建立大學、企業(yè)和政府之間的增材制造聯(lián)盟,提供研究資金支持大型項目合作,制定增材制造路線圖及相關標準,以促進本國增材制造技術的研發(fā)及產業(yè)化應用,搶占戰(zhàn)略制高點。
圖2:高德納2012年新興技術炒作周期
二、發(fā)展增材制造的意義
1.為什么增材制造受到設計者、制造者和消費者的關注?
增材制造是融合了計算機輔助設計、材料加工與成形技術,以數(shù)字化模型文件為基礎,通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將特制材料逐層堆積固化,制造出實體產品的制造技術。它與傳統(tǒng)的,對原材料進行切削、組裝的加工模式不同,是通過材料累加的原理,從無到有地制造產品的新型技術工藝。也正是由于增材制造的這種技術特點,使得它受到全球的廣泛關注,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,新的生產模式。作為一種“無需工具”的數(shù)字化制造技術,增材制造將有可能改變某些產品的生產模式,給企業(yè)和消費者帶來巨大的經濟和社會效益。目前大型工廠的生產需要眾多的機器、大量專業(yè)設計與加工技術人員才能實現(xiàn)。而對于增材制造來說,設計師將不需在工廠工作,在家中就可以把設計好的數(shù)字化文件發(fā)送到網(wǎng)絡上,客戶通過文件下載,利用3D打印機制造出符合需求的產品。這將實現(xiàn)生產模式的根本變革,從傳統(tǒng)制造業(yè)的批量化、規(guī)?；?、標準化制造轉變?yōu)槎ㄖ苹?、個性化、分布式制造(見圖3)。
圖3 增材制造服務流程
第二,新的設計理念。由于增材制造技術是通過層層堆積的方式來進行生產,可以制造出形狀高度復雜的產品。這使得過去受到傳統(tǒng)加工方式的約束,而無法實現(xiàn)的復雜結構制造變?yōu)榭赡?。這將大大簡化產品設計,提高零部件的集成度,加快產品開發(fā)周期。例如對于航空航天領域來說,可以通過優(yōu)化產品的幾何形狀來降低零部件重量,以此改進強度-重量比,降低燃料消耗。還可以通過多種材料局部區(qū)域的組分調節(jié),實現(xiàn)單一零件的多功能化(即零件的不同部位實現(xiàn)不同的力學性能),以滿足實際需求。同時,由于不涉及熔煉、鍛造、機加工等工序,增材制造可以使產品的研發(fā)周期縮短了30%-50%,明顯縮短產品的開發(fā)成本與周期。
第三,新的商業(yè)模式。隨著數(shù)字技術的發(fā)展,增材制造與互聯(lián)網(wǎng)結合起來還將使得消費者直接參與到產品生命周期當中,從最初的設計過程、到生產制造、再到后期產品的維修,并借助網(wǎng)絡實現(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)的價值鏈,刺激了新的產品設計模式、銷售商業(yè)模式和供應鏈管理模式的產生,使相關企業(yè)受益(圖4)。消費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)實力,使創(chuàng)新邊界得以延伸,另一方面使產品更容易適應市場需求,降低業(yè)務風險。
圖4 增材制造對傳統(tǒng)供應鏈的沖擊示意圖
第四,實現(xiàn)個性化產品制造。由于具有“自由設計”和“無需工具”的優(yōu)點,增材制造將使得商業(yè)化個性制造成為可能,從運用X線電子計算機斷層掃描(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,到個性化的消費品如鞋子、珠寶和家庭用品。隨著科技的進一步發(fā)展,利用增材制造技術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,實現(xiàn)人工器官的再造將給現(xiàn)代醫(yī)學帶來一次革命性的變革。
第五,順應綠色經濟發(fā)展模式。相對于利用切削機床對毛坯進行加工的“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鏈,使得傳統(tǒng)的離岸經濟模式得以改變。它將允許在靠近消費區(qū)域的地點進行同步生產,實現(xiàn)分布式制造。這將顯著地削減將量產商品從生產地運送到消費地所消耗的大量能源,對當?shù)亟洕?、環(huán)境和消費者都頗具益處。
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,經過多年的發(fā)展,其應用領域已經開始拓展到電子、汽車、醫(yī)療、工業(yè)及商用機器、航空航天等眾多行業(yè)。據(jù)《Wohlers Report 2013》發(fā)布的信息,2012年增材制造全球產值為22.04億美元,比2011年的17.14億美元增長28.6%。預計2015年產業(yè)規(guī)模將翻番達到40億美元。雖然增材制造技術在近幾年得到了快速的發(fā)展,但根據(jù)業(yè)內人士分析,目前此技術的市場滲透率仍然不足8%。一部分原因是由于此項技術的認知度不足,但更重要的是此項技術目前還面臨一些技術瓶頸,限制了其更大規(guī)模的應用。如果可以突破這些瓶頸,那么此項技術的市場滲透率將達到92%,其產值將在2020年超過1000億美元。對比之下,目前全球航天產業(yè)年產值約為3300億美元。由此可見,作為一種高附加值的制造業(yè)經濟,增材制造將有可能成長為一個龐大的產業(yè),在中國未來經濟發(fā)展中發(fā)揮重要作用。目前,這項技術已經在航空航天、醫(yī)療器械和創(chuàng)意行業(yè)等領域實現(xiàn)了小規(guī)模應用,并開始向其他行業(yè)拓展。與之相關的儀器裝備、材料生產、軟件開發(fā)及創(chuàng)意設計等行業(yè)也將迎來重大的市場機遇。除此之外,增材制造還具有其他方面的戰(zhàn)略價值。
第一,增材制造可提升制造業(yè)發(fā)展水平,增強國家先進制造技術的國際競爭力。雖然我國制造業(yè)規(guī)模已經位居世界第一,但總體上大而不強。隨著制造業(yè)逐步實現(xiàn)數(shù)字化,個性化需求逐漸增多,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,生產制造將從大型、復雜、昂貴、冗長的工業(yè)過程中分離出來。部分高附加值產品的生產方式將像圓圈一樣又繞回到了原點,從大規(guī)模生產轉回到個性化生產。生產目標將不再是追求規(guī)模經濟,而是更快更靈活的生產。這一轉變將有可能導致新興市場的一些生產崗位重新回到發(fā)達國家手中。另外,增材制造和傳統(tǒng)制造工藝的結合將可促進產業(yè)升級。例如,機械零件制造所用的復雜模具就可以通過增材制造技術生產。德國EOS通過此技術生產的一款產品,成本降低了近85%,生產周期降低了50%,有力的促進了復雜磨具和機械零件制造技術的進步。因此,面對發(fā)達國家實行的“制造業(yè)復興計劃”,積極發(fā)展以增材制造為代表的先進制造業(yè)技術,帶動傳統(tǒng)制造業(yè)實現(xiàn)轉型升級,推動我國由制造大國向制造強國的轉變,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現(xiàn)產品制造,超過90%的原材料可以回收再利用,此技術具有節(jié)料、節(jié)能、環(huán)保的特點。這對于一些大量應用于國民經濟和國防工業(yè)的稀缺資源來說,具有重要的戰(zhàn)略意義。例如在航空航天領域,為實現(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)的鍛造工藝會切削產生大量難以再利用的廢屑,造成巨大的原材料浪費。如F22戰(zhàn)機的鈦合金框重量為144kg,但其原始鍛件質量高達到2 980kg,材料利用率僅為4.8%。運用增材制造技術,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。增材制造技術最具開創(chuàng)性、革命性意義的應用是進行人體組織的“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,每年有超過6 600名患者在等待中過世。利用3D打印技術,則可以使用患者的細胞制作“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。設計和制造有生命的人體組織,甚至是人體器官已經成為生命科學前沿研究中的重點方向,其發(fā)展和應用正在催生一個新的學科——再生醫(yī)學。未來20年內,再生醫(yī)學的年產值將突破5 000億美元,替代常規(guī)的生物材料成為生物醫(yī)用材料產業(yè)的主體。因此,發(fā)展增材制造不僅可以促進我國生物醫(yī)藥產業(yè)快速健康的發(fā)展,而且對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)的新型設計理念、生產方式和商業(yè)模式,將創(chuàng)造更加卓越的價值鏈體系形成。增材制造不僅是一種先進的制造技術,它還將對現(xiàn)有的設計理念、生產方式和商業(yè)模式產生沖擊,使得制造和設計被整合成為“精益設計”模式。這不但會影響制造業(yè)本身,還將改變經濟發(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雜性降至最低,而通過精益設計提高制造的靈活度將成為產業(yè)發(fā)展趨勢。面向制造的設計與面向裝配的設計理念將逐步為人接受,并成為行業(yè)領軍企業(yè)實現(xiàn)創(chuàng)新之道的模式。
這種變化恰恰迎合了信息技術快速發(fā)展的趨勢,如iTunes等數(shù)碼產品的興起盤活了傳統(tǒng)的音樂和影視產業(yè),淘寶等電子商務的崛起激活了大眾消費潛能釋放一樣,增材制造將有可能實現(xiàn)大量現(xiàn)有產品的數(shù)字化文件(3D模型文件)授權和交易。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)、服務網(wǎng)的大融合所產生的“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和網(wǎng)絡空間虛擬系統(tǒng),實現(xiàn)制造的智能化(見圖5)。這不僅僅可以使公司內部人員得到解放,將精力投入到創(chuàng)新和增值業(yè)務上去,還可通過遠程合作來實現(xiàn)眾包(crowdsource)創(chuàng)意資源的最大化利用,使得公司可以從一個更大的視野看待產品研發(fā)。這種模式將釋放整個社會的智慧,通過協(xié)同制造、全面參與構建兼具個性化和數(shù)值化的產品與服務,催生出新的活動領域和合作形式,演化出更加靈活和富有活力的商業(yè)模式,重組產業(yè)鏈分工、創(chuàng)造新的盈利模式和價值鏈體系。對我國制造業(yè)未來的發(fā)展來說,順應信息化下制造方式的轉變,通過先進技術引導實現(xiàn)“中國制造”到“中國創(chuàng)造”的轉變將變得尤為重要。
圖5 由人聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和服務網(wǎng)構建的人、物、商業(yè)交織的網(wǎng)絡系統(tǒng)
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。
圖6 增材制造過程示意圖
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?？湛凸緞t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。
圖7 增材制造產品實例
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的。
圖8 Wohlers Associates公司預測的增材制造技術未來應用方向
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(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。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)。
圖9 美國CSC公司預測的增材制造技術影響
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2 300~5 500億美元(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。在上述兩個市場,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%。
圖10 麥肯錫預期2025年增材制造對全球經濟的影響
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ΑＲ虼?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”?？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,不停的敲打著一塊金屬是在干什么呢?
來源:《新材料產業(yè)》雜志,作者: 于灝 黃瑤
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