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)計者、制造者和消費者的關(guān)注?

  增材制造是融合了計算機輔助設(shè)計、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,制造出實體產(chǎn)品的制造技術(shù)。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(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,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)和消費者帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。目前大型工廠的生產(chǎn)需要眾多的機器、大量專業(yè)設(shè)計與加工技術(shù)人員才能實現(xiàn)。而對于增材制造來說,設(shè)計師將不需在工廠工作,在家中就可以把設(shè)計好的數(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打印機制造出符合需求的產(chǎn)品。這將實現(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)?；?、標準化制造轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄖ苹?、個性化、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)計理念。由于增材制造技術(shù)是通過層層堆積的方式來進行生產(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,而無法實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造變?yōu)榭赡?。這將大大簡化產(chǎn)品設(shè)計,提高零部件的集成度,加快產(chǎn)品開發(fā)周期。例如對于航空航天領(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(diào)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(xué)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(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者直接參與到產(chǎn)品生命周期當(dāng)中,從最初的設(shè)計過程、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(chǎn)品設(shè)計模式、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(chǎn)品更容易適應(yīng)市場需求,降低業(yè)務(wù)風(fēng)險。

圖4 增材制造對傳統(tǒng)供應(yīng)鏈的沖擊示意圖

  第四,實現(xiàn)個性化產(chǎn)品制造。由于具有“自由設(shè)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(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(yīng)鏈,使得傳統(tǒng)的離岸經(jīng)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(chǎn),實現(xiàn)分布式制造。這將顯著地削減將量產(chǎn)商品從生產(chǎn)地運送到消費地所消耗的大量能源,對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟、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(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2015年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將翻番達到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)的市場滲透率仍然不足8%。一部分原因是由于此項技術(shù)的認知度不足,但更重要的是此項技術(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,那么此項技術(shù)的市場滲透率將達到92%,其產(chǎn)值將在2020年超過1000億美元。對比之下,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,增材制造將有可能成長為一個龐大的產(chǎn)業(yè),在中國未來經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮重要作用。目前,這項技術(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(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。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(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,從大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)回到個性化生產(chǎn)。生產(chǎn)目標將不再是追求規(guī)模經(jīng)濟,而是更快更靈活的生產(chǎn)。這一轉(zhuǎn)變將有可能導(dǎo)致新興市場的一些生產(chǎn)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(jié)合將可促進產(chǎn)業(yè)升級。例如,機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%,有力的促進了復(fù)雜磨具和機械零件制造技術(shù)的進步。因此,面對發(fā)達國家實行的“制造業(yè)復(fù)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(shù),帶動傳統(tǒng)制造業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級,推動我國由制造大國向制造強國的轉(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(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。這對于一些大量應(yīng)用于國民經(jīng)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(lǐng)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(chǎn)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(zhì)量高達到2 980kg,材料利用率僅為4.8%。運用增材制造技術(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(shù),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(shè)計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)前沿研究中的重點方向,其發(fā)展和應(yīng)用正在催生一個新的學(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我國生物醫(yī)藥產(chǎn)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(shè)計理念、生產(chǎn)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(shù),它還將對現(xiàn)有的設(shè)計理念、生產(chǎn)方式和商業(yè)模式產(chǎn)生沖擊,使得制造和設(shè)計被整合成為“精益設(shè)計”模式。這不但會影響制造業(yè)本身,還將改變經(jīng)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(fù)雜性降至最低,而通過精益設(shè)計提高制造的靈活度將成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。面向制造的設(shè)計與面向裝配的設(shè)計理念將逐步為人接受,并成為行業(yè)領(lǐng)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(shù)快速發(fā)展的趨勢,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潛能釋放一樣,增材制造將有可能實現(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(chǎn)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(gòu)建兼具個性化和數(shù)值化的產(chǎn)品與服務(wù),催生出新的活動領(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值鏈體系。對我國制造業(yè)未來的發(fā)展來說,順應(yīng)信息化下制造方式的轉(zhuǎn)變,通過先進技術(shù)引導(dǎo)實現(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

1. 增材制造未來發(fā)展對各應(yīng)用領(lǐng)域的影響

  對于不同的應(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(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。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)測的增材制造技術(shù)未來應(yīng)用方向

  從細分領(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”打印逐步進階到“活體”打印。對于創(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(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現(xiàn)生產(chǎn)的迅速擴大。這些具有敏捷性和極短產(chǎn)品上市周期的新公司,將成為未來市場的有力競爭者。而對于大型設(shè)計和制造企業(yè)來說,增材制造技術(shù)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(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。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(shù)(information technology)轉(zhuǎn)變?yōu)楣餐瑒?chuàng)新(innovate together)。

圖9 美國CSC公司預(yù)測的增材制造技術(shù)影響

2. 增材制造未來對全球經(jīng)濟的沖擊

  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,增材制造每年對全球經(jīng)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(chǎn)品的直接消費對經(jīng)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(chǎn)和模具制造兩個市場來說,其經(jīng)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(yù)計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和預(yù)處理工序,節(jié)約生產(chǎn)升本40%~55%,產(chǎn)品的市場份額也將增加到30%~50%。

圖10 麥肯錫預(yù)期2025年增材制造對全球經(jīng)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(shù)的應(yīng)用推廣將對全球經(jīng)濟帶深遠的影響,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(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230個產(chǎn)品和業(yè)務(wù)進行了評估,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)進行生產(chǎn)。

  實際上,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,其成本與實用性往往被忽略。增材制造作為先進制造技術(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)用市場的考驗。借用哥本哈根未來研究學(xué)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(shù)的可能性,同時卻又低估它們的長期發(fā)展?jié)摿?。因?把握增材制造發(fā)展的時代機遇,積極應(yīng)對面臨的挑戰(zhàn)與困難,理性評估技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的程度,才能推動這種先進技術(shù)的快速健康發(fā)展,使其遠景變?yōu)楝F(xiàn)實。正如《經(jīng)濟學(xué)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(jīng)啟動良久。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,該行業(yè)的突破將一發(fā)不可收拾。3D打印已經(jīng)可以實現(xiàn)產(chǎn)品的逐個或小批量生產(chǎn)。未來,結(jié)合數(shù)字化制造,使各工作臺生產(chǎn)不同的產(chǎn)品,便可實現(xiàn)大規(guī)模定制生產(chǎn)。到了那時,這項技術(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,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(chǎn)業(yè)》雜志,作者: 于灝 黃瑤