在過去10年中，增材制造（3D打?。┘夹g(shù)得到了持續(xù)發(fā)展并鞏固了其在私營企業(yè)、學術(shù)界以及政府部門中的地位。2010-2019年間，增材制造行業(yè)經(jīng)歷了強勁的兩位數(shù)增長。據(jù)Wohlers Report 2021顯示，10年間增材制造的年平均增長率達27.4%。
對于許多公司的產(chǎn)品開發(fā)和制造來說，2020年都是頗有挑戰(zhàn)性的一年。即便如此，Wohlers公司估計2021年全球增材制造行業(yè)的增長幅度將在7%-9%之間。預計到2022年，行業(yè)增長將恢復到新冠肺炎疫情暴發(fā)前的同等水平。
在新冠肺炎疫情暴發(fā)后不久，全球供應鏈崩潰，但增材制造技術(shù)的快速反應能力表現(xiàn)不俗。例如，一些機構(gòu)組織采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)面罩、口罩、鼻拭子和呼吸機替換零部件。3D打印技術(shù)憑借其敏捷的反應速度，不僅改善了醫(yī)療狀況還挽救了無數(shù)生命。
位于美國馬薩諸塞州沃特敦市的Markforged公司正在執(zhí)行一項名為DIAMOnD（鉆石）項目，其中一部分就是在密歇根州內(nèi)安裝300多臺擠壓成型3D打印機。該項目是為了應對新冠肺炎疫情而由Automation Alley創(chuàng)建的，旨在提高制造業(yè)的響應速度。Automation Alley是密歇根州一家致力于通過自動化推動經(jīng)濟發(fā)展的非盈利機構(gòu)。Markforged公司構(gòu)建了一個3D打印機網(wǎng)絡，可以根據(jù)需要遠程啟動，生產(chǎn)個人防護裝備和其他物資。
新冠肺炎疫情造成的貿(mào)易中斷，對許多增材制造服務提供商以及機器、材料、軟件生產(chǎn)商造成了不利的影響。但據(jù)行業(yè)觀察者判斷，增材制造行業(yè)即將觸底反彈，因為疫苗使人們可以安全旅行，也給產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)提供了更好的支持。對于提供增材制造產(chǎn)品和服務的供應商而言，以前被壓抑的市場需求有可能復蘇，給目前正經(jīng)歷困境的公司帶來轉(zhuǎn)機。
從概念到生產(chǎn)
在過去25年的時間里，3D打印已經(jīng)發(fā)展成為一種吸引人的迭代設計技術(shù)，并成功取代了許多公司昂貴且耗時的原型制造法。但增材制造技術(shù)常會用到一些不同于批量生產(chǎn)的機器和材料。在原型開發(fā)和正式制造中，使用相同的機器和材料可以創(chuàng)造利益，這會引發(fā)新的思考方式。
其中的一個例子是，位于美國增材制造服務提供商Avid Product Development公司與CGX公司達成了合作。CGX公司制造用于研究和臨床使用的腦電圖（EEG）設備。腦電圖耳機可以記錄大腦的電活動。傳統(tǒng)的耳機安裝麻煩，戴起來也不舒服。在CGX，使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)這樣復雜的設備是個理想選擇，因為這種耳機每年產(chǎn)量少于1,000件，單件制造成本相對較高（至少2萬美元）。
為了生產(chǎn)CGX Quick-20r耳機，CGX公司反復開發(fā)、測試了許多設計，最終將80個獨特的零部件合并成了30個。這款產(chǎn)品配置了19個“貼片”，內(nèi)有腦電圖傳感器，與人的頭部接觸以捕捉其大腦活動。使用增材制造技術(shù)后，可以將“貼片”自由調(diào)整到三個方向。如果不用此技術(shù)，需要組裝才能實現(xiàn)這項功能，而現(xiàn)在只要采用數(shù)碼預組裝和3D打印就能實現(xiàn)。
位于美國加利福尼亞州帕洛阿爾托的惠普公司生產(chǎn)的Jet Fusion系統(tǒng)，被用于PA11（尼龍）的產(chǎn)品開發(fā)和零部件制造。CGX公司總裁Ira Friedman表示，如果使用注塑成型技術(shù)，需要200個單獨的零部件才能組裝出系統(tǒng)。而且加工這些零件還需要大量的預付資金。這樣看來，增材制造技術(shù)的確具有“先天優(yōu)勢”。
增材制造產(chǎn)品指出未來前景
已經(jīng)證明，3D打印是生產(chǎn)復雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品、替換零件、按需制造以及大規(guī)模定制產(chǎn)品的理想選擇?，F(xiàn)在，有三家不同的鞋業(yè)公司都在致力于該技術(shù)的開發(fā)。它們是位于圣地亞哥的FitMyFoot公司，位于芬代爾市的Superfeet公司，以及位于澳大利亞溫莎的iOrthotics公司。
這些公司用3D技術(shù)掃描顧客的腳來定制鞋墊，采用數(shù)字技術(shù)調(diào)整鞋墊形狀，以實現(xiàn)鞋墊與腳的完美貼合。這項技術(shù)還適于更大型的應用領(lǐng)域，比如位于美國舊金山的Supertrata公司，使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)適合客戶身材及騎行風格的自行車。對于那些天生不是標準尺寸的消費者來說，3D打印有助于為他們做到更適合自己的產(chǎn)品尺碼，增加產(chǎn)品的價值。
英國倫敦的勞斯萊斯汽車有限公司是寶馬集團的一部分，正在為其“幻影”跑車制造金屬零部件。大多數(shù)金屬增材技術(shù)的產(chǎn)量都很小，但該公司表示，將為該車型生產(chǎn)數(shù)十萬個增材制造零部件。2020年6月，寶馬集團在德國慕尼黑郊外的上施萊斯海姆開設了增材制造園區(qū)，迄今已產(chǎn)出超過30萬件精密的增材制造零部件。
在航空航天行業(yè)，位于美國丹佛的Boom Supersonic公司正在使用金屬增材制造技術(shù)為XB-1超音速飛機制造關(guān)鍵的飛行零部件。這款飛機零部件很復雜，產(chǎn)量也很低，所以選用增材制造技術(shù)是理想的。Boom Supersonic公司與Velo3D公司合作，為發(fā)動機硬件、環(huán)境控制系統(tǒng)、甚至一些結(jié)構(gòu)零部件設計了21個零部件。這些復雜的零件必須能夠承受極端環(huán)境的考驗，如果采用傳統(tǒng)制造方法，挑戰(zhàn)很大。
圖1：用于勞斯萊斯“幻影”跑車的量產(chǎn)的金屬增材制造零部件。這是《Wohlers Report 2021》中談到的一項應用。
圖2：CGX Quick-20r腦電圖耳機配置了19個“貼片”，內(nèi)有腦電圖傳感器，與人的頭部接觸以捕捉其大腦活動。使用增材制造技術(shù)，可以將“貼片”自由調(diào)整到三個方向。
2020年，位于美國亞利桑那州鳳凰城的霍尼韋爾航空航天公司獲得了美國聯(lián)邦航空局（FAA）認證，它的首個飛行關(guān)鍵級引擎零部件——達索獵鷹20G海上巡邏機上的ATF3-6渦扇發(fā)動機的軸承座——是通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)的。這種發(fā)動機在1960年就開始設計了，現(xiàn)在仍在使用的只有十幾臺。由于缺少可更換的零部件，維護工作具有挑戰(zhàn)性。增材制造技術(shù)正是這款發(fā)動機零部件制造的理想選擇，因為生產(chǎn)難度大，這么低的需求量又令其生產(chǎn)成本變得極為高昂。
位于美國加利福尼亞州圣何塞市的Sierra渦輪機公司利用增材制造技術(shù)制造了一種更高效的微型渦輪機，用于無人機的推進系統(tǒng)。使用增材制造技術(shù)后，Sierra渦輪機公司就能以一個零件替代以往需要61個零件組裝的部件，并能在50小時內(nèi)打印出來。未來，Sierra渦輪機公司希望將此設計擴展到商業(yè)客機的應用上。
圖3：通過增材制造技術(shù)打印出的勞斯萊斯幻影跑車的一個零部件。
金屬增材制造技術(shù)在燃氣渦輪上的應用正變得越來越普遍，因為它使設計更自由，重量更輕，性能更好。使用Velo 3D打印機以Hastelloy X合金打印而成的Aurelius Mk1核心機，大修的間隔時間增加了40倍，功率增加了10倍。
位于盧森堡公國盧森堡市的阿塞洛米塔爾鋼鐵和礦業(yè)公司，與位于荷蘭埃因霍芬市的Additive Industries公司合作，在有客戶需求的地方附近生產(chǎn)零部件。在2017年兩家公司合作之前，阿塞洛米塔爾公司只能生產(chǎn)小配件，但現(xiàn)在它能夠制造尺寸為420mm×420mm×400 mm的零件了。
在電力和能源領(lǐng)域，位于挪威特隆赫姆的SINTEF公司和挪威斯塔萬格的Equinor公司合作研發(fā)了Weldar，一種適用于零件修理的定向能量沉積系統(tǒng)，可用于海上鉆井，因為海水腐蝕會引發(fā)停產(chǎn)。該系統(tǒng)采用3D掃描技術(shù)有助于現(xiàn)場設計和維修零件，可以減少停機時間，使得現(xiàn)場庫存就能滿足零部件的更換需求。
位于法國巴黎的通用電氣可再生能源公司、位于丹麥哥本哈根的COBOD公司以及位于瑞士楚格市的LafargeHolcim公司，合作建造了一個更高的風力渦輪機塔。由于道路限制，大多數(shù)商業(yè)風力渦輪機塔無法超過100米。有了增材制造技術(shù)后，現(xiàn)場制造可以造出超過150米高的商業(yè)塔臺。更高的塔預計將使能源輸出增加30%。這展示了混凝土3D打印技術(shù)的潛力可能不僅局限于建筑墻壁。
圖4：通用電氣可再生能源公司、COBOD公司以及LafargeHolcim公司一起合作，通過增材制造技術(shù)建造了這座風輪機原型塔。
圖5：Nano Dimension公司生產(chǎn)的高性能電子設備是專為增材制造工藝設計的。這種工藝能令高性能電子設備展現(xiàn)更好的性能，并呈現(xiàn)傳統(tǒng)電子制造不可能的效果。此處展示的高性能電子設備圖是集成電路的三維垂直疊加。
投資比比皆是
在過去幾年中，增材制造行業(yè)的投資已經(jīng)從數(shù)百萬美元增長到數(shù)千萬或數(shù)億美元，代表了該行業(yè)的創(chuàng)新潛力。位于美國馬里蘭州蓋瑟斯堡的Xometry公司就是個好例子：它是一家按需生產(chǎn)工業(yè)零件的市場導向型公司，自2013年成立以來已經(jīng)籌集了超過1.93億美元，包括2020年用于開發(fā)公司軟件平臺的7500萬美元。目前，Xometry公司擁有超過5,000個合作伙伴，他們致力于增材制造工藝以及其他制造工藝。
位于以色列耐斯茲敖那市的Nano Dimension公司，2021年1月在特拉維夫證券交易所和納斯達克上市，融資3.33億美元。公司生產(chǎn)電子產(chǎn)品，包括印刷電路板，自2020年第四季度以來籌集的資金總額接近10億美元。
2020年12月，位于馬薩諸塞州伯靈頓的桌面金屬公司（Desktop metal）與位于紐約市的Trine Acquisition公司完成了合并。合并后，桌面金屬公司進行了首次股票公開發(fā)行，在紐約證券交易所交易。作為交易的一部分，桌面金屬公司從Trine以及其他投資者處獲得了額外的5.75億美元。更令人印象深刻的是，該公司市值在2021年2月達到了76億美元。桌面金屬公司出售3D打印機的金屬零部件以及復合材料零部件。
除了投資和公開募股，在這個行業(yè)領(lǐng)域還出現(xiàn)了幾起并購。例如，2021年1月桌面金屬公司宣布以3億美元收購了德國格萊德貝克的EnvisionTEC公司。同月，美國明尼蘇達州Maple Plain的Protolabs公司同意以2.8億美元收購荷蘭阿姆斯特丹的3D hub公司。
增材制造設計涉及一系列技術(shù)，可以將增材制造技術(shù)在生產(chǎn)應用中的價值最大化。在做使用增材制造技術(shù)的商業(yè)案例時，增材制造設計的介入很可能帶來不同的效果。將增材制造技術(shù)成功用于生產(chǎn)領(lǐng)域的公司們都了解增材制造設計的價值。
他們理解設計產(chǎn)品時，存在通過使用拓撲優(yōu)化和晶格結(jié)構(gòu)來加固零部件、減少材料及重量的需求。使用增材制造設計，減少使用支撐材料，可以減少構(gòu)建及后處理增材制造零部件的時間和成本。但是，大多數(shù)公司并不了解增材制造設計。
Wohlers公司進行了諸多調(diào)查，發(fā)表了一份26年來增材制造行業(yè)的研究報告。報告顯示，增材制造零部件的預處理和后處理成本占其總成本的40%以上。通過增材制造設計的應用以及后處理自動化方法，可以顯著降低這些成本。位于德國普拉內(nèi)格的DyeMansion公司以及位于德國奧格斯堡的Solukon公司，正在開發(fā)自動化解決方案，以削減昂貴的勞動力人數(shù)。
即使對于大型公司，工業(yè)級增材制造的成本仍是一大壓力。據(jù)Wohlers 發(fā)布的2020行業(yè)報告顯示，生產(chǎn)金屬零部件的增材制造機器的價格從10萬美元到500萬美元不等，平均售價為467,635美元。這樣的價格阻礙了增材制造機器普及的速度。
相比大批量生產(chǎn)，材料價格也是在選擇增材制造技術(shù)時必須考量的一個因素。增材制造材料的成本是傳統(tǒng)制造類似材料的10-100倍。隨著越來越多的公司將增材制造技術(shù)投入大規(guī)模生產(chǎn)，總體產(chǎn)量將會增加，價格可能會下降。但這可能需要數(shù)年的時間。對于許多應用領(lǐng)域來說，材料成本不會阻礙他們使用增材制造原型和低量生產(chǎn)。
用于3D打印的新材料正在不斷被商業(yè)化，但與傳統(tǒng)制造的材料相比，數(shù)量仍然微不足道。針對每個增材系統(tǒng)，通常只有少數(shù)材料可用，這就使得為某種特定的生產(chǎn)應用采用某種增材制造技術(shù)變得更具有挑戰(zhàn)性。
3D打印不是一個按一下鍵就能搞定的技術(shù)。對于增材制造在航空航天、汽車、醫(yī)療及其他領(lǐng)域的發(fā)展，機器和操作人員可以進行可重復的流程是至關(guān)重要的。為了得到廣泛應用，必須克服這種質(zhì)量挑戰(zhàn)，這樣各家機構(gòu)才有可能在世界各地的機器上產(chǎn)出相同的零部件。
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