2018 Gartner預(yù)測：3D打印和增材制造的5大趨勢

數(shù)字化3D打印硬件平臺、軟件和材料以及相關(guān)技術(shù)不僅給精密零件制造帶來突破，也將改變組織的業(yè)務(wù)模式。具體來看，航天工業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、創(chuàng)業(yè)者們因為3D打印和增材制造獲益不淺，同時也模糊了零售商和制造商之間的界線。實踐告訴我們，3D打印使用不會危及組織的核心制造能力或現(xiàn)有產(chǎn)品線。

本文主要觀點：

1. 到2021年，75%的新型商用和軍用飛機(jī)將使用3D打印部件飛行；

2. 到2021年，25%的外科醫(yī)生術(shù)前將在3D打印的解剖模型上練習(xí)；

3. 到2021年，20%的消費(fèi)品公司將使用3D打印來制作定制產(chǎn)品；

4. 到2021年，20%的企業(yè)將成立內(nèi)部創(chuàng)業(yè)公司，開發(fā)基于3D打印的新產(chǎn)品和服務(wù)；

5. 到2021年，40%的制造企業(yè)將建立3D打印中心。

3D打印和增材制造使用設(shè)備從數(shù)字模型創(chuàng)建物理對象，其輸出可以是原型、工具、夾具或成品。3D打印和增材制造由7項制造技術(shù)組成，使用范圍廣泛，包括塑料、陶瓷、玻璃、金屬等。目前，其重要趨勢是將3D打印集成到高級的硬件、軟件、材料制造平臺，促使傳統(tǒng)制造得到改造，擴(kuò)展價值鏈，從而獲得更高的伸縮性等先進(jìn)制造的現(xiàn)代屬性。

1、到2021年，75%的新型商用和軍用飛機(jī)將使用3D打印部件飛行

30年前，航空航天行業(yè)是首批采用3D打印的行業(yè)之一。由于產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)時間過長，航空航天制造軍品商擁有飛機(jī)模型和部件的早期測試平臺。今天，蔓延到多個業(yè)界，多數(shù)正在建立基礎(chǔ)設(shè)施，以支持其組織和供應(yīng)鏈中的多個3D打印業(yè)務(wù)。雖然在所有行業(yè)中，原型機(jī)制造仍然是3D打印的主要用例，但航空航天顯然已經(jīng)積極地跨出了一步，即實戰(zhàn)。軌道發(fā)射器領(lǐng)域已經(jīng)成功地進(jìn)行了70次3D打印的Aeon 1發(fā)動機(jī)的測試。Aeon 1使用氧氣和甲烷作為推進(jìn)劑，其材料也將是火星上最容易制造的材料�？湛�320的“仿生分區(qū)（bionic partition）”無法使用傳統(tǒng)的制造和加工技術(shù)建造，使用3D打印，比目前的設(shè)計每年可以節(jié)省465000噸的二氧化碳排放量。波音公司已經(jīng)在四個國家設(shè)立20個增材制造網(wǎng)站。超過50000個3D打印部件在商業(yè)和國防領(lǐng)域得到應(yīng)用。GE航空渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)設(shè)計的855個常規(guī)制造部分，被劃分為12個3D打印板塊，產(chǎn)生10%馬力，節(jié)省20%燃料，導(dǎo)致更短的開發(fā)周期和更低的開發(fā)成本（下圖）。

3D打印的附加制造過程可以使其幾何形狀（甚至材料的同分異構(gòu)體）成為可能，這在任何其他技術(shù)中都是不可想象的。其結(jié)果是3D打印的部分達(dá)到或超過了常規(guī)版本的性能要求，顯著降低燃油消耗和二氧化碳排放。

從市場來看，75%的飛機(jī)（商業(yè)、軍用和無人駕駛飛機(jī)（UAV））將用3D打印組件飛行的想法聽起來很牽強(qiáng)，尤其是如果你只考慮復(fù)雜的發(fā)動機(jī)等等。事實是，有限的發(fā)動機(jī)、機(jī)身和其他3D打印部件將在未來幾年內(nèi)增加，將驅(qū)動整個航空工業(yè)使用3D打印的競爭壓力，在相關(guān)供應(yīng)鏈的驅(qū)使下，這種壓力將進(jìn)一步加劇，因為3D打印的使用將導(dǎo)致重復(fù)供應(yīng)鏈——一個用于常規(guī)制造，一個用于增材制造，從而導(dǎo)致對備件的重復(fù)需求。由于服務(wù)機(jī)構(gòu)(內(nèi)部和供應(yīng)商)需要在3D打印機(jī)中購買3D打印替換部件，情況將變得更加復(fù)雜。例如，軍用飛機(jī)承包商會找到更多的軍品商，就像今天美國軍方的每一個分支一樣，他們正在開發(fā)3D打印的替代設(shè)備，以取代昂貴的原始部件和無人機(jī)。

2、到2021年，25%的外科醫(yī)生術(shù)前將在3D打印的解剖模型上練習(xí)

國際頂級醫(yī)院結(jié)合醫(yī)學(xué)影像軟件和服務(wù)，不斷提升3D打印硬件水平，培訓(xùn)外科醫(yī)生及新員工3D打印水平。目前，近3%的大型醫(yī)院和醫(yī)療研究機(jī)構(gòu)在現(xiàn)場都有3D打印技術(shù)能力。手術(shù)和術(shù)前準(zhǔn)備的三維模型已通過以下方式得到改進(jìn)：一是設(shè)計，即改進(jìn)用戶體驗設(shè)計；二是計算機(jī)斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)和其他醫(yī)學(xué)成像技術(shù)；三是得益于基于云的CAD和建模軟件。

在美國，隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步和其他技術(shù)的進(jìn)一步完善，3D打印將從醫(yī)院教學(xué)和�？浦行臄U(kuò)展到更廣泛的醫(yī)院系統(tǒng)。例如，波士頓兒童醫(yī)院結(jié)合3D打印進(jìn)行團(tuán)隊訓(xùn)練和術(shù)前計劃，臨床醫(yī)生、工業(yè)工程師、設(shè)計師、模擬專家、插圖師和病人護(hù)理團(tuán)隊都參與其中。在組織架構(gòu)上，3D打印部門獨立于個別部門，如外科或放射科，以防止所謂“草坪問題”的出現(xiàn)。

3D打印已經(jīng)被用來制作真實的解剖模型和外科訓(xùn)練輔助工具。越來越多地，3D打印被作為單獨使用輔助工具，具有個性化的元素(既包括病人，也包括外科醫(yī)生對方法和工具的選擇)。估計到2021年，這將是一個十億到二十億美元的市場；到目前為止，3D打印在術(shù)前計劃階段使用最頻繁。國際上一些研究人員發(fā)表了關(guān)于使用3D打印植入物的研究數(shù)據(jù)和研究報告(例如，脊柱手術(shù)，78%的脊柱病例的結(jié)果改善，而并發(fā)癥發(fā)生率和臨床結(jié)果與其他一些手術(shù)相比沒有變化)。在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印將從模糊的后臺實驗室更多地移動到最前線，作為術(shù)前準(zhǔn)備和模擬方案的重要組成部分。長遠(yuǎn)來看，新技術(shù)，如增強(qiáng)現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實、混合現(xiàn)實技術(shù)將與3D打印技術(shù)協(xié)作融合，將提升動態(tài)解剖建模并產(chǎn)生和發(fā)揮特殊功能。

3、到2021年，20%的消費(fèi)品公司將使用3D打印來制作定制產(chǎn)品

3D打印可能對消費(fèi)品公司供應(yīng)鏈產(chǎn)生重大影響。尤其是滿足特定定制需求的類別中，減少庫存，成本和生產(chǎn)可以更接近最終客戶。這種向本地生產(chǎn)轉(zhuǎn)移以供當(dāng)?shù)叵�費(fèi)的做法將迫使商業(yè)公司重新考慮其商業(yè)模式。例如，消費(fèi)者或完全不相關(guān)的第三方可以成為完整產(chǎn)品的最終生產(chǎn)者或產(chǎn)品一部分的提供者而參與實際的產(chǎn)品交付。例如美國一家名為raceware的公司使用3D打印制作所定制的自行車部件，而美國一家零售初創(chuàng)公司則在當(dāng)?shù)厣�產(chǎn)3D打印服裝。阿迪達(dá)斯等體育用品生產(chǎn)商都是圍繞鞋底、鞋墊的3D打印，甚至是個性化的鞋墊圖案來提升高端品牌的。這些產(chǎn)品有更高的價格，而且是定制的，旨在提高運(yùn)動員的個人表現(xiàn)。

總的來看，3D打印不太可能完全取代任何消費(fèi)品市場的大規(guī)模生產(chǎn)。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，企業(yè)必須學(xué)會在何時何地進(jìn)行成本效益權(quán)衡。這一評估延伸到供應(yīng)鏈，并確定當(dāng)?shù)?D打印能力何時何地比庫存大量備件更具成本效益。3D打印在消費(fèi)品中的關(guān)鍵影響因素之一是潛在的大型產(chǎn)品責(zé)任訴訟，圍繞著哪一方對導(dǎo)致財產(chǎn)損害或損害的產(chǎn)品失效負(fù)責(zé)。玩具、電器和性能運(yùn)動設(shè)備等產(chǎn)品都必須經(jīng)過安全測試。與傳統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)不同，3D打印產(chǎn)品的失敗可能是設(shè)計的錯誤、用于打印對象的材料、3D打印設(shè)備，而每一個部分都可以由不同的實體擁有或生產(chǎn)，法院必須決定誰是責(zé)任方，因而裁決是復(fù)雜的。3D打印產(chǎn)品將進(jìn)一步模糊零售商和制造商之間的界限。

4、到2021年，20%的企業(yè)將成立內(nèi)部創(chuàng)業(yè)公司，開發(fā)基于3D打印的新產(chǎn)品和服務(wù)

現(xiàn)在，商業(yè)以閃電般的速度發(fā)展，而技術(shù)的發(fā)展則更快。技術(shù)破壞一夜之間改變公司或整個行業(yè)。老牌企業(yè)不斷面臨來自全球一半地區(qū)的初創(chuàng)企業(yè)和新興公司的競爭。即使是大公司也必須集成3D打印技術(shù)進(jìn)入他們的研發(fā)、工程和制造集團(tuán)，并建立一個內(nèi)部推進(jìn)3D打印和其他創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)入公司整體流程的業(yè)務(wù)部門。這些初創(chuàng)公司通常有獨立于公司運(yùn)營的自由，但具有利用企業(yè)設(shè)施的能力，如物理設(shè)施、財務(wù)、人事和采購，以降低成本。一旦成功，一家內(nèi)部初創(chuàng)企業(yè)就會發(fā)展其研發(fā)和制造，工藝和產(chǎn)品進(jìn)入主流制造業(yè)務(wù)，或主流業(yè)務(wù)。在過去的幾年里，一些大型的企業(yè)工程組織，如空客、巴斯夫和通用電氣，已經(jīng)建立了工業(yè)規(guī)模的3D打印內(nèi)部創(chuàng)業(yè)公司。這些公司能夠加快將3D打印集成到他們自己的制造過程中，因為這些零件使用傳統(tǒng)的制造方法，要么太困難，要么成本太高，它們還能夠繞過大公司中已建立的管理鏈，它們往往扼殺、而不是鼓勵創(chuàng)新和冒險。除了加速創(chuàng)新之外，這些內(nèi)部初創(chuàng)企業(yè)還有助于在公司內(nèi)部識別企業(yè)家，并吸引外部工程人才，特別是那些永遠(yuǎn)不會考慮在這么大的公司工作的人才。

內(nèi)部初創(chuàng)企業(yè)并非沒有問題。與大多數(shù)真正的初創(chuàng)公司不同，內(nèi)部初創(chuàng)企業(yè)的員工有工資保障，當(dāng)然高風(fēng)險與高收益并存，單談收益可能不如真正初創(chuàng)公司，也許創(chuàng)業(yè)公司的員工在真正的創(chuàng)業(yè)公司里幾乎沒有工作崗位。擁有內(nèi)部初創(chuàng)企業(yè)的公司必須找到既能吸引員工又能成功回報員工的薪酬公式。

5、到2021年，40%的制造企業(yè)將建立3D打印中心

到2021年，40%的制造企業(yè)將建立3D打印中心（例如，波音、GE、Johnson、RollsRoyce和Siemens）。這些企業(yè)將3D打印相關(guān)工作流集成到關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程中。3D打印中心以專注于改進(jìn)設(shè)計創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)化等關(guān)鍵流程，重點關(guān)注質(zhì)量和檢查流程的改進(jìn)。3D打印中心還可作為培訓(xùn)機(jī)構(gòu)或供應(yīng)鏈合作伙伴的經(jīng)驗交流中心。

中型企業(yè)制造商正開始效仿建立3D打印中心，但投資較小。這些公司傾向于將3D打印服務(wù)外包，因為所需的資本成本和專門的勞動力通常都太大，無法維持。

3D打印技術(shù)的主要增長動力在新興市場，在巴西，南非和土耳其等幾個在新興市場上，3D打印發(fā)展神速。事實上，南非的研究更深入了一步，aeroswift 3D打印機(jī)打印速度是現(xiàn)有的粉床融合設(shè)備速度的10倍，建造面積是2000毫米x 600毫米x 600毫米，是世界上最大和最快的打印機(jī)。

高德納曾經(jīng)估計，3D打印將導(dǎo)致全球每年至少一千億美元的知識產(chǎn)權(quán)損失，2017年全球制造業(yè)產(chǎn)出將達(dá)到十二萬三千億美元。根據(jù)沃勒斯合伙人的數(shù)據(jù)，2016年，全球制造業(yè)產(chǎn)出中只有不到0.05%是3D打印的，如果2018年這一比例上升到0.075%，3D打印將產(chǎn)生九十二億美元的全球制造業(yè)產(chǎn)出，這九十二億美元的3D打印產(chǎn)品總產(chǎn)量遠(yuǎn)低于2014年預(yù)計的一千億美元。2017年，各種制造手段生產(chǎn)的所有假冒偽劣零部件和產(chǎn)品的價值范圍很高，預(yù)計2017年為一萬三千七百六十億美元，這一估計不包括盜版軟件、音樂和視頻內(nèi)容。假設(shè)價值九十二億美元的3D打印產(chǎn)品中有11.2%是偽造的，那么3D印刷產(chǎn)品導(dǎo)致的知識產(chǎn)權(quán)盜竊估計為十億三千萬美元。即使這個估計值也很高，因為它包括了一些非3D打印的產(chǎn)品類別，如飲料、化學(xué)品和液態(tài)石油產(chǎn)品。因此，假冒3D印刷產(chǎn)品的價值不到十億三千萬美元，遠(yuǎn)低于一千億美元的預(yù)測值。雖然高德納的預(yù)測大為減少，但知識產(chǎn)權(quán)盜竊仍然是一個跨國問題，因此知識產(chǎn)權(quán)這一潛在的關(guān)鍵問題，會影響3D打印技術(shù)及使用設(shè)備的普及。

本文由上海市科學(xué)學(xué)研究所產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究室副研究員孟海華根據(jù)Gartner相關(guān)報告翻譯撰寫。