【深度解讀】3D 打印：下游生產(chǎn)改變供應(yīng)鏈

由于AM技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)管理大型、多樣化供應(yīng)鏈組織的3D打印能力的重新評(píng)估是合理的。AM在各領(lǐng)域廣泛商用，從玩具制造到工具和原型，同時(shí)新的應(yīng)用也在加速發(fā)展。美國政府對(duì)AM的興趣也在增長(zhǎng)。美國能源部國家實(shí)驗(yàn)室正在使用AM技術(shù)來制造自然界原本不存在的新材料的研究項(xiàng)目，如可以提供結(jié)構(gòu)化功能的輕量的框架和天線。美國國防部也認(rèn)為，應(yīng)用AM技術(shù)有潛力為易磨損、昂貴或難以獲得的部件提供插入式替換，支持維護(hù)、修理和操作。

3D打印應(yīng)用帶來了許多挑戰(zhàn)，無論使用的是哪種制造技術(shù)�？紤]到AM技術(shù)的快速發(fā)展，本文很大一部分將側(cè)重于AM具體的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。對(duì)于供應(yīng)鏈的技術(shù)不可知的影響，我們將利用3D打印的擴(kuò)展定義。本文探討了3D打印能力的潛力，可以通過支持下游生產(chǎn)來改變供應(yīng)鏈。相比于傳統(tǒng)減材制造（SM）技術(shù)，3D 技術(shù)更多的是使用增材制造（AM）技術(shù)。

為了幫助國防部了解3D打印技術(shù)應(yīng)用的廣度，以及為了支持這些努力可能需要的結(jié)構(gòu)和政策變化，蘭德國防研究所進(jìn)行了一個(gè)探索性項(xiàng)目，來發(fā)現(xiàn)3D打印技術(shù)在軍事環(huán)境中的潛在用途和好處。這一項(xiàng)目對(duì)3D打印技術(shù)進(jìn)行全面的追蹤，從它的源頭到它的潛力，從而改變美國國防部的供應(yīng)鏈。我們描述了3D打印技術(shù)的各種應(yīng)用，并提供了一個(gè)框架，幫助國防部考慮3D打印在維護(hù)、修理和操作(MRO)環(huán)境中的未來影響。我們還分析了美國在AM技術(shù)發(fā)展和采用方面的戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)平衡。最后，我們將討論這些新技術(shù)對(duì)國防部采購和其他計(jì)劃過程的廣泛影響。

(一) 增材制造的演進(jìn)
1984年，日本、法國和美國同時(shí)提交了有關(guān)AM的專利，標(biāo)志著AM開始商用。到20世紀(jì)80年代末90年代初，出現(xiàn)了四種創(chuàng)造性的AM方法：立體光刻技術(shù)（由美國3D Systems公司開發(fā)）；實(shí)體磨削固化（由以色列的Cubital有限公司用的技術(shù)）；選擇性激光燒結(jié)（由德克薩斯大學(xué)奧斯汀先驅(qū)）；層壓對(duì)象制造（由Helisys，Inc.首次推出）。1989至2015年AM 的年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)26.2%。
從時(shí)間維度上看，，生產(chǎn)模式的演變是線性的，但可以看到AM作為本地化生產(chǎn)的回歸：回歸到工匠。3D打印提供了在本地生產(chǎn)高品質(zhì)零件并且能夠根據(jù)特定需求進(jìn)行響應(yīng)的能力，就像工匠們一樣。 雖然對(duì)普通人群而言，采用AM類似于每個(gè)家庭中擁有一名獨(dú)立的工匠，但對(duì)國防部和商業(yè)應(yīng)用，AM的愿景還在于生產(chǎn)車間模式，該模式側(cè)重于根據(jù)當(dāng)前需求提供高度快速響應(yīng)的產(chǎn)品供應(yīng)給最終用戶，包括軍隊(duì)。

(二) 3D打印的未來發(fā)展
基于3D打印市場(chǎng)的潛在規(guī)模，項(xiàng)目考慮這項(xiàng)技術(shù)可以為國防部和其他類似的供應(yīng)方帶來哪些好處。在研究這個(gè)問題時(shí)，我們確定了潛在影響3D打印發(fā)展的兩個(gè)主要因素：（1）需求來源與供應(yīng)鏈的相對(duì)隔離（或連通性）；（2）需求的特定性（或可變性）。需求越隨機(jī)，與分銷中心（例如，前向運(yùn)營(yíng)基地或船舶）的距離跨度越大，3D打印技術(shù)的影響就越大。在需求穩(wěn)定，與現(xiàn)有供應(yīng)鏈連接良好的地方，3D打印滲透的機(jī)會(huì)就很少。

為了進(jìn)一步探索3D打印的未來選擇，我們開發(fā)了一種“四機(jī)解決方案”，它采用了fab-lab模型，可用于在遠(yuǎn)程環(huán)境中支持下游MRO。雖然機(jī)器的確切尺寸和能力可能因空間和環(huán)境限制（例如，航空母艦與驅(qū)逐艦，或主要物流基地與前瞻性基地）而有所不同，但該fab-lab配置將提供一整套功能。工廠實(shí)驗(yàn)室由以下組件組成：
數(shù)控銑床；
金屬合金AM機(jī)；
塑料復(fù)合材料AM機(jī)；
計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）計(jì)量機(jī)
CT掃描/ X射線組合。

因要生產(chǎn)部分的復(fù)雜度和尺寸不同，每種機(jī)器所需的生產(chǎn)時(shí)間也不同。
要了解3D打印對(duì)DoD的價(jià)值，將3D打印生態(tài)系統(tǒng)概念的成本與其將替代的整個(gè)供應(yīng)鏈流程的成本（包括進(jìn)行交易和采購部分需要審批所需的時(shí)間）進(jìn)行比較是非常重要的。由于國防部要考慮到惡劣環(huán)境中MRO的選擇，因此將本地生產(chǎn)中使用晶圓廠實(shí)驗(yàn)室的成本與集中生產(chǎn)系統(tǒng)的成本進(jìn)行比較，必須涉及整個(gè)供應(yīng)鏈成本。

(三) 專利和戰(zhàn)略考慮
為了了解AM技術(shù)開發(fā)和采用的戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)平衡，我們對(duì)某些國家的私營(yíng)部門和國防部門的AM專利進(jìn)行了評(píng)估。
對(duì)近4000項(xiàng)AM專利的分析發(fā)現(xiàn)，大部分的創(chuàng)造性AM專利由私有企業(yè)完成，政府支持的部分占比較小。就國別和領(lǐng)域看，美國和日本的AM專利組合最強(qiáng)大和最多樣。幾乎在所有領(lǐng)域，日本和美國都是領(lǐng)導(dǎo)者。中國在冶金等特種機(jī)械方面發(fā)揮了強(qiáng)大的作用，可以支持航空航天，輕質(zhì)材料，裝甲和模具的軍事和情報(bào)技術(shù)。
多功能組件、生成設(shè)計(jì)和可裁剪的材料屬性，將改變軍事和民用產(chǎn)品的制造方式，從簡(jiǎn)單的對(duì)象到完整的車輛、機(jī)身和船只。

(四) 結(jié)論和影響
3D打印技術(shù)在民用領(lǐng)域迅速發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，這些技術(shù)的能力、穩(wěn)定性和成熟度已經(jīng)足以支撐經(jīng)濟(jì)有效的開發(fā)軍事和民用應(yīng)用。因此，雖然以前AM僅在原型設(shè)計(jì)和異型零件制造方面占據(jù)重要位置，但其未來將很可能廣泛采用在供應(yīng)鏈各個(gè)層面的MRO。隨著新技術(shù)能力的發(fā)展， AM將成為未來組件和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心。多功能組件、生成設(shè)計(jì)和可裁剪的材料屬性，將改變軍事和民用產(chǎn)品的制造方式，從簡(jiǎn)單的對(duì)象到完整的車輛、機(jī)身和船只。3D打印最悲觀的場(chǎng)景是將其簡(jiǎn)單地視為我們當(dāng)前工具集中功能的替代品。

美國軍方領(lǐng)導(dǎo)人雖然對(duì)AM在消費(fèi)者領(lǐng)域的應(yīng)用仍不清楚，但AM在國防領(lǐng)域廣泛商用于工具、原型設(shè)計(jì)和MRO的條件已成熟。要推進(jìn)3D打印技術(shù)，DOD應(yīng)重點(diǎn)考慮四個(gè)關(guān)鍵因素：
實(shí)施3D打印技術(shù)將獲得潛在的顯著優(yōu)勢(shì)；
必須像網(wǎng)絡(luò)安全問題一樣，解決AM知識(shí)產(chǎn)權(quán)所有權(quán)和許可證問題；
相對(duì)于其他參與者，包括日本、德國和英國等有強(qiáng)大工業(yè)基礎(chǔ)的盟國，美國具有較大的優(yōu)勢(shì)；
考慮AM對(duì)軍事平臺(tái)的影響，必須修改現(xiàn)有的采購政策和流程。

來源：199IT