五個方面分析增材制造的數(shù)字化智造未來，挑戰(zhàn)與機遇并存

來源：安世亞太  

增材制造技術(shù)作為一種新興的制造技術(shù)，一經(jīng)出現(xiàn)就在制造業(yè)引起了廣泛的關(guān)注，盡管它目前還存在著不盡如人意的地方，但是人們普遍認為這是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿�和想象力的技術(shù)，代表著數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要發(fā)展方向之一。安世亞太公司深耕增材制造產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用多年，深刻認同增材制造在未來數(shù)字化制造變革中的核心地位，基于多年的項目經(jīng)驗和思考沉淀，推出了“增材思維 數(shù)智未來”系列文章。

本文是該系列文章的總論部分，接下來我們將從碳中和制造、成本控制、智能設(shè)計、多源技術(shù)融合、新能源應(yīng)用等5個方面，闡述增材制造的數(shù)字化未來，更多精彩內(nèi)容敬請期待。

3D打印，是革命性智造技術(shù)么？
增材制造（3D打�。┘夹g(shù)是近20年來迅速發(fā)展起來的一種新型制造技術(shù)。與傳統(tǒng)“減材”制造過程正好相反，增材制造以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料通過分層制造、逐層疊加的方式制造三維實體，是集先進制造、數(shù)字制造、智能制造、綠色制造于一身的制造技術(shù)，無疑是未來制造技術(shù)的重點發(fā)展方向之一。同時，增材制造帶動新材料、精密控制、激光、電子束、CAD、CAE、CAM等技術(shù)蓬勃發(fā)展，具有巨大的產(chǎn)業(yè)溢出效應(yīng)。

增材制造從根本上突破了復雜異型構(gòu)件的制造瓶頸，改變了傳統(tǒng)的“制造引導設(shè)計、可制造性優(yōu)先于性能/功能”的設(shè)計理念，基本實現(xiàn)了工程師的“設(shè)計自由”，使得從功能需求出發(fā)的正向設(shè)計成為可能。增材制造特有的逐點逐層制造方式，配合自帶的數(shù)字化基因，實現(xiàn)了材料微觀組織可控、結(jié)構(gòu)宏觀性能可調(diào)、制造工藝全過程可監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量全壽命可追溯，是未來最有可能實現(xiàn)數(shù)字孿生的技術(shù)之一。真正意義上實現(xiàn)了“設(shè)計引導制造、功能先于設(shè)計”的轉(zhuǎn)變，為制造業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、軍民深度融合、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級與發(fā)展開辟了巨大空間。

增材制造將是未來制造業(yè)競爭的主戰(zhàn)場之一
根據(jù)Smartech等9家機構(gòu)估計，2020年全球3D打印市場達到126億美元，比2019年同比增長21％。在未來三年中，分析師平均預期3D打印市場同比增長17％，到2026年將達到372億美元。

△全球增材制造市場發(fā)展趨勢

在全球的制造業(yè)市場中，3D打印盡管占比不高，不過可喜的是它已經(jīng)走過了技術(shù)瓶頸期，正在向高速擴張的方向上前進。這一點相信廣大3D打印從業(yè)者能夠感受到，3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域正在越來越廣，應(yīng)用的數(shù)量也越來越多。

△3D打印技術(shù)成熟度曲線

2020年，我國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破200億元，達到208億元，且增加速度要略快于全球整體增速，促使我國3D產(chǎn)業(yè)占全球的比重在不斷增加。根據(jù)CCID數(shù)據(jù)顯示，2019年中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模為157.5億元，同比增長31%。2020年前期雖受新冠肺炎疫情影響，但后期國內(nèi)經(jīng)濟強勁反彈，行業(yè)增長迅速。

△中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模

目前，全球3D打印第一大技術(shù)來源國為美國，美國3D打印專利申請量達到141209項，占全球3D打印專利總申請量的35.81%；其次是中國，中國3D打印專利申請量占全球3D打印專利總申請量的25.52%。日本和德國雖然排名第三和第四，但是與排名第一的美國及排名第二的中國專利申請量差距均較大。

△全球3D打印專利分布（截至2021年8月）

考慮到美國等西方國家在20世紀80年代就開始發(fā)展3D打印技術(shù)，我國取得目前的成績實屬不易，這得益于我國近十年來對增材制造的大力支持。繼《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015—2016年）》出臺之后，2017年11月30日，工信部、發(fā)展改革委等十二部門聯(lián)合制定了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017-2020年）》，特別提到利用增材制造云平臺等新模式，線上線下打通增材制造在社會、企業(yè)、家庭中的應(yīng)用路徑，總的方向是推進增材制造在航空、航天、船舶、核工業(yè)、汽車、電力裝備、軌道交通裝備、家電、模具、鑄造等重點制造領(lǐng)域的示范應(yīng)用，同時推進“3D打印+”示范應(yīng)用。2021年，《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》中將增材制造列入關(guān)鍵核心技術(shù)，并提出中國將突破設(shè)計仿真、混合建模等基礎(chǔ)技術(shù)，開發(fā)應(yīng)用增材制造、超精密加工等先進工藝，攻克智能感知、人機協(xié)作、精益管控等共性技術(shù)，突破一批“卡脖子”基礎(chǔ)零部件和裝置。

由此可見，無論是國內(nèi)還是國際，都已經(jīng)將增材制造作為未來制造業(yè)的重點發(fā)展方向，今后在增材制造領(lǐng)域的競爭必將越來越激烈。

增材制造發(fā)展面臨的問題
盡管增材制造正在迎來發(fā)展的上升期，但是目前增材制造技術(shù)仍然面臨著諸多技術(shù)難題，離我們理想中的數(shù)字化智造還有很長的路要走。

1）缺乏大批量制造案例
根據(jù)Hubs survey的調(diào)查報告，目前增材制造主要集中于原型驗證或者小批量制造，超過60%產(chǎn)品的制造量不到10件，超過90%產(chǎn)品的制造數(shù)量在100件以下。GE公司的航空發(fā)動機燃油噴嘴是唯一通過公開途徑可找到的大批量制造成功案例，該產(chǎn)品的年產(chǎn)量達到數(shù)萬件。除航空產(chǎn)業(yè)外，汽車是最有可能實現(xiàn)大批量生產(chǎn)的工業(yè)領(lǐng)域，寶馬、保時捷等公司已經(jīng)在開展增材制造產(chǎn)業(yè)化研究。

△每批次3D打印零件數(shù)量

2）增材制造成本居高不下
成本是制約增材制造技術(shù)大規(guī)模推廣的關(guān)鍵因素。超過38%的用戶認為增材制造技術(shù)雖然具有獨特的優(yōu)勢，但是成本過高，一旦涉及到大批量生產(chǎn)的零部件，仍然需要依靠傳統(tǒng)的鑄造、鍛造、機加等工藝。因此，增材制造要在整個制造業(yè)中占有一席之地，降低成本勢在必行。GE公司近日推出了新的3D打印零件——渦輪機引氣部件，證明了金屬3D打印在成本上也可以和鑄造工藝一較高下。相信在不久的將來，隨著增材制造技術(shù)的不斷進步，成本逐步降低，增材制造取代傳統(tǒng)制造工藝的案例會越來越多。

△制約3D打印的因素

3）缺少智能設(shè)計方法
與其說增材制造顛覆了制造方法，更不如說增材制造顛覆了設(shè)計思維。增材制造實現(xiàn)了復雜結(jié)構(gòu)的制造可行性，激活了一大批新興的設(shè)計方法，比如拓撲優(yōu)化、點陣結(jié)構(gòu)、創(chuàng)成式設(shè)計、結(jié)構(gòu)功能一體化等設(shè)計理念如雨后春筍般涌現(xiàn)，以至于我們原先的產(chǎn)品設(shè)計“套路”不再適用，新的設(shè)計方法又無從下手。以點陣、TPMS等多孔結(jié)構(gòu)為例，由于其結(jié)構(gòu)復雜性和龐大的構(gòu)件數(shù)量而成為設(shè)計和仿真的難點，特別是多孔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法更是難上加難。

△安世亞太多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計解決方案

△nTopology功能模塊

目前，安世亞太已經(jīng)開發(fā)了一系列針對各種工業(yè)品和消費品的創(chuàng)成式設(shè)計方法，國外也開發(fā)了以nTopology為代表的增材設(shè)計仿真軟件，其基本的解決思路是通過創(chuàng)成式設(shè)計等智能化設(shè)計方法，實現(xiàn)點陣、TPMS等多孔結(jié)構(gòu)的自動化設(shè)計，以宏細觀結(jié)合多尺度算法為基礎(chǔ)的等效均質(zhì)化力學方法獲取點陣結(jié)構(gòu)宏觀力學特性，然后再回到細觀，基于宏觀計算結(jié)果對點陣結(jié)構(gòu)進行局部細節(jié)模擬。

4）與其他橫向技術(shù)融合不足
在增材制造的技術(shù)火熱期，3D打印打印萬物的言論不絕于耳，以至于有人提出3D打印將顛覆所有制造技術(shù)。更有意思的是模具行業(yè)，曾經(jīng)被視為是3D打印無�；�制造最先顛覆的對象，如今卻是3D打印應(yīng)用最為活躍的行業(yè)。所以，筆者看來現(xiàn)階段3D打印并不是顛覆的對象不夠多，反而是與其他橫向技術(shù)的融合不足，比如與傳統(tǒng)五軸機床結(jié)合形成的增減材復合制造是一個非常成功的技術(shù)融合的例子。除了上文提到的設(shè)計方法，目前3D打印急需與材料基因組、高精度能量控制、數(shù)字孿生、新能源、綠色制造等先進技術(shù)結(jié)合。同時，3D打印還缺乏與各行各業(yè)的融合，擴大3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域。

增材思維驅(qū)動模式變革
增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，從根本上改變了傳統(tǒng)制造技術(shù)與材料、結(jié)構(gòu)、功能相互割裂的發(fā)展局面。其原因在于3D打印機在輸出物理實體時，采用了從無到有的受控生長方式，其所用的建造物質(zhì)從低維度的點、線或面形態(tài)，以積分原理累積形成最終的三維實體；而在持續(xù)累積過程中，3D打印機有充分的時空窗口對建造物質(zhì)的物性、結(jié)構(gòu)、功能進行從微觀到宏觀的主動控制，即將形狀信息承載至建造物質(zhì)的同時，亦將物性屬性和功能屬性施加至建造物質(zhì)。這使得打印過程結(jié)束時，所輸出三維實體既承載了宏觀的形狀信息，也被附加了微觀的材料物性信息，使得最終制品的功能得以同步完成。

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、設(shè)計理念的變革
將傳統(tǒng)制造的設(shè)計方法遷移到增材制造應(yīng)用的實踐中，兩者在多方面表現(xiàn)出了沖突性。我們把面向增材制造的設(shè)計方法稱為DfAM（Design for Additive Manufacturing），包括從產(chǎn)品功能需求出發(fā)的正向設(shè)計、從產(chǎn)品性能改進出發(fā)的增材制造再設(shè)計、從增材工藝約束出發(fā)的制造優(yōu)化設(shè)計等等。

正向設(shè)計是增材制造帶來最具“破壞力”的革新。它讓設(shè)計師拋棄了傳統(tǒng)制造手段的束縛，能真正從產(chǎn)品的功能需求出發(fā)，設(shè)計出功能最優(yōu)、材料最省、效率最高的結(jié)構(gòu)形式，顛覆傳統(tǒng)設(shè)計思維的桎梏。正向設(shè)計所提供的架構(gòu)性創(chuàng)新徹底釋放了增材制造的價值，增材制造打通了正向設(shè)計的傳統(tǒng)瓶頸。

在數(shù)字化的世界里，研發(fā)和制造不是先后串行和跟隨序貫關(guān)系，數(shù)字化研發(fā)和數(shù)字化制造之間是一種相生相長、生生不息的特征，兩者之間在任何時候都是相輔相成、相互輸送價值的過程。

△正向設(shè)計設(shè)計過程

在正向設(shè)計體系中，架構(gòu)的創(chuàng)新和優(yōu)化是首要工作，然后再結(jié)合創(chuàng)成式設(shè)計和多尺度仿真，對結(jié)構(gòu)形式進行詳細設(shè)計和仿真。創(chuàng)成式設(shè)計方法不同于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，使用的工具軟件也不是傳統(tǒng)的CAD軟件。創(chuàng)成式設(shè)計方法發(fā)揮算法和人工智能的長處，不需要人做過多干預，我們只需要提供必要的設(shè)計限制，其余的完全交給算法來創(chuàng)造。拓撲優(yōu)化算法是目前常見的設(shè)計算法之一。

第二、生產(chǎn)模式的變革
作為一種生產(chǎn)設(shè)備依賴更少的數(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。人類從古至今的生產(chǎn)模式經(jīng)歷了手工生產(chǎn)、機械化生產(chǎn)、智能化生產(chǎn)三個階段。在漫長的手工生產(chǎn)階段，心靈手巧是核心競爭力，每個工匠每一次制造的商品都可以不一樣，但是生產(chǎn)力及其有限。在機械化生產(chǎn)階段，產(chǎn)品按照統(tǒng)一的標準生產(chǎn)，生產(chǎn)設(shè)備的效率是核心競爭力，但是缺少個性化的定制。當前隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)模式進入智能化時代，大規(guī)模定制能力成為核心競爭力，生產(chǎn)效率和靈活應(yīng)變兼顧，對于生產(chǎn)模式的變革提出了巨大挑戰(zhàn)。

△制造業(yè)發(fā)展模式變革

目前的機械化大生產(chǎn)模式嚴重依賴大型工廠，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)計師不再是專業(yè)的技術(shù)的人員，甚至設(shè)計師就是消費者本身，因為創(chuàng)成式設(shè)計等智能化設(shè)計方法大大降低了設(shè)計師的行業(yè)門檻。制造人員也將不需在工廠工作，在家中就可以管理好所有的工廠設(shè)備，正真實現(xiàn)“黑燈工廠”。客戶從下單到制造完成再到接收貨物就像如今的“京東次日達”一樣方便，因為工廠可能就在每個城市的某個“配送點”�？傊�，3D打印將實現(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。

△3D打印對供應(yīng)鏈的影響

第三、商業(yè)模式的變革
隨著增材技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，增材制造與數(shù)字孿生、工業(yè)互聯(lián)、人工智能等橫向技術(shù)融合，將消費端、生產(chǎn)端、銷售端、物流端統(tǒng)一結(jié)合起來，全部人員直接參與到產(chǎn)品生命周期當中。平臺經(jīng)濟的商業(yè)模式不再局限于銷售，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，都將借助網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)字化文件的共享和交易，云平臺將所有的商業(yè)活動都納入其中。這種商業(yè)模式是一種更順應(yīng)綠色發(fā)展的經(jīng)濟模式，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，大大壓縮供應(yīng)鏈，減少能源消耗，對當?shù)亟?jīng)濟、環(huán)境和消費者都頗具益處。

△DfAM賦能商業(yè)模式進化

增材制造刺激了商業(yè)模式的進化，不僅使產(chǎn)品更容易適應(yīng)市場需求，降低業(yè)務(wù)風險，而且使創(chuàng)新邊界得以無限延伸，甚至是器官移植的商業(yè)模式也向制造業(yè)模式轉(zhuǎn)換。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)，設(shè)計出符合患者需求的植入物，通過3D打印制造出人工器官植入患者體內(nèi)，3D打印實現(xiàn)了現(xiàn)代醫(yī)學一次革命性的變革。

安世亞太公司基于多年的項目經(jīng)驗和思考沉淀，推出了“增材思維 數(shù)智未來”系列文章。本文是該系列文章的總論部分，接下來我們將從碳中和制造、成本控制、智能設(shè)計、多源技術(shù)融合、新能源應(yīng)用等5個方面，闡述增材制造的數(shù)字化未來，敬請期待。

參考文獻：
1、3D HUBS：Additive manufacturing trend report 2021
2、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院：2021年中國3D打印產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模與發(fā)展前景分析
3、前瞻產(chǎn)業(yè)研究院：2021年全球3D打印行業(yè)技術(shù)競爭格局
4、德勤：數(shù)字化轉(zhuǎn)型報告
5、LeSalle：The impact of 3D printing on supply chains

—作者—
馬立敏，安世亞太增材設(shè)計首席專家，高級工程師，北京航空航天大學/中國商飛公司博士后。主要研究方向為增材制造創(chuàng)新設(shè)計與應(yīng)用，設(shè)計的產(chǎn)品多次獲得全國性學會及行業(yè)大獎，在增材制造創(chuàng)新設(shè)計與應(yīng)用方面具有豐富的經(jīng)驗和獨到的見解。