麦肯锡发布增材制造成为主流制造技术的指导

根据3D科学谷的市场观察，近日，麦肯锡发布了一份有关增材制造发展主流化的文件《The mainstreaming of additive manufacturing》讨论经过40年的发展，增材制造如何从小众的技术实现超越。

▲增材制造的主流化

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不容小觑的3D打印

内在价值创造推动走向主流

根据麦肯锡，与传统的生产方法相比，增材制造技术提供了四种潜在的价值来源。

▲增材制造的价值

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首先，增材制造生成几乎任何 3D 形状，这种能力使设计人员能够自由地创建性能比传统替代品更好或成本更低的零件。例如，空中客车公司生产的增材制造钛支架比其前身轻 30%，而不会影响性能或耐用性。

其次，无需模具或固定工装，一台3D打印设备生产的每个零件都可以是独一无二的，为大规模定制铺平了道路。一个典型的案例是测试设备制造商 Vectoflow 使用 AM-增材制造技术（3D打印）生产用于流体流量测量应用的定制探头。其微激光烧结工艺可实现紧凑和复杂的设计，并具有流线型形状，以最大限度地减少对被测流量的影响。探头采用多种材料制造，以适应所需的操作环境，包括不锈钢、钛和各种超合金。

第三，消除耗时的模具制造可加速产品开发和生产，从而缩短产品上市时间。最新的阿丽亚娜 6 号火箭中使用的复杂燃料喷射器头是作为单件整体镍基合金零件增材制造的。该零件先前通过传统方式来制造则需要由 248 个单独加工的部件焊接在一起。

最后，AM-增材制造可以简化现场产品的维护和支持，通过启用数字文件按需生产项目来减少对备件库存的需求。例如，汽车制造商梅赛德斯-奔驰现在使用 AM-增材制造技术为其经典车辆生产备件。

根据麦肯锡对增材制造行业的分析表明，3D打印-增材制造行业已经发展到 134 亿欧元，年增长率为 22%。3D打印-增材制造行业非常活跃，有 200 多家参与企业竞相开发新的硬件、软件和材料。

克服技术瓶颈推动走向主流

快速创新正在推动增材制造技术性能的重大改进，最新一代的3D打印正在克服其上一代设备的许多感知限制，例如允许生产悬垂部件而不需要复杂的3D打印支撑结构，或者通过使用磁场控制纤维增强物的对齐来制造更坚固的部件。此外，可用于增材制造系统的材料范围不断扩大，包括高强度铝合金和医疗级塑料材料。

AM-增材制造（3D打印）系统也变得越来越快。例如，最近基于选择性激光烧结 (SLS) 的系统使用多达一百万个激光二极管来加速零件的生产。

另一方面，软件和后处理技术的改进正在进一步简化从概念到成品组件的端到端的过程。3D打印-增材制造技术与创成式设计非常匹配，后者使用人工智能技术来定义和优化零件的几何形状。

▲人工智能赋能3D打印

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在许多领域，AM-增材制造（3D打印）技术已被广泛接受为在产品开发和测试期间生产功能原型的最快、最具成本效益的方法。增材制造技术也被应用于越来越多的“间接”应用，包括用于传统制造机器的模具、备件和夹具。

准备好迎接黄金发展期

然而，尽管有些公司已经涉足使用增材制造直接制造最终产品，但目前增材制造的大规模采用仍然有限。制造商列举了使用增材制造的四个重大障碍：

硬件：大多数增材制造机器的低速和有限的构建体积限制了可能的应用范围。事实证明，低效率和尺寸限制很难集成到生产工作流程中。自动化的工业增材制造生产单元需要用户结合来自不同供应商的制造、后处理和材料处理设备。

软件：增材制造设备通常依赖于供应商特定的控制软件，不同机器之间或与更广泛工厂中使用的设备和生产控制系统之间的集成有限。这使得实现稳定的质量和稳定的生产力所需的技术和诀窍是很难获得的。

材料：今天即使是普通的工程材料当以适合用 AM增材制造设备加工的形式提供时，价格要贵得多。例如塑料必须专门为增材制造机器开发，这是一个耗时且复杂的过程。并且将金属合金转化为适用于增材制造机器的粉末形式所需的额外加工大大增加了金属材料的成本。此外，没有足够的可用增材制造材料，尤其是塑料，缺乏足够的已获得关键最终用途应用全面认证的材料。

服务：工业用户抱怨设备供应商目前没有提供超出安装和调试设备所需的高级技术支持。例如，用户希望获得更多帮助来改进组件设计以适应特定的制造流程，或者在生产开始后找到提高机器质量、可靠性和生产力的方法。

ACAM亚琛增材制造中心对增材制造在多功能材料方面的愿景为无限组合的材料与技术，而最终的目标是点击即生产。ACAM亚琛增材制造中心定义达到这个愿景的进阶过程包括5个梯度，当前的世界范围内的发展大多还处在Level 0的水平，Level 0为功能化增材制造过程，Level 1为可预测的增材制造过程，Level 2为自动化的增材制造过程，Level 3为全自动化的增材制造包括前处理与后处理，Level 4为集成化的全自动化不同制造工艺的组合。 ACAM亚琛增材制造中心

虽然公司已经涉足使用增材制造直接制造最终产品，但该方法的大规模采用仍然有限。

最后，制造商努力弄清楚增材制造将如何使他们受益。设计工程师通常对增材制造系统的功能或如何为增材制造进行设计的知识有限。简单地将现有组件从传统制造切换到增材制造工艺很少有优势。相反，当利用增材制造的独特功能时，好处就会显现出来，例如将多个特征组合到一个组件中，以减少装配中的零件总数或消除对后续制造或工艺步骤的需求。

如今，工业规模增材制造安装的风险都由最终用户承担。而这些障碍可能使构建使用增材制造技术直接制造的商业案例变得极其困难。克服这些障碍是整个行业的挑战，例如，3D打印设备制造商可以进一步提高速度、端到端自动化以及与现有制造系统的集成，而材料供应商可以解决有关认证、可用性和成本的问题。

然而，雄心勃勃的制造商无需等待增材制造行业完成所有工作。尽管存在这些限制，一些工业用户在使用增材制造直接生产方面取得了重大进展，并在此过程中不断发展知识和能力，从而随着行业的发展取得明显的竞争优势。

医学奇迹

医疗器械行业是通过3D打印-增材制造成功超越这些感知限制的杰出行业。现在，增材制造技术被常规和大规模应用以生产各种产品，包括假肢和植入物、手术导板以及用于术前计划或患者教育的解剖模型（图表 1）。

▲医疗行业与3D打印的结合

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制药和医疗器械行业在使用增材制造进行大规模直接生产方面处于领先地位。

这些应用之所以成功，是因为它们是高度定制化、高价值的应用，可为患者和临床医生带来传统制造技术无法比拟的好处。例如，外科医生无需花时间剃骨或塑造标准的骨科植入物，只需安装一个定制设备，以匹配个体患者的形态。

AM-增材制造甚至正在制药领域进行探索，使用 3D 打印技术生产具有定制药物剂量和释放特性的药品。根据3D科学谷的市场了解，2021年10月，三迭纪发布2.0时代开放战略，通过开放技术资源，建立与全球药企和上下游供应商的广泛合作，实现3D打印药物技术的商业化。

AM-增材制造卓越蓝图

与此同时，其他行业的很多制造商还无法利用 AM-增材制造的优势，除非他们对 AM-增材制造技术采取更全面的方法。这通常需要他们开发新颖的产品设计、制造流程和商业模式。医疗器械行业的经验表明这是可以做到的。

图表 2 描述了一个可以帮助公司从零开始开发增材制造能力的框架。旨在最大程度地降低风险并保持对前期投资的要求较低，同时仍然支持组织从最初的增材制造体验到大规模应用。

▲结构化方法指导从增材制造实验到大规模生产的方式

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这种方法的核心是“AM-增材制造能力中心”，将组织的 AM-增材制造工作整合到一个地方，并作为能力、知识和最佳实践的存储库。

一开始，这个“AM-增材制造能力中心”可以是一个小型、敬业的团队，但理想情况下应该是面向外部的，与外部合作伙伴合作发展知识和关系，并与整个组织的工程师和其他利益相关者分享所学知识。

▲价值台阶-3D打印

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在能力中心的带领下，原型零件的生产是最常见的增材制造起点，此外装配夹具的制造有助于在生产工程师和车间工作人员中激发兴趣。

随着对增材制造技术的了解加深，“AM-增材制造能力中心”可以开始寻找更系统地应用增材制造技术的机会。这可以通过确定AM-增材制造可以提供帮助的价值链中的关键点来实现，例如消除废料、简化装配、减少库存或改进下一代产品。

为了在保持投资水平可控的同时探索这些机会，企业可以采用协作方式。通过建立一个小型合作伙伴生态系统，例如采用外部增材制造服务提供商的服务或与外部研发机构合作，企业可以获得尝试不同方法和技术所需的能力和专业知识。

同时，企业领导者可以密切关注未来应用达到真正规模的机会。例如，在受监管的行业中，对有前景的材料、设计方法和技术进行早期认证可以通过消除潜在的采用瓶颈来建立竞争优势。

随着将最有前途的增材制造应用程序投入生产，企业进入了增材制造核心能力构建和转移阶段。例如，为了更快地识别更多潜在应用，企业可以将他们不断增长的增材制造知识编入设计工具中。这些可能包括总拥有成本 (TCO) 模型，可以轻松量化企业内常见应用程序转向增材制造的成本和收益。同时，组织可以加强与生态系统合作伙伴的合作，以根据需要转移知识，并开始获取内部生产增材制造零件所需的硬件。

一旦获得了使用增材制造直接生产的一些经验，组织就可以进入规模和扩大应用阶段，将增材制造完全纳入其制造技术组合。这一阶段通常涉及对额外生产能力的投资、设计和生产控制标准流程的开发，以及工程师和操作员的进一步技能培养。

总之，在作为一个小玩家几十年后，3D打印-增材制造正处于明星的风口浪尖，这是不容小觑的技术。更快的机器、更好的材料和更智能的软件正在帮助使 AM-增材制造成为许多现实世界生产应用程序的现实解决方案。随着技术壁垒的降低，3D打印设备制造商有责任提高对这些快速发展的技术的理解，建立使增材制造在工业世界中大放异彩所需的技能、流程和商业模式。

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