金屬加工領(lǐng)域的3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展

魔猴君  行業(yè)資訊   1595天前

     本文針對金屬3D打印技術(shù)的分類及在不同應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展情況做出深入的探討與分析，從而揭示金屬3D打印在制造領(lǐng)域?qū)⒁獛淼纳羁套兏?；通過國內(nèi)外應(yīng)用案例的對比，從而剖析產(chǎn)品生命周期附價值創(chuàng)造驅(qū)動制造轉(zhuǎn)型的發(fā)展邏輯；通過分享驅(qū)動3D打印發(fā)展的各個生態(tài)要素，從而闡述制造業(yè)從幾個關(guān)鍵點切入3D打印領(lǐng)域的路徑。

* 本文發(fā)表在機(jī)械工業(yè)信息研究院主辦的《金屬加工》雜志上

5個振鏡、可擴(kuò)展的下一代選區(qū)激光熔化金屬打印技術(shù)。來源：Fraunhofer ILT

l 作者：王曉燕 ACAM中國董事，負(fù)責(zé)ACAM中國發(fā)展戰(zhàn)略、企業(yè)文化、運(yùn)營發(fā)展。曾與中國汽車工程學(xué)會合作出版發(fā)行了《3D打印與汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展報告》，與工業(yè)和信息部工業(yè)文化發(fā)展中心合作出版了《3D打印與工業(yè)制造》，王曉燕還與聯(lián)合創(chuàng)始人Korinna Penndorf、朱琳一起創(chuàng)立了3D科學(xué)谷。ACAM亞琛增材制造中心是基于Fraunhofer IPT生產(chǎn)技術(shù)研究所、Fraunhofer ILT激光技術(shù)研究所、亞琛工業(yè)大學(xué)等工業(yè)研究領(lǐng)域成員的合作。ACAM致力于為制造企業(yè)提供一站式的增材制造專業(yè)技術(shù)，成立以來積累了不同先進(jìn)科研領(lǐng)域的專業(yè)知識，并通過提供增材領(lǐng)域的認(rèn)證與咨詢、聯(lián)合研發(fā)、專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)和教育服務(wù)、軟件和系統(tǒng)工程以及定制服務(wù)，幫助企業(yè)應(yīng)對增材制造技術(shù)在應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。

 技術(shù)突破帶來更廣闊的發(fā)展空間

     3D打印普遍被認(rèn)為是帶來下一代工業(yè)革命的主要驅(qū)動因素，主要的原因是增材制造帶來小批量生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和靈活性，個性化定制的可能性，以及復(fù)雜零件生產(chǎn)的可行性。不僅僅改變了我們對原來產(chǎn)品設(shè)計的印象，還帶來了供應(yīng)鏈的改變，縮短了產(chǎn)品上市時間，并且對環(huán)境更友好。

    關(guān)于3D打印對制造行業(yè)的革新作用， SpaceX首席設(shè)計師兼首席執(zhí)行官馬斯克有著精辟的觀點：通過3D打印，可以以傳統(tǒng)制造方法的一小部分成本和時間就能制造出堅固且高性能的發(fā)動機(jī)零件?；鸺纫酝魏螘r候都更加高效，可靠和強(qiáng)大。同樣的，不僅僅是航天領(lǐng)域，3D打印在其他工業(yè)制造領(lǐng)域的動力裝備、結(jié)構(gòu)件、液壓閥門、熱交換器、切削刀具、模具等應(yīng)用領(lǐng)域正在創(chuàng)造下一代的產(chǎn)品。

      我們不僅要問一個問題，3D打印發(fā)展到哪里了？這種發(fā)展意味著什么？我們應(yīng)該做出什么樣的準(zhǔn)備？下一步我們將看到怎樣的生產(chǎn)與商業(yè)模式？

 技術(shù)分類與應(yīng)用

如果要全面理解金屬3D打印的產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，我們首先需要還原3D打印在金屬產(chǎn)品的制造方面的每一種技術(shù)形態(tài)與當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展的結(jié)合情況。

l PBF

首先，我們來了解一下PBF基于金屬粉末床的金屬熔化3D打印技術(shù)，PBF被認(rèn)為是一種直接的金屬3D打印技術(shù)，這類技術(shù)以激光或電子束為熱源來逐層熔化金屬粉末，層層凝固成零件的形狀。相比于金屬3D打印技術(shù)，PBF是目前最廣泛被使用的金屬3D打印技術(shù)。包括通用電氣投資14億美元收購Concept Laser和Arcam，市場的目光也隨之聚焦在金屬粉末床熔化，包括激光熔化和電子束熔化兩種加工方式，目前激光熔化方式被更廣泛的使用。

由于可實現(xiàn)十分復(fù)雜的產(chǎn)品制造，PBF技術(shù)不僅使得復(fù)雜產(chǎn)品的制造變得更加可行，而且還創(chuàng)造了更大的圍繞著產(chǎn)品生命周期的綜合性經(jīng)濟(jì)效益。

在動力裝備方面，PBF技術(shù)所成就的產(chǎn)品并不是停留在概念開發(fā)階段，而是已經(jīng)隨著火箭和飛船進(jìn)入了太空，隨著飛機(jī)在天空中翱翔，并在發(fā)電領(lǐng)域起著“四兩撥千斤”般的效益放大作用。3D打印所造就的下一代的產(chǎn)品極大的提升了人類利用資源的水平，這一切已經(jīng)來到了我們的身邊。

這方面，業(yè)界熟知的GE 3D打印的燃油噴嘴[1]頂部結(jié)構(gòu)只有核桃般大小，里面卻有14條精密的流體通道。3D打印的噴油嘴是一個精密的整體，原來20個部件成為一個零件被制造出來。新噴嘴重量比上一代輕25%，耐用度是上一代的5倍，成本效益比上一代高30%。GE奧本工廠憑借40多臺3D打印機(jī)在2017年總共交付了8000個燃油噴嘴。截至2018年底，工廠完成的3D打印燃油噴嘴頭總數(shù)已超過3.3萬個。然而，值得注意的是，與傳統(tǒng)加工技術(shù)躋身于PK生產(chǎn)效率的這條賽道不同的是，GE從燃油噴嘴中獲得的最大益處并非燃油噴嘴本身，而是安裝了燃油噴嘴的LEAP和GE9X發(fā)動機(jī)，3D打印正在推動航空發(fā)動機(jī)創(chuàng)新，GE已經(jīng)發(fā)起對下一代航空發(fā)動機(jī)技術(shù)制高點的布局。

類似的成功案例不勝枚舉，除了大名鼎鼎的SpaceX、NASA、GE、西門子等等通過3D打印在不斷突破下一代航天器、商業(yè)飛機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)等產(chǎn)品的性能極限。就在2020年，不甘示弱的歐洲也呈現(xiàn)了追趕態(tài)勢，ESA歐洲宇航局全尺寸3D打印銅合金推力室首次熱試通過，增材制造將推力室零件數(shù)量由數(shù)百個減少的三個，縮短了生產(chǎn)時間，降低了成本，顯著提高液體推進(jìn)發(fā)動機(jī)在歐洲運(yùn)載火箭中的競爭力。國際上，全尺寸推力室具有3D打印銅合金襯里，該襯里具有集成的冷卻通道，其外層為冷氣噴涂建立的高強(qiáng)度外套。不僅如此，推力室的歧管和整體式噴油也是3D打印的。

國內(nèi)還出現(xiàn)了深圳意動航空科技有限公司完全3D 打印的微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。微型燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且微型化，此前該領(lǐng)域仍需依賴國外的產(chǎn)品和技術(shù)。深圳意動航空聯(lián)合安世亞太成功開發(fā)了兩款全3D打印微型渦噴發(fā)動機(jī)，10kg級推力的NK-10和50kg級推力的NK-50。2018年已完成1200℃以上超溫試驗，各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求，試驗中最高轉(zhuǎn)速高于14萬rpm。

國內(nèi)首款全部3D打印的微型渦噴發(fā)動機(jī)

國內(nèi)通過3D打印助力航天事業(yè)的發(fā)展也呈現(xiàn)了雨后春筍之勢，2019年，中國的深藍(lán)航天液氧煤油發(fā)動機(jī)再次進(jìn)行了推力室長程試車，取得圓滿成功。在推力性能方面，深藍(lán)航天對主要功能部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，大量采用3D打印工藝，實現(xiàn)了國內(nèi)液氧煤油火箭發(fā)動機(jī)推力室效率從95%到99%的技術(shù)跨越，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。鉑力特承擔(dān)了此次試車發(fā)動機(jī)噴注器殼體和推力室身部兩個零件的金屬3D打印工作。發(fā)動機(jī)噴注器殼體和推力室身部均為航天發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件，使用環(huán)境苛刻，零件內(nèi)部有百余條冷卻流道，使用傳統(tǒng)工藝銑削、焊接工藝不僅制造周期長、成本高，零件性能也難以得到保證。

汽車領(lǐng)域，GKN與汽車制造商保時捷通過金屬3D打印開發(fā)新型電子驅(qū)動動力總成的新應(yīng)用。GKN根據(jù)粉末床金屬熔化3D打印技術(shù)的特點，針對更高的設(shè)計自由度、更高效、更集成的動力系統(tǒng)開發(fā)了特定的鋼材料，這種鋼材料能夠承受高磨損和負(fù)載，并結(jié)合3D打印所實現(xiàn)的功能集成進(jìn)一步減輕重量。另一方面，保時捷工程部門正在研究如何在其電子驅(qū)動動力系統(tǒng)中實施新材料。采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)結(jié)合GKN的材料，保時捷實現(xiàn)了差速器的獨(dú)特設(shè)計（包括齒圈），通過這種齒輪減重和剛性形狀的組合，實現(xiàn)了更高效的傳動。

PBF技術(shù)還在催生下一代熱交換器的發(fā)展，2019年GE宣布與馬里蘭大學(xué)和橡樹嶺國家實驗室合作研發(fā)UPHEAT超高性能換熱器，在兩年半內(nèi)完成開發(fā)計劃，實現(xiàn)更高效的能量轉(zhuǎn)換和更低的排放。GE希望新型換熱器將在超過900°C的溫度和高于250 bar的壓力下運(yùn)行，超臨界CO2動力循環(huán)的熱效率提高4％，在提高動力輸出的同時減少排放。材料方面，這種新型換熱器將利用獨(dú)特的耐高溫，抗裂的鎳基超合金，這是GE研究團(tuán)隊為增材制造工藝而設(shè)計的材料。該熱交換器包括多個增材制造方法，使流體通道尺寸較小，具有較薄的壁而形成的流體通路，以及具有錯綜復(fù)雜的形狀，這些熱交換器使用先前傳統(tǒng)的制造方法無法制造出來。

發(fā)電領(lǐng)域，GE和西門子都通過3D打印制造技術(shù)，打破了自己的凈效率記錄。其中，GE在南卡羅來納州格林維爾工廠的測試中以64%的聯(lián)合循環(huán)效率擊敗了自身之前的設(shè)計。GE將HArriet效率的提升歸功于“通過不斷創(chuàng)新帶來的燃燒效率突破”，而這里面的創(chuàng)新則離不開3D打印技術(shù)所制造的燃汽輪機(jī)的多個關(guān)鍵部件。GE通過金屬3D打印技術(shù)制造設(shè)計優(yōu)化的燃燒系統(tǒng)部件，實現(xiàn)了更復(fù)雜的幾何形狀，這使得 HArriet燃?xì)廨啓C(jī)的燃料和空氣的預(yù)混合得到改進(jìn)，從而實現(xiàn)了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率的最大化。

除了帶隨形冷卻通道的模具、帶復(fù)雜內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的刀具、帶內(nèi)部冷卻流道的燃油噴嘴及發(fā)動機(jī)燃燒室等通過PBF成就的高附加值產(chǎn)品，制造復(fù)雜點陣結(jié)構(gòu)成為PBF 金屬3D打印技術(shù)的另外一大特色應(yīng)用。2019年國際首個3D打印全點陣整星結(jié)構(gòu)成功入軌的千乘一號整星結(jié)構(gòu)是航天五院總體部機(jī)械系統(tǒng)事業(yè)部負(fù)責(zé)研制的，采用面向增材制造的輕量化三維點陣結(jié)構(gòu)設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，整星結(jié)構(gòu)通過鋁合金增材制造技術(shù)一體化制備。傳統(tǒng)微小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)重量占比為20%左右，整星頻率一般為70Hz左右。千乘一號微小衛(wèi)星的整星結(jié)構(gòu)重量占比降低至15%以內(nèi)，整星頻率提高至110Hz，整星結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量縮減為5件，設(shè)計及制備周期縮短至1個月。整星結(jié)構(gòu)尺寸超過500mm×500mm×500mm包絡(luò)尺寸，也是目前最大的增材制造一體成形衛(wèi)星結(jié)構(gòu)。

航天五院總體部的點陣結(jié)構(gòu)示意

此外，3D打印點陣結(jié)構(gòu)還可以應(yīng)用于高強(qiáng)度的壓縮機(jī)部件制造。輕質(zhì)、高強(qiáng)度的壓縮機(jī)部件的主體部分帶有點陣結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域，點陣結(jié)構(gòu)由3D打印實現(xiàn)，主體部分還通過3D打印實現(xiàn)了內(nèi)部流體輸送通道，流體輸送通道用于允許潤滑油流過壓縮機(jī)部件的主體部分。

不過點陣與3D打印的結(jié)合并非想像中那么輕松，這方面需要仿真軟件來提高建模與制造的成功。國內(nèi)經(jīng)過多年的仿真計算積累和努力探索，安世中德團(tuán)隊開發(fā)出了一款專業(yè)用于增材點陣結(jié)構(gòu)仿真分析的軟Lattice Simulation[2]。基于多尺度算法，用戶可以采用等效均質(zhì)化技術(shù)對點陣結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。并且提取非均質(zhì)化點陣結(jié)構(gòu)的等效材料參數(shù)，在均質(zhì)化等效實體模型宏觀力學(xué)分析后，可以通過局部分析對胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力校核。

設(shè)計、軟件和材料助力釋放3D打印潛力，材料方面，不僅僅是高溫合金、鋁合金通過PBF工藝實現(xiàn)了零件性能的飛躍，使用鑄銅轉(zhuǎn)子的電動機(jī)可以幫助普通感應(yīng)式電動機(jī)有效降低電動機(jī)的轉(zhuǎn)子損耗，其他金屬材料例如3D打印銅金屬工藝，將有望解決電動汽車鑄銅零件鑄造和釬焊的挑戰(zhàn)，替代鑄造與釬焊，實現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)更復(fù)雜更高效的銅零件生產(chǎn)，從而有望應(yīng)用于例如轉(zhuǎn)子、散熱器、感應(yīng)器等零件的制造中。

更多的案例在液壓控制器、熱交換器、汽車結(jié)構(gòu)件、汽車輪轂、剎車系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、飛機(jī)隔離艙結(jié)構(gòu)等方面正在獲得成功驗證與推廣。

值得注意的是我們目前聚焦的PBF金屬3D打印主要是關(guān)注其在制造復(fù)雜的幾何形狀，輕量化，縮短交貨時間，功能性一體化結(jié)構(gòu)實現(xiàn)等方面的優(yōu)勢。而金屬3D打印工藝的一個容易被忽略的潛力是通過快速定向凝固帶來非常精細(xì)的晶體微結(jié)構(gòu)并控制逐層外延生長。這為設(shè)計組件提供了新的可能性，此外，高冷卻速度為合金設(shè)計開辟了新的可能性。而實驗證明，通過金屬3D打印實現(xiàn)凝固微觀結(jié)構(gòu)和相關(guān)的偏析結(jié)構(gòu)可以帶來非常精細(xì)的結(jié)果，與鑄造微觀結(jié)構(gòu)相比要小100倍。因此，均質(zhì)化熱處理時間也顯著的從幾小時減少到幾分鐘。

雖然PBF金屬3D打印吸引了金屬3D打印業(yè)界極大的關(guān)注，不過每一種技術(shù)都有著其自身的局限性。例如，不銹鋼的熔化溫度可接近2500華氏度，想像一下當(dāng)每個單獨(dú)的3D打印設(shè)備都需要不斷的消耗能源的時候才能實現(xiàn)零件的加工，整體來說對能源的消耗是不容低估的。除非，通過PBF技術(shù)所創(chuàng)造的綜合效益如上所述的幾個經(jīng)典案例這么明顯。

所以說，用于批量生產(chǎn)領(lǐng)域，目前PBF這樣的高成本通常在加工通過傳統(tǒng)方式難以加工出來的特殊零件的時候才有意義，包括那些具有極其復(fù)雜的內(nèi)部通道的零件，以及噴氣發(fā)動機(jī)燃料噴嘴和衛(wèi)星組件等高端部件。

除了能源的消耗，PBF技術(shù)還受到了材料的限制和可加工尺寸限制、材料價格、過程中控制以及需要添加支撐結(jié)構(gòu)等各種限制，各大研究機(jī)構(gòu)正在專注于克服這些挑戰(zhàn)推動PBF技術(shù)走向更廣的普及化。當(dāng)然，隨著工藝的提升和通過軟件對質(zhì)量控制能力的提高，PBF技術(shù)也在不斷地突破自身的局限性。在這方面，亞琛Fraunhofer ILT已經(jīng)開發(fā)出5個振鏡、可擴(kuò)展的下一代選區(qū)激光粉末床金屬打印技術(shù)，該解決方案還可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)LPBF系統(tǒng)快10倍加工速度的大型金屬部件。不僅僅在LPBF（基于粉末床的金屬熔化3D打印技術(shù)）方面獲得突破，亞琛Fraunhofer的futureAM項目包含了其他的增材制造技術(shù)，在線過程控制技術(shù)的開發(fā)，工藝穩(wěn)健性的開發(fā)，以及基于數(shù)字孿生的網(wǎng)絡(luò)化流程鏈的開發(fā)等。

l DED

讓我們把目光從PBF技術(shù)上切換到DED技術(shù)，DED直接能量沉積技術(shù)包括激光、等離子、電子束幾種不同的熱源，材料包括粉末或絲狀兩種主要的形態(tài)。金屬材料在沉積過程中實時送入熔池，這類技術(shù)以激光近凈成形制造（LENS）、金屬直接沉積（DMD）技術(shù)為代表，由激光在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔池，熔化后逐層沉積，稱之為激光直接沉積增材成形技術(shù)，該技術(shù)成形出毛坯，然后依靠CNC數(shù)控加工達(dá)到需要的精度。

DED技術(shù)的市場應(yīng)用領(lǐng)域除了零件的修復(fù)，還包括大型結(jié)構(gòu)件的制造，如飛機(jī)結(jié)構(gòu)件一體化制造（翼身一體）、重大裝備大型鍛件制造（核電鍛件）、難加工材料及零件的成形、高端零部件的修復(fù)（葉片、機(jī)匣的修復(fù)）等傳統(tǒng)鍛造技術(shù)無法做到的領(lǐng)域。當(dāng)然，隨著這一技術(shù)在工藝控制方面走向成熟，其應(yīng)用的想象空間將更大。

國內(nèi)，安世亞太與中科煜宸聯(lián)合開發(fā)了面向金屬增材制造定向能量沉積工藝的專業(yè)工藝仿真軟件AMProSim-DED。使得我國在激光近凈成形制造技術(shù)的可擴(kuò)展性方面實現(xiàn)了華麗升級。

2020年，市場上已經(jīng)在談?wù)摯蠊β蔈HLA沉積速率超過2m2/ h的加工速度。憑借EHLA工藝，F(xiàn)raunhofer表示，該工藝對當(dāng)前抗腐蝕和磨損保護(hù)的加工工藝具有改進(jìn)作用。由于硬鉻電鍍消耗大量能量并且具有粘合和孔隙率的缺點，而熱噴涂在所用材料方面可能相當(dāng)浪費(fèi)。相比之下，EHLA方法加工出來的涂層是無孔的，從而改善粘合情況并降低裂紋和孔隙的發(fā)生的可能性。除此之外，根據(jù)Fraunhofer，EHLA技術(shù)比熱噴涂節(jié)約90％的材料。

Fraunhofer激光技術(shù)研究所的超高速激光材料沉積技術(shù)

l 3D打印砂型或熔模+鑄造

無論是PBF還是DED技術(shù)，都屬于直接金屬3D打印的技術(shù)范疇。市場上還活躍這間接實現(xiàn)金屬零件3D打印的途徑，一種是通過3D打印砂型或熔模再通過鑄造的方式成就復(fù)雜的零件，這方面以德國voxeljet-維捷的工業(yè)級3D打印技術(shù)為代表，國際上有知名汽車廠家采用了這一3D打印技術(shù)制造S58發(fā)動機(jī)缸蓋的鑄造砂芯，以滿足輕量化以及熱管理性能的需求。

l Binder Jetting

另外一種名為binder jetting的金屬3D打印技術(shù)，通過將金屬粉末與粘結(jié)劑層層粘結(jié)成為零件毛坯，再經(jīng)過脫脂燒結(jié)過程制造成金屬零件的間接金屬3D打印技術(shù)。這種生產(chǎn)系統(tǒng)與MIM金屬注射成型工藝頗有近親的感覺，然而其制造過程中并沒有使用模具。這種技術(shù)將使制造商能夠顯著降低其成本，從而使該技術(shù)成為鑄造的替代技術(shù)。

在這方面，大眾汽車上將使用惠普的金屬3D打印技術(shù)，首先是進(jìn)行大規(guī)模定制和裝飾部件的制造，并計劃盡快將Metal Jet金屬3D打印的結(jié)構(gòu)部件集成到下一代車輛中，并著眼于不斷增加的部件尺寸和技術(shù)要求。

 價值創(chuàng)造驅(qū)動轉(zhuǎn)型

總體來說，如今的3D打印技術(shù)發(fā)展程度，在技術(shù)層面上速度遠(yuǎn)超我們的想像，具備了在很多應(yīng)用層面顛覆的潛能，我們?nèi)绾卫斫饷恳环N3D打印技術(shù)的優(yōu)勢則需要跟應(yīng)用行業(yè)的需求想結(jié)合，拿汽車產(chǎn)業(yè)來說，3D打印目前無疑在100萬-200萬價位的車型上展開了產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用，那么這樣的發(fā)展趨勢將在什么樣的時間節(jié)點發(fā)展到50萬價位的車型？當(dāng)發(fā)展到20萬-30萬價位的車型的時候，占據(jù)主流的3D打印技術(shù)又將是哪一種類別的3D打印技術(shù)？這需要對技術(shù)本身和應(yīng)用行業(yè)的發(fā)展都具備一定的理解和判斷能力。

那么制造業(yè)如何駕馭3D打印技術(shù)，成為第四次工業(yè)革命的贏家呢？在這里，我們需要理解的是一切并不像購買幾臺3D打印設(shè)備那么簡單。

企業(yè)制造轉(zhuǎn)型是由價值創(chuàng)造驅(qū)動的，3D打印技術(shù)成就“復(fù)雜”產(chǎn)品的優(yōu)勢，例如通過3D打印實現(xiàn)了更復(fù)雜的外形，將原來十幾個零件簡化為1個零件，體積和重量大大縮?。换蛘呤峭ㄟ^3D打印實現(xiàn)了材料的冶金性能的提升，再或者是制造出梯度合金等材料；再或者是實現(xiàn)了更高的產(chǎn)品性能，提升了產(chǎn)品生命周期的附加值。3D打印從應(yīng)用端創(chuàng)造價值，從而從產(chǎn)業(yè)鏈的價值賦能角度倒逼制造工藝向3D打印轉(zhuǎn)移。而創(chuàng)建競爭優(yōu)勢的關(guān)鍵是設(shè)計和材料。為增材制造而設(shè)計的增材思維-DfAM正在全球范圍內(nèi)建立。其中仿真驅(qū)動設(shè)計成為“玩轉(zhuǎn)”3D打印的關(guān)鍵點之一。

每一個企業(yè)的轉(zhuǎn)型都是非常艱難的選擇，沒有一個企業(yè)可以從一個山頭直接”跳到”另外一個山頭，這需要有一個”下山”和重新”上山”的過程。傳統(tǒng)汽車從設(shè)計定型到第一輛汽車出廠大概需要三年左右的時間，在此期間所有的汽車零件都不允許改變設(shè)計，而在電動汽車發(fā)展的時代，例如特斯拉汽車幾乎每個月都會有一次軟件的自動更新，相對固化的體系成為了傳統(tǒng)汽車廠商的阿克琉斯之踵。尋求突破，成為傳統(tǒng)車廠轉(zhuǎn)型的當(dāng)務(wù)之急。

陷入牽一發(fā)而動全身的陷阱，這不僅僅是汽車行業(yè)面對的挑戰(zhàn)。大型制造公司普遍擁有數(shù)十年以傳統(tǒng)方式開展工作的經(jīng)驗。所有的流程、設(shè)備、培訓(xùn)以及最重要的預(yù)算都集中在傳統(tǒng)流程上。這時候出于自身的短期發(fā)展資金安全角度，也會本能的拒絕新的想法。

此外，將新的制造技術(shù)融入關(guān)鍵制造工藝是一項重大任務(wù)，因為無論工廠發(fā)生什么，客戶都必須繼續(xù)獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品。沒有一家制造企業(yè)能夠做到停止目前的生產(chǎn)，而去探索未知世界的“灘頭陣地”，

由于存在未知風(fēng)險，而克服這一初始步驟所需的現(xiàn)金和資源有時非常龐大，以至于車廠不愿意甚至無法繼續(xù)進(jìn)行這樣的探索。這使得不僅僅供應(yīng)鏈成為障礙，資金投入成為另外一個因素使得制造業(yè)企業(yè)陷入牽一發(fā)而動全身的陷阱。

 轉(zhuǎn)型路徑

緩解轉(zhuǎn)型過程中的陣痛，制造企業(yè)可以嘗試建立3D打印實驗室連接內(nèi)外部資源。3D打印實驗室能夠更好地完善現(xiàn)有的3D打印方法并為推廣3D打印技術(shù)做準(zhǔn)備，同時創(chuàng)建度量標(biāo)準(zhǔn)，重點改進(jìn)設(shè)計創(chuàng)新，健全關(guān)鍵流程標(biāo)準(zhǔn)化，并重點改進(jìn)質(zhì)量和檢驗流程。3D打印實驗室還可以作為供應(yīng)鏈合作伙伴的培訓(xùn)機(jī)構(gòu)或體驗中心，并為企業(yè)內(nèi)部的團(tuán)隊提供培訓(xùn)機(jī)會。

有了思維的突破和硬件的準(zhǔn)備是第一步，企業(yè)還需要建立正向設(shè)計能力，這么多年國內(nèi)很多企業(yè)并不是很擔(dān)心技術(shù)上的跟進(jìn)，因為只要別人有了，拿來逆向一下，再放到國內(nèi)巨大的市場，結(jié)合價格優(yōu)勢，就可能創(chuàng)造趕超別人的市場機(jī)會。然而，逆向設(shè)計的慣性是很致命的， 3D打印的設(shè)計與制造的結(jié)合將不是那么容易被逆向，尤其是對于一些設(shè)計上非常復(fù)雜的產(chǎn)品來說，正向設(shè)計是唯一出路。

走出逆向設(shè)計困局，國內(nèi)可以借鑒歐洲Fraunhofer的發(fā)展模式，建立對外研發(fā)商業(yè)模式的合作，制造企業(yè)在一個良性的研發(fā)創(chuàng)新支持的環(huán)境下，向企業(yè)外部尋求顛覆性創(chuàng)新支持，實現(xiàn)多贏、優(yōu)勢互補(bǔ)的發(fā)展。

他山之石可以攻玉，無論是研發(fā)還是產(chǎn)品制造，企業(yè)在發(fā)展過程中，除了加強(qiáng)自身的創(chuàng)新實力，尋求與市場上的優(yōu)勢資源相結(jié)合是另外一條加快發(fā)展的路徑。在這里，F(xiàn)raunhofer弗勞恩霍夫IPT工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)研究所，ILT激光研究所，RWTH亞琛工業(yè)大學(xué)等增材制造研究領(lǐng)域集中優(yōu)勢的研發(fā)資源，通過亞琛增材制造中心(ACAM)，連接增材制造研發(fā)領(lǐng)域的中堅力量，在全球范圍內(nèi)為制造企業(yè)提供歐洲領(lǐng)先科研機(jī)構(gòu)多年來積累的增材制造專業(yè)技術(shù)，并通過社區(qū)、聯(lián)合研發(fā)、以及專業(yè)教育服務(wù)，幫助企業(yè)應(yīng)對增材制造技術(shù)在應(yīng)用中的挑戰(zhàn)。

雖然3D打印邁向產(chǎn)業(yè)化的過程中遇到了一系列的難題，例如通過信息管理系統(tǒng)來管理增材制造數(shù)據(jù)流；工藝可重復(fù)性、零件到零件的可重復(fù)性；成熟的認(rèn)證和質(zhì)量檢測方法。在這方面，得益于從設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)實施到服務(wù)的全價值鏈的數(shù)字化。

幸運(yùn)的是，我們即將迎來5G時代的到來，5G允許高密度數(shù)據(jù)的無縫互聯(lián)和實時溝通，也就是Real Link-實時鏈接,對生產(chǎn)的控制是 Real Moment-實時控制,對技術(shù)的組合柔性能力是Real Combination-實時組合, 對產(chǎn)品的實現(xiàn)可以Real Personal-實時個性化。

國際上，德國Fraunhofer弗勞恩霍夫IPT工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)研究所攜手愛立信、亞琛工業(yè)大學(xué)啟動了歐洲最大的5G數(shù)字制造工業(yè)園示范項目，旨在在制造業(yè)環(huán)境中引入新的移動無線標(biāo)準(zhǔn)?？焖俚?G數(shù)據(jù)傳輸可將所有生產(chǎn)和傳感器數(shù)據(jù)存儲在包含完整生產(chǎn)歷史記錄的數(shù)字孿生體中。

通過將自動化、數(shù)字化以及人工智能、邊緣計算、5G和區(qū)塊鏈等尖端技術(shù)無縫融合，可將海量數(shù)據(jù)全面轉(zhuǎn)化為寶貴的知識與技術(shù)，闊步邁入數(shù)字化轉(zhuǎn)型的全新階段。我們相信有一天，3D打印用于零件的生產(chǎn)將是全流程數(shù)字化的，質(zhì)量穩(wěn)定的，產(chǎn)品信息可追溯的。在這個基礎(chǔ)上，3D打印技術(shù)由于其天生的數(shù)字化特征可以說是最為貼合動態(tài)供應(yīng)鏈的制造技術(shù)。數(shù)字孿生體技術(shù)使得復(fù)雜的3D打印過程變得輕松，從而減少故障，提高零件質(zhì)量并更智能地使用材料。

 展望

隨著中央政治局常委會會議提出“加快5G網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度”，頂層設(shè)計為新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)按下“加速鍵”?？梢灶A(yù)見，在更強(qiáng)大的新基建基礎(chǔ)設(shè)施上，軟件將在我國的工業(yè)制造環(huán)境中獲得前所未有的良性發(fā)展生態(tài)環(huán)境。

3D打印重塑制造模式與商業(yè)模式的時代正在來臨，從制造到創(chuàng)造，相信我國的制造業(yè)將借助新技術(shù)和國內(nèi)外優(yōu)勢科研資源的東風(fēng)，走上一條更為強(qiáng)健的自主與合作創(chuàng)新發(fā)展道路。

來源：3D打印科學(xué)谷