【详解】为什么要发展增材制造？（下）

3D打印代表着未来制造业发展的方向之一，但受限于现有技术及材料缺乏，现阶段3D打印技术试验性用途大于实用性。哥本哈根未来研究学院（CIFS）名誉主任约翰·彼得·帕鲁坦说过，我们的社会通常会高估新技术的可能性，同时却又低估它们的长期发展潜力。南极熊认为，3D打印技在未来的发展将会有无限可能，接下来我们就一起来看一下，为什么要发展增材制造？（文章分为两部分，此为下半部分）

三、增材制造发展现状
1.技术工艺现状
自增材制造技术诞生以来，已经有十几种新工艺和新系统及设备先后面世。根据2012年1月美国材料与试验协会（ASTM）增材制造技术委员会F42颁布的标准——“增材制造技术标准用语(ASTM F2792-12)”，这种工艺被简洁地定义为：“基于3-D模型数据，通常采用与减式制造技术相反的逐层叠加的方式，结合材料来生产物品的过程”（The process of joining materials to make objects from 3-D model data, usually layer upon layer,as opposed to subtractive manufacturing technologies），见图6。

按照其工艺特点，增材制造可分 为7大类，分别为粉末床熔合、定向能量沉积、材料喷射、粘结剂喷射、材料挤出、容器内光聚合和片层压。在此基础上，英国增材制造特别兴趣小组（AM SIG）又对7大工艺进行细化，整理出10余种分支工艺。表1总结了增材制造各工艺的整体情况，包括各工艺的基本描述、面向的市场、所采用的材料体系、包含的分支工艺和相关的代表企业及院校。

从市场的角度来说，增材制造可用于样品原型制造、模具制造、直接零部件制造、零部件维护及修理等领域。样品原型制造是增材制造最早进入的市场，被用于评估和优化模型的尺寸、结构和功能等方面设计，使产品达到最佳性能。对于模具制造来说，熔模铸造和砂型铸件已开始通过增材制造进行生产，这种技术还可以用于硅胶模具和氨酯铸件等生 产。直接零部件制造则是增材制造发展最快的一个领域，由于可以直接用于生产最终产品，该领域在增材制造应用市场中所占的比重已经上升到第1位。

增材制造还越来越多的用于零部件的维护和修理，特别是当所用零件非常昂贵的时候。这种技术可以用来修复只有小部分损坏的大部件，由于其修复所产生的残余应力很小，非常适用于对热变形高度敏感的部件。对于不同的增材制造工艺，其适用的市场也有所区别。其中，大部分工艺普遍应用于模型制造，而对于直接零部件制造、零部件维护及修理来说，需选用所对应的专用技术工艺。

2.应用现状
由于增材制造的一些独特优势，这项技术近年来已在航空航天、医疗、文化创意、消费电子产品、军工等众多领域实现应用。

表2根据7大技术工艺及所用材料体系，对国际上已经出现的相关应用进行了详细分析。从表中可以看出，每一种工艺都各有所长，所适用的应用领域也有所不同。在选用不同工艺时，主要的考虑因素包括工艺的生产速度、可用的材料种类、产品的尺寸限制、产品的表面光滑度和精密度、产品的力学性能、机器及材料的成本、操作的方便性和安全性 等。

比如，定向能量沉积工艺可生产高性能的金属部件，在高端工程领域的应用比较广泛。对比之下，粘结剂喷射工艺和材料挤出工艺则可以生产保真度很高的组件，主要用于样品原型制造和工艺品生产，但由于产品的机械性能较差，不适合航空航天等领域。粉末床熔合工艺的应用则最为广泛，此工艺可使用金属和高分子体系，在增材制造涉及的大部分领域进行使用。 在诸多领域中，航空航天、生物医疗和创意产业领域的增材制造技术应用发展最为快速，表3列出了部分典型应用实例。对于航空航天领域来说，增材制造由于其独特的应用优势，可满足高精度、复杂形状、小批量的生产要求，正在成为此领域中广泛使用的技术。

波音公司已经制造出大约2万多增材制造零部件，用于商业和军用飞机上面。其中，32种部件用于波音787梦想客机中。空客公司则正在进行一系列增材制造产品的检验测试，包括减重的起落架、机舱和冷却系统等。生物医疗领域则是增材制造技术应用的另一重要领域，已成功应用的产品包括颅骨植入物、髋关节置换物、牙冠、体外模型等。

预计全球使用3D打印的矫正骨骼植入物患者已经超过3万人，仅瑞典Arcam公司就制作2万多个经过FDA批准、CE认证的植入物；美国Invisalign公司则已经销售了超过200万个透明3D打印定制牙套；西门子等公司使用3D技术生产的助听器也成为了产品的主流。此外，创意产业方面的增材制造也正在快速发展。除了逐步火热起来的3D打印人像模型、装饰品、工艺品以外，增材制造技术还拓展到更多的产品创作上面。2013年巴黎时装周上推出了一款由比利时Materialise公司利用3D打印技术生产的时装，实现了复杂几何图案和独特材质的完美结合。几种增材制造产品实例如图7所示。

四、增材制造未来发展趋势
1.增材制造未来发展对各应用领域的影响
对于不同的应用领域来说，短期内增材制造技术还不足以代替传统的制造方式。但随着打印材料价格的下降，打印尺寸和速度的提升，增材制造技术在各应用领域的渗透也将逐步加深，人们会越来越多地使用到包含3D打印的零部件产品，甚至是完全通过3D打印制造的产品。如《Wohlers Report 2013》报告展示的远景一样（图8），我们所能看到的往往只是整个冰山的一小部分，而海面下隐藏的巨大冰山才是尚待开发的领域，也是增材制造未来的潜力所 在。虽然我们还无法清晰的描述未来增材制造的全貌，但足以预期其技术发展趋势。

海平面上方的冰川，代表了多年以来增材制造技术活跃的应用领域，如原型件和模型的制造。而处于海平面下方附近的区域则是增材制造正在发展的应用领域，包括医疗植入器械、金属航空部件的制造等。在更深的区域则是人们期望的人体器官“活体”打印和外太空3D打印。在未来，增材制造还能实现哪些不可思议的应用，我们现在还不得而知，但这些未知领域的应用将是非常令人期待。 从细分领域的预期来看，我们则可发现增材制造技术逐步渗透的方式有所区别，见图9。

就航空航天 和汽车领域来说，增材制造将从局部零件制造发展到整体打印。相比较之下，生物医疗领域则将从“非活体”打印逐步进阶到“活体”打印。对于创意行业而言，增材制造技术所带来的冲击并非制造方式的改变，而是创意设计模式的逐步改变。从更加宏观的角度来看，增材制造对于通用制造、供应链和商业的影响都可归于模式的革新，即生产模式、供应模式、商业模式的革新。这将意味着将有大量的新兴中小企业将依靠新创意蓬勃发展，他们将有能力以最小的资金投入实现生产的迅速扩大。

这些具有敏捷性和极短产品上市周期的新公司，将成为未来市场的有力竞争者。而对于大型设计和制造企业来说，增材制造技术是IT与制造业实现融合的机会。如上文所述，增材制造不仅仅是一种制造技术，更是一种数字化技术。借助互联网所形成的“信息物理系统”，它所具有的开放型和大众性，将为未来的创新搭建了广阔的舞台。正如美国航空航天局喷气推进实验室战略中提到的：“IT”的涵义从信息技术（information technology）转变为共同创新（innovate together）。

2. 增材制造未来对全球经济的冲击
虽然目前增材制造产业在全球所占的份额还很小，但其发展速度和潜在的增值能力是惊人的。根据麦肯锡全球研究院的研究表明，到2025年，增材制造每年对全球经济的影响将达 到2 300亿～5 500亿美元（见图10）。

其中，高附加值3D打印产品的直接消费对经济的冲击最大，规模将达到 1 000亿～3 000亿美元。对于零部件生产和模具制造两个市场来说，其经济影响将分别达到1 000亿～2 000亿美元和300亿～500亿美元。在上述2个市场，预计通过使用增材制造技术，可减少产品制造过程中原材料的浪费和预处理工序，节约生产升本40%～55%，产品的市场份额也将增加到30%～50%。 目前，全球制造业的GDP价值超过7万亿美元，涉及全球12%的劳动力（3.2亿人）。长远来看，增材制造技术的应用推广将对全球经济带深远的影响，然而其影响程度，还取决于技术的未来发展方向。诚然，增材制造的推广将使得劳动力因素在制造业中的重要性显著降低，减少生产成本和劳动力成本。

但无论其在未来 市场渗透率达到什么程度，这种技术都不是万能的，不可能适用于制造业的所有领域。英国增材制造咨询公司Econolyst在过去的7年中对230个产品和业务进行了评估，分析结果指出80%的产品由于种种原因，目前并不适合采用增材制造技术进行生产。实际上，现阶段大多数吸引眼球的增材制造创新应用都还只是演示或原型件，其成本与实用性往往被忽略。增材制造作为先进制造技术中的一部分，其未来发展还要经受技术发展和应用市场的考验。借用哥本哈根未来研究学院（CIFS）名誉主任约翰·彼得·帕鲁坦(Johan Peter Paludans)的一句话：我们的社会通常会高估新技术的可能性，同时却又低估它们的长期发展潜力。

因此，把握增材制造发展的时代机遇，积极应对面临的挑战与困 应用规模3D打印产品直接消费 直接用于生产制造 工具及模具制造 其他潜在应用（未计算规模） 总计潜在经济影响规模 1 000～3 000 1 000～2 000 300～500 2 300～5 500 2025年潜在经济影响规模 2025年远景预计4万亿美元个性化产品可能通过3D打印 制造 复杂医用植入体和模具零部件消费3000亿美元 运输工具复杂零部件消费4700亿美元 3600亿美元全球注射成型塑料磨具市场 相关产品中，3D打印产品替换率达到30%～50% 30%～50%注射成型塑料模具产品采用3D打印 对消费者来说，3D打印产品价格下降40%～55% 通过使用高级3D打印模具降低生产成本30% 假设消费者介入，5%～10%的相关产品（如玩具）可实现3D打印 每个3D打印产品60%～80%的增值 产品价格下降35%～60%个人化产品增值10% 预计2025年潜在影响 2025年潜在规模化生产能力或收益 /亿美元 难，理性评估技术和产业发展的程度，才能推动这种先进技术的快速健康发展，使其远景变为现实。

正如《经济学人》“第三次工业革命”专刊文中所述的一样，制造业革命非一日之勤，不过这次革命则已经启动良久。同其他数码科技一样，增材制造已经在成本上和生产效率上取得优势，该行业的突破将一发不可收拾。3D打印已经可以实现产品的逐个或小批量生产。未来，结合数字化制造，使各工作台生产不同的产品，便可实现大规模定制生产。到了那时，这项技术便腾飞了。在10年或20年以后，当人们游览法兰克福展览馆时，将会对展览馆前面的“锤工”雕像感到好奇。这尊21m高的雕像手持锤子，上下移动着胳膊，不停地敲打着一块金属是在干什么呢？

编辑：南极熊
作者：于灏（北京新材料发展中心）  黄  瑶（北京石油机械厂）