【深度解读】3D 打印：下游生产改变供应链

由于AM技术的快速发展，对管理大型、多样化供应链组织的3D打印能力的重新评估是合理的。AM在各领域广泛商用，从玩具制造到工具和原型，同时新的应用也在加速发展。美国政府对AM的兴趣也在增长。美国能源部国家实验室正在使用AM技术来制造自然界原本不存在的新材料的研究项目，如可以提供结构化功能的轻量的框架和天线。美国国防部也认为，应用AM技术有潜力为易磨损、昂贵或难以获得的部件提供插入式替换，支持维护、修理和操作。

3D打印应用带来了许多挑战，无论使用的是哪种制造技术。考虑到AM技术的快速发展，本文很大一部分将侧重于AM具体的优势和挑战。对于供应链的技术不可知的影响，我们将利用3D打印的扩展定义。本文探讨了3D打印能力的潜力，可以通过支持下游生产来改变供应链。相比于传统减材制造（SM）技术，3D 技术更多的是使用增材制造（AM）技术。

为了帮助国防部了解3D打印技术应用的广度，以及为了支持这些努力可能需要的结构和政策变化，兰德国防研究所进行了一个探索性项目，来发现3D打印技术在军事环境中的潜在用途和好处。这一项目对3D打印技术进行全面的追踪，从它的源头到它的潜力，从而改变美国国防部的供应链。我们描述了3D打印技术的各种应用，并提供了一个框架，帮助国防部考虑3D打印在维护、修理和操作(MRO)环境中的未来影响。我们还分析了美国在AM技术发展和采用方面的战略竞争平衡。最后，我们将讨论这些新技术对国防部采购和其他计划过程的广泛影响。

(一) 增材制造的演进
1984年，日本、法国和美国同时提交了有关AM的专利，标志着AM开始商用。到20世纪80年代末90年代初，出现了四种创造性的AM方法：立体光刻技术（由美国3D Systems公司开发）；实体磨削固化（由以色列的Cubital有限公司用的技术）；选择性激光烧结（由德克萨斯大学奥斯汀先驱）；层压对象制造（由Helisys，Inc.首次推出）。1989至2015年AM 的年复合增长率达26.2%。
从时间维度上看，，生产模式的演变是线性的，但可以看到AM作为本地化生产的回归：回归到工匠。3D打印提供了在本地生产高品质零件并且能够根据特定需求进行响应的能力，就像工匠们一样。虽然对普通人群而言，采用AM类似于每个家庭中拥有一名独立的工匠，但对国防部和商业应用，AM的愿景还在于生产车间模式，该模式侧重于根据当前需求提供高度快速响应的产品供应给最终用户，包括军队。

(二) 3D打印的未来发展
基于3D打印市场的潜在规模，项目考虑这项技术可以为国防部和其他类似的供应方带来哪些好处。在研究这个问题时，我们确定了潜在影响3D打印发展的两个主要因素：（1）需求来源与供应链的相对隔离（或连通性）；（2）需求的特定性（或可变性）。需求越随机，与分销中心（例如，前向运营基地或船舶）的距离跨度越大，3D打印技术的影响就越大。在需求稳定，与现有供应链连接良好的地方，3D打印渗透的机会就很少。

为了进一步探索3D打印的未来选择，我们开发了一种“四机解决方案”，它采用了fab-lab模型，可用于在远程环境中支持下游MRO。虽然机器的确切尺寸和能力可能因空间和环境限制（例如，航空母舰与驱逐舰，或主要物流基地与前瞻性基地）而有所不同，但该fab-lab配置将提供一整套功能。工厂实验室由以下组件组成：
数控铣床；
金属合金AM机；
塑料复合材料AM机；
计算机断层扫描（CT）计量机
CT扫描/ X射线组合。

因要生产部分的复杂度和尺寸不同，每种机器所需的生产时间也不同。
要了解3D打印对DoD的价值，将3D打印生态系统概念的成本与其将替代的整个供应链流程的成本（包括进行交易和采购部分需要审批所需的时间）进行比较是非常重要的。由于国防部要考虑到恶劣环境中MRO的选择，因此将本地生产中使用晶圆厂实验室的成本与集中生产系统的成本进行比较，必须涉及整个供应链成本。

(三) 专利和战略考虑
为了了解AM技术开发和采用的战略竞争平衡，我们对某些国家的私营部门和国防部门的AM专利进行了评估。
对近4000项AM专利的分析发现，大部分的创造性AM专利由私有企业完成，政府支持的部分占比较小。就国别和领域看，美国和日本的AM专利组合最强大和最多样。几乎在所有领域，日本和美国都是领导者。中国在冶金等特种机械方面发挥了强大的作用，可以支持航空航天，轻质材料，装甲和模具的军事和情报技术。
多功能组件、生成设计和可裁剪的材料属性，将改变军事和民用产品的制造方式，从简单的对象到完整的车辆、机身和船只。

(四) 结论和影响
3D打印技术在民用领域迅速发展。研究发现，这些技术的能力、稳定性和成熟度已经足以支撑经济有效的开发军事和民用应用。因此，虽然以前AM仅在原型设计和异型零件制造方面占据重要位置，但其未来将很可能广泛采用在供应链各个层面的MRO。随着新技术能力的发展， AM将成为未来组件和产品设计的核心。多功能组件、生成设计和可裁剪的材料属性，将改变军事和民用产品的制造方式，从简单的对象到完整的车辆、机身和船只。3D打印最悲观的场景是将其简单地视为我们当前工具集中功能的替代品。

美国军方领导人虽然对AM在消费者领域的应用仍不清楚，但AM在国防领域广泛商用于工具、原型设计和MRO的条件已成熟。要推进3D打印技术，DOD应重点考虑四个关键因素：
实施3D打印技术将获得潜在的显着优势；
必须像网络安全问题一样，解决AM知识产权所有权和许可证问题；
相对于其他参与者，包括日本、德国和英国等有强大工业基础的盟国，美国具有较大的优势；
考虑AM对军事平台的影响，必须修改现有的采购政策和流程。