3D打印如何推动工业4.0？

来源：电子工程专辑

想像一下，在家里或办公室打印出一部完整的、功能齐全的智能手机。3D打印(3DP)，又名增材制造(AM)，可以将未来的工厂重新定义成一种可以放在桌面上的设备。

现在距离这个目标还有很长的路要走，但是3D打印已经应用在制造电子产品，如连接器、印刷电路板、射频放大器、太阳能元件、嵌入式电子产品和外壳。线上制造平台Hubs编制的一份报告显示，打印技术和材料的进步帮助3D打印实现了其工业潜力。

市值1.01亿美元的3D印表机制造商Markforged发言人Sam Manning表示：“作为一个产业，3D打印肯定正处于一个转折点，很多人都愿意打印最终用途的部件。这与五年前相比有很大的不同。”

在整个制造业，3D打印解决了许多产业特有的问题。制造商不再需要依赖海外合作伙伴进行原型设计和生产。设计可以安全地直接下载到印表机，从而降低IP盗窃的风险，元件可以在消耗时依照所需的确切数量进行建构。这使企业摆脱了最低订单要求和装运/交付提前期的影响。用供应链术语来说，3D打印是“及时生产的助推剂”。

几年前，全球市值297.2亿美元的EMS供应商Flex就将3D打印确定为其工业4.0战略的支柱。该公司设计团队和制造团队经常对如何建构产品有不同的看法，3D制造透过提供即时原型和模型缩小了这一差距。随着产品的开发，3D技术会为过程中的每一步创建一个数字储存库。设计变化可以快速合并，并建立一个新的3D模型。

制造商还认识到3D打印的成本和永续性优势。从原材料到纸板箱的浪费基本上被消除了，库存不再需要在仓库中储存和维护，运输和配送成本是最低的。根据Hubs的报告，流程自动化正在透过切片机最佳化、智能零件定位、批量布局和后处理来提高打印速度、品质和一致性。

切片(Slicing)是将3D模型转换为印表机指令集的过程。Manning说：“工厂将不再需要每年检查库存，以确保库存中有合适的零件，或者，万一没有所需的零组件，就只能坐在那里等待。现在的模式是‘拿一个，做一个’。”

越来越多的软件解决方案将3D打印生产链中的各个阶段连接起来并实现自动化。Markforged开发了自己的软件，完全自动化的工作流程可实现无人值守的3D打印，工厂几乎不需要人工监督。

Manning说：“我们的软件确保切片是准确的，并在打印之前模拟零件，以确保拉伸强度。如此，你便拥有了一个零件的数字储存库。”

新进度
3D打印/增材制造领域由硬件(主要是印表机)、材料和软件组成。据Hubs报导，大型金属增材制造领域取得了重大进展。SLM Solution正在为美国空军建造一个具有1.5公尺Z轴的激光粉末床融合系统，该系统将使用多个激光器来生产大型金属零件。

大型复合材料专家Caracol正在开发一种近净形金属丝电弧增材制造系统，该系统使用金属丝原料和机器人焊接臂来创建大型结构或修复金属零件。

迄今为止，最大的3D打印产品是波音(Boeing)使用的配平工具。该工具在加工和钻孔时固定在波音777x的机翼蒙皮。

3D打印材料包括种类不断增加的工程热塑性塑胶和树脂、复合材料、聚合物粉末和金属粉末。静电放电树脂可用于电子产品、穿戴式设备中的阻尼弹性体树脂，以及运输和其他产业中的阻燃材料。在熔融沉积成型中，非平面打印已经取得了突破，软件可以打印曲线，消除悬垂的支撑，提高垂直强度。

“我们不只是制造印表机，”Manning说，“我们制作材料并处理软件。当整个生态系统协同工作并不断向人工智能(AI)和机器学习(ML)学习时，3D打印的采用率将会提高。”

Markforged可以立即将设计发送到13,000台经过ISO安全认证的已连接印表机中的任何一台。“当你考虑能够解决当前的供应链问题时，你所要做的就是点击‘发送’和‘打印’，”Manning说。

3D打印使用案例
无论产品是智能手机还是垫片，3D打印都非常适合原型制作、工具制作和大规模定制。原型在全面生产之前评估产品的设计和功能；新的设计或特性可以更灵活地演进、测试和验证。

“我认为，我们将看到的最重要的事情之一是，你甚至在按下‘打印’之前，就可以在云端中进化你的产品，而不是使用增材制造进行快速原型和打印。”Manning说，“你会确切地知道零件在强度和耐用性方面的规格。”

工具涉及创建用于生产的专用设备。3D打印能够依需求生产工具、夹具和装配辅助工具，可以最大限度地减少机器停机时间、提高生产灵活性并解锁定制解决方案。丰田(Toyota)将增材制造用于模具，将敏捷性、更快的交货时间和设计自由度作为三大优势。

3D打印还为小批量制造提供了一种经济可行的方法。企业可以提供限量版产品和备件生产，同时最大限度地降低成本。丰田正在使用惠普(HP)的3D打印技术来依需求制造替换零件，以及短期的最终用途零件。

3D打印实现了经济高效的大规模定制。CAD档案可根据客户需要修改，产品可批量打印。科技新创公司Formify使用3D打印根据客户的手部图像，生产定制符合人体工程学的电脑鼠标。

“供应链正在努力尽可能高效地运作，”Manning说，“市场上普遍发生的情况是，越来越多的人想要定制产品。因此，从本质上讲，每件商品的生产量会减少，因此运输5件比运输50件更紧凑，3D打印所能做的就是现场打印这5个项目。大多数企业都担心自己的底线，一旦你能够小批量定制，更多的公司就会关注3D打印，并找到有利于公司的方法。”

批量生产是为了提高效率而连续生产多种相同产品的过程。Hubs报告称，随着工作流程日益数字化和自动化，制造商更容易全天候生产零件。在3D打印中，批量生产对于小零件尤其可行，因为其中几个零件可以放入单个建构中。例如，Protolabs利用150台3D印表机，每年生产多达100万个零件。

永续
制造商面临着不断提高效率和削减成本的压力，同时还要成为负责任的环境管理者。3D打印在制造商的绿色倡议中发挥着主导作用。例如，与电脑数值控制(CNC)加工等减材制造工艺相比，3D打印产生的材料浪费更少。对于粉末印刷，3D打印可以重复使用和回收粉末。

3D打印的功耗也更低。Markforged的​​客户Athena Manufacturing进行关灯制造。Athena的机器人可以移除打印床，将其放在一边并放上新的打印床，然后第二个机器人按下“打印”按钮。“他们不断地生产零件——不是快速原型，而是交付给客户的零件，”Manning说。

根据Hubs的说法，人工智能驱动的软件工具还可以最大限度地降低打印失败的风险并最佳化打印过程的CAD设计，从而帮助减少添加剂浪费。

作为一种数字制造方法，3D打印可以在本地生产零件，无需复杂的物流和运输。分散式制造网路可以透过提供与世界各地合格制造商的联系来促进本地3D打印，智能零件设计正在帮助航太和汽车工业实现更好的燃油效率。透过增加零件的轻量化，飞机和车辆可以消耗更少的燃料。Hubs报告称，将飞机重量减轻20%，可以使燃油效率提高10%。

最后，像汽车和飞机这样的长寿命设备可以利用3D打印来延长它们的使用寿命。这些产品中使用的元件经常会过时，3D打印可以根据需要生产替换零件，备品可以在家或在办公室打印。

根据Hubs的资料，到2022年，3D打印市场(包括3D打印系统、软件、材料和服务的收入)将达到170亿美元，年成长率为13%。2023年的预测是基于17%的年复合成长率(CAGR)，到2023年将达到199亿美元。

“3D打印是工程师的另一种工具，”Manning说，“它不会取代传统制造业。但工程师们开始学习增材制造课程。在设计时，从增材制造的角度思考是非常不同的。我们希望在5年后，工程师们能在传统方式的基础上进行加法思考。”

(参考原文：How 3D Printing Boosts Industry 4.0，by Barbara Jorgensen，国际电子商情Momoz编译)

本文原刊登于国际电子商情