为什么要发展增材制造？

二、发展增材制造的意义

1.为什么增材制造受到设计者、制造者和消费者的关注?

  增材制造是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术,以数字化模型文件为基础,通过软件与数控系统将特制材料逐层堆积固化,制造出实体产品的制造技术。它与传统的,对原材料进行切削、组装的加工模式不同,是通过材料累加的原理,从无到有地制造产品的新型技术工艺。也正是由于增材制造的这种技术特点,使得它受到全球的广泛关注,将有可能给传统的制造业来带一系列深刻的变革。

  第一,新的生产模式。作为一种“无需工具”的数字化制造技术,增材制造将有可能改变某些产品的生产模式,给企业和消费者带来巨大的经济和社会效益。目前大型工厂的生产需要众多的机器、大量专业设计与加工技术人员才能实现。而对于增材制造来说,设计师将不需在工厂工作,在家中就可以把设计好的数字化文件发送到网络上,客户通过文件下载,利用3D打印机制造出符合需求的产品。这将实现生产模式的根本变革,从传统制造业的批量化、规模化、标准化制造转变为定制化、个性化、分布式制造(见图3)。

图3 增材制造服务流程

  第二,新的设计理念。由于增材制造技术是通过层层堆积的方式来进行生产,可以制造出形状高度复杂的产品。这使得过去受到传统加工方式的约束,而无法实现的复杂结构制造变为可能。这将大大简化产品设计,提高零部件的集成度,加快产品开发周期。例如对于航空航天领域来说,可以通过优化产品的几何形状来降低零部件重量,以此改进强度-重量比,降低燃料消耗。还可以通过多种材料局部区域的组分调节,实现单一零件的多功能化(即零件的不同部位实现不同的力学性能),以满足实际需求。同时,由于不涉及熔炼、锻造、机加工等工序,增材制造可以使产品的研发周期缩短了30%-50%,明显缩短产品的开发成本与周期。

  第三,新的商业模式。随着数字技术的发展,增材制造与互联网结合起来还将使得消费者直接参与到产品生命周期当中,从最初的设计过程、到生产制造、再到后期产品的维修,并借助网络实现数字化文件的共享和交易。这大大规避了传统制造业和零售业的价值链,刺激了新的产品设计模式、销售商业模式和供应链管理模式的产生,使相关企业受益(图4)。消费者的参与一方面将大幅度提升企业的创新能力与研发实力,使创新边界得以延伸,另一方面使产品更容易适应市场需求,降低业务风险。

图4 增材制造对传统供应链的冲击示意图

  第四,实现个性化产品制造。由于具有“自由设计”和“无需工具”的优点,增材制造将使得商业化个性制造成为可能,从运用X线电子计算机断层扫描(CT)和核磁共振成像(MRI)扫描数据打印出百分百符合患者需求的植入物,到个性化的消费品如鞋子、珠宝和家庭用品。随着科技的进一步发展,利用增材制造技术还可以直接打印活体组织,制造出符合人体需求的人工器官,实现人工器官的再造将给现代医学带来一次革命性的变革。

第五,顺应绿色经济发展模式。相对于利用切削机床对毛坯进行加工的“减材制造”,增材制造减少了原材料的使用量,降低了对自然资源和环境的压力。此外,增材制造还可大大压缩供应链,使得传统的离岸经济模式得以改变。它将允许在靠近消费区域的地点进行同步生产,实现分布式制造。这将显著地削减将量产商品从生产地运送到消费地所消耗的大量能源,对当地经济、环境和消费者都颇具益处。

2. 增材制造可以给中国带来什么?

  增材制造最初只是用于原型件制造,经过多年的发展,其应用领域已经开始拓展到电子、汽车、医疗、工业及商用机器、航空航天等众多行业。据《Wohlers Report 2013》发布的信息,2012年增材制造全球产值为22.04亿美元,比2011年的17.14亿美元增长28.6%。预计2015年产业规模将翻番达到40亿美元。虽然增材制造技术在近几年得到了快速的发展,但根据业内人士分析,目前此技术的市场渗透率仍然不足8%。一部分原因是由于此项技术的认知度不足,但更重要的是此项技术目前还面临一些技术瓶颈,限制了其更大规模的应用。如果可以突破这些瓶颈,那么此项技术的市场渗透率将达到92%,其产值将在2020年超过1000亿美元。对比之下,目前全球航天产业年产值约为3300亿美元。由此可见,作为一种高附加值的制造业经济,增材制造将有可能成长为一个庞大的产业,在中国未来经济发展中发挥重要作用。目前,这项技术已经在航空航天、医疗器械和创意行业等领域实现了小规模应用,并开始向其他行业拓展。与之相关的仪器装备、材料生产、软件开发及创意设计等行业也将迎来重大的市场机遇。除此之外,增材制造还具有其他方面的战略价值。

  第一,增材制造可提升制造业发展水平,增强国家先进制造技术的国际竞争力。虽然我国制造业规模已经位居世界第一,但总体上大而不强。随着制造业逐步实现数字化,个性化需求逐渐增多,新的变革正在悄然到来。这意味着一些传统工厂将逐渐消失,生产制造将从大型、复杂、昂贵、冗长的工业过程中分离出来。部分高附加值产品的生产方式将像圆圈一样又绕回到了原点,从大规模生产转回到个性化生产。生产目标将不再是追求规模经济,而是更快更灵活的生产。这一转变将有可能导致新兴市场的一些生产岗位重新回到发达国家手中。另外,增材制造和传统制造工艺的结合将可促进产业升级。例如,机械零件制造所用的复杂模具就可以通过增材制造技术生产。德国EOS通过此技术生产的一款产品,成本降低了近85%,生产周期降低了50%,有力的促进了复杂磨具和机械零件制造技术的进步。因此,面对发达国家实行的“制造业复兴计划”,积极发展以增材制造为代表的先进制造业技术,带动传统制造业实现转型升级,推动我国由制造大国向制造强国的转变,是巩固我国全球制造业第一大国地位的战略需要。

  第二,增材制造可以降低贵重资源的消耗,实现稀缺材料和其他资源的高效利用。由于增材制造采用堆积方式实现产品制造,超过90%的原材料可以回收再利用,此技术具有节料、节能、环保的特点。这对于一些大量应用于国民经济和国防工业的稀缺资源来说,具有重要的战略意义。例如在航空航天领域,为实现零件的高性能,需要大量使用钛合金和镍基合金等昂贵的战略材料。而这些材料的加工十分困难,传统的锻造工艺会切削产生大量难以再利用的废屑,造成巨大的原材料浪费。如F22战机的钛合金框重量为144kg,但其原始锻件质量高达到2 980kg,材料利用率仅为4.8%。运用增材制造技术,可以把高性能金属零件的材料利用率大幅度提高,节约2/3以上的昂贵原材料。

  第三,增材制造将在未来实现“活体”打印,催生生物医疗行业发生变革。增材制造技术最具开创性、革命性意义的应用是进行人体组织的“活体”打印。目前,全球器官移植的需求量巨大,仅美国就有11.4万人等待合适的器官配对,每年有超过6 600名患者在等待中过世。利用3D打印技术,则可以使用患者的细胞制作“活体组织”,用于器官移植解决此问题。虽然道路十分漫长,但前景非常令人期待。设计和制造有生命的人体组织,甚至是人体器官已经成为生命科学前沿研究中的重点方向,其发展和应用正在催生一个新的学科——再生医学。未来20年内,再生医学的年产值将突破5 000亿美元,替代常规的生物材料成为生物医用材料产业的主体。因此,发展增材制造不仅可以促进我国生物医药产业快速健康的发展,而且对提高国民健康水平也具有重大意义。

  第四,增材制造可激发的新型设计理念、生产方式和商业模式,将创造更加卓越的价值链体系形成。增材制造不仅是一种先进的制造技术,它还将对现有的设计理念、生产方式和商业模式产生冲击,使得制造和设计被整合成为“精益设计”模式。这不但会影响制造业本身,还将改变经济发展的模式和我们的生活方式。增材制造将使得制造过程的复杂性降至最低,而通过精益设计提高制造的灵活度将成为产业发展趋势。面向制造的设计与面向装配的设计理念将逐步为人接受,并成为行业领军企业实现创新之道的模式。

  这种变化恰恰迎合了信息技术快速发展的趋势,如iTunes等数码产品的兴起盘活了传统的音乐和影视产业,淘宝等电子商务的崛起激活了大众消费潜能释放一样,增材制造将有可能实现大量现有产品的数字化文件(3D模型文件)授权和交易。未来,随著互联网的愈发普及,人联网、物联网、服务网的大融合所产生的“智慧工厂”将取代传统封闭性的制造模式,即充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统,实现制造的智能化(见图5)。这不仅仅可以使公司内部人员得到解放,将精力投入到创新和增值业务上去,还可通过远程合作来实现众包(crowdsource)创意资源的最大化利用,使得公司可以从一个更大的视野看待产品研发。这种模式将释放整个社会的智慧,通过协同制造、全面参与构建兼具个性化和数值化的产品与服务,催生出新的活动领域和合作形式,演化出更加灵活和富有活力的商业模式,重组产业链分工、创造新的盈利模式和价值链体系。对我国制造业未来的发展来说,顺应信息化下制造方式的转变,通过先进技术引导实现“中国制造”到“中国创造”的转变将变得尤为重要。

图5 由人联网、物联网和服务网构建的人、物、商业交织的网络系统

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的。

图8 Wohlers Associates公司预测的增材制造技术未来应用方向

  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)。

图9 美国CSC公司预测的增材制造技术影响

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2 300~5 500亿美元(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。在上述两个市场,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%。

图10 麦肯锡预期2025年增材制造对全球经济的影响

  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,不停的敲打着一块金属是在干什么呢?

来源:《新材料产业》杂志,作者: 于灏 黄瑶