自3D打印技術(shù)在20世紀(jì)80年代問世以來，這種增材制造方法的潛力一直令技術(shù)專家和商界領(lǐng)袖驚嘆不已。然而，由于成本、材料可用性和技術(shù)復(fù)雜性等方面的種種原因，3D打印在其后的大部分時(shí)間里仍局限于小眾應(yīng)用。得益于增材制造領(lǐng)域的新發(fā)展，這種情況已經(jīng)開始改變。

3D Printing

增材制造簡(jiǎn)史

世界上第一臺(tái)商用3D打印機(jī)于1987年面世，隨后這一市場(chǎng)迅速發(fā)展，涵蓋了多種增材制造技術(shù)。在早期，3D打印的成本高昂，因而這項(xiàng)技術(shù)只能應(yīng)用于高成本、小批量生產(chǎn)。直到數(shù)十年后的2000年代，這一領(lǐng)域涌現(xiàn)出創(chuàng)新浪潮，并發(fā)展出了熔融沉積建模技術(shù)。

這項(xiàng)新技術(shù)讓業(yè)余愛好者也用上了3D打印，第三波創(chuàng)新浪潮也很快隨之而來。2010年代，長(zhǎng)絲制造和連續(xù)纖維加固技術(shù)的出現(xiàn)，使人們能夠利用各種新材料選項(xiàng)，更快速、更準(zhǔn)確地打印零件。到2014年，3D打印行業(yè)的年收入已超過10億美元[1]。

到了2020年代，增材制造才開始廣泛應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，技術(shù)進(jìn)步為各行各業(yè)帶來了多種多樣的優(yōu)勢(shì)。

3D Printing

為工業(yè)4.0奠定基礎(chǔ)

與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造可通過單件裝配大大降低工藝復(fù)雜性[2]。3D打印技術(shù)還可以帶來更大的設(shè)計(jì)自由度、靈活性和效率。這些優(yōu)勢(shì)可轉(zhuǎn)化為多項(xiàng)顯著的商業(yè)利益，包括更短的交付周期、按需生產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展和運(yùn)營(yíng)復(fù)原能力。

更短的交付周期

3D打印技術(shù)擅長(zhǎng)以低成本快速生產(chǎn)單個(gè)物品，因而非常適合快速原型制作。制造商也不必?fù)?dān)心從原型投入到生產(chǎn)會(huì)因?yàn)槭褂玫脑O(shè)備不同而出現(xiàn)問題，因?yàn)檫@兩者可以用相同的設(shè)備來支持。因此，3D打印技術(shù)有望大大縮短多種應(yīng)用的交付周期，包括并不限于以下應(yīng)用：

產(chǎn)品開發(fā)

小批量生產(chǎn)

大規(guī)模定制并連續(xù)生產(chǎn)

按訂單生產(chǎn)

現(xiàn)場(chǎng)制造

按需生產(chǎn)

借助增材制造技術(shù)，企業(yè)可以在成本結(jié)構(gòu)可控、交貨時(shí)間固定的情況下，快速生產(chǎn)出各種物品或部件。這種能力的一大優(yōu)勢(shì)在于它可以簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)的產(chǎn)品維護(hù)和支持。公司可以在現(xiàn)場(chǎng)打印出組件或零件，而不必預(yù)先把它們生產(chǎn)出來。

此舉還可以降低物流成本、減少碳排放量。由于企業(yè)可以依賴虛擬庫存，因而他們無需維持大量的產(chǎn)品和零部件庫存，也無需擔(dān)心這些物品的運(yùn)輸問題。

可持續(xù)發(fā)展

根據(jù)發(fā)表在《Environmental Science & Technology》（環(huán)境科學(xué)與技術(shù)）上的一篇綜述，對(duì)于生產(chǎn)量較低的使用案例，增材制造可以減少開銷、降低環(huán)境影響[3]。在傳統(tǒng)零部件生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生大量浪費(fèi)的場(chǎng)景中，或者在減輕飛機(jī)和汽車零部件重量的應(yīng)用中，3D打印也具有更好的可持續(xù)性。而后，通過整合生產(chǎn)步驟、縮短供應(yīng)鏈，也可以減少運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的排放。

運(yùn)營(yíng)復(fù)原能力

增材制造可以讓企業(yè)在現(xiàn)場(chǎng)重新制造舊系統(tǒng)的組件，而無需從第三方采購(gòu)，從而提高運(yùn)營(yíng)復(fù)原能力。使用更現(xiàn)代化的材料制造這些組件，還可以提高耐用性和可靠性，實(shí)現(xiàn)分布式生產(chǎn)，并消除對(duì)綜合制造設(shè)施的依賴。

3D Printing

阻礙增材制造發(fā)展的因素

增材制造的優(yōu)勢(shì)顯而易見。分布式企業(yè)的表現(xiàn)一直都好于依賴傳統(tǒng)流程的企業(yè)[4]。新冠疫情期間發(fā)生的供應(yīng)鏈危機(jī)，凸顯了供應(yīng)鏈恢復(fù)能力的重要性以及供應(yīng)鏈中斷的后果，而增材制造有望能夠解決這一問題。

不過，在汽車、航空航天和國(guó)防這幾個(gè)領(lǐng)域之外，3D打印技術(shù)仍然沒有得到廣泛應(yīng)用，只占到整個(gè)制造業(yè)市場(chǎng)的0.1%[5]。造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的。

首先，3D打印技術(shù)往往成本高昂，對(duì)于商用系統(tǒng)而言尤其如此。此外，由于3D打印初始是為原型設(shè)計(jì)而生的，因此大多數(shù)廣泛應(yīng)用的方案都不適合大批量生產(chǎn)，而且配套的軟件方面也缺乏對(duì)大批量生產(chǎn)的支持，這些都導(dǎo)致3D打印技術(shù)很難融入到數(shù)字化工廠中。

3D打印的特性，也決定了產(chǎn)品的質(zhì)量控制存在困難，哪怕是極其細(xì)微的偏差，都可能毀掉整個(gè)打印件。許多3D打印設(shè)備還需要用戶掌握3D建模技術(shù)，一些預(yù)制的CAD模型也可能存在缺陷或無法接受的質(zhì)量問題。

更糟糕的是，增材制造可用的材料長(zhǎng)期以來都存在很嚴(yán)重的限制，打印材料基本上限于塑料和聚乳酸（PLA）[6]。雖然這種狀況在近幾年有較大改善，但材料管理仍然是一個(gè)值得持續(xù)關(guān)注的問題。

在建筑等行業(yè)，3D打印的應(yīng)用也面臨著挑戰(zhàn)，因?yàn)榻ㄖ牧闲枰?jīng)過漫長(zhǎng)的測(cè)試過程才能滿足規(guī)范的要求，而且材料審批流程很可能既昂貴又耗時(shí)。雖然這個(gè)領(lǐng)域并不缺少相應(yīng)的能力和設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，但昂貴又耗時(shí)的材料審批流程仍然是擺在3D打印面前的一大障礙。

3D Printing

增材制造市場(chǎng)的現(xiàn)狀

根據(jù)Vantage Market Research的一份報(bào)告，增材制造市場(chǎng)在2022年的價(jià)值為145億美元，預(yù)計(jì)到2030年這一數(shù)值將達(dá)到約693億美元[7]。汽車、航空航天、醫(yī)療保健、牙科護(hù)理和消費(fèi)品等行業(yè)在增材制造應(yīng)用方面居于前列，并且貢獻(xiàn)了增材制造大部分的增長(zhǎng)率。該報(bào)告還指出，西門子和惠普等技術(shù)制造商已開始在其產(chǎn)品線中引入3D打印機(jī)和新材料；與此同時(shí)，適合生產(chǎn)應(yīng)用的工業(yè)3D打印機(jī)也正在變得越來越快、越來越大，并得到越來越廣泛的應(yīng)用。

雖然增材制造在誕生后的大部分時(shí)間里仍主要局限于原型設(shè)計(jì)和模具制造，但這樣的狀況很可能會(huì)在2024年發(fā)生改變。經(jīng)過近幾年的技術(shù)進(jìn)步，增材制造現(xiàn)在具備了以下優(yōu)勢(shì)[8]：

成本門檻比以往更低，因?yàn)楦訉?shí)惠的中檔機(jī)器已經(jīng)上市

速度更快、精度更高，這得益于更高效的擠出機(jī)和激光器、更好的軟件等

技術(shù)上更容易掌握，這是培訓(xùn)和生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)的成果

更加注重可持續(xù)發(fā)展并使用可持續(xù)材料

開始面向市場(chǎng)整合、協(xié)作和批量生產(chǎn)

更好地支持大規(guī)模生產(chǎn)和大批量應(yīng)用

3D Printing

增材制造的新趨勢(shì)與新進(jìn)展

有關(guān)增材制造取代或淘汰傳統(tǒng)生產(chǎn)的炒作已經(jīng)開始消退。目前，這項(xiàng)技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域是多品種、小批量的零件生產(chǎn)。與此同時(shí)，增材制造正在通過以下方式進(jìn)行重塑。

新材料

隨著越來越多企業(yè)和行業(yè)采用增材制造，這項(xiàng)技術(shù)的材料限制正變得越來越少。企業(yè)越來越多地探索為特定用途設(shè)計(jì)的專用材料，例如具有柔韌性、生物相容性和更高強(qiáng)度等特性的材料。阻燃、食品級(jí)和可持續(xù)材料也越來越常見。

尤其值得一提的是，高性能合金和金屬的使用正變得越來越多，因?yàn)榻饘俸徒饘僮⑷氪蛴〖梢蚤_啟許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。例如，鈦打印件由于重量輕、耐用性好，非常適合航空航天和汽車應(yīng)用。不銹鋼在醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中越來越常用，鋁在汽車和電子行業(yè)中也很常見。

金屬和生物相容性硅也不是唯一引入到3D打印的新材料。生物打印就直接使用活細(xì)胞本身作為打印材料。

人工智能

智能3D打印平臺(tái)解決了工業(yè)規(guī)模增材制造面臨的兩個(gè)重大問題。首先，由于人工智能可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整打印參數(shù)，因而可以大大降低打印失敗或出現(xiàn)缺陷的可能性。人工智能還可以提供有價(jià)值的見解，從而改善未來的生產(chǎn)工作。

人工智能還有望通過算法將產(chǎn)品圖紙轉(zhuǎn)化為3D模型，讓3D打印對(duì)用戶更加友好。一些主流的3D建模平臺(tái)，包括Blender、Autodesk和SketchUp，已經(jīng)在其產(chǎn)品中集成了生成式人工智能。

批量生產(chǎn)

工業(yè)增材制造主要的障礙之一，在于3D打印機(jī)當(dāng)初并非為大批量應(yīng)用而設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在，更大、更高效的商用打印機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)，這種情況正在發(fā)生變化。通過既高效又符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的材料和生產(chǎn)工藝，批量增材制造已成為現(xiàn)實(shí)。

5G集成

將3D打印機(jī)與5G技術(shù)相結(jié)合，企業(yè)可以更輕松地支持現(xiàn)場(chǎng)制造，同時(shí)還能更好地控制和監(jiān)控打印工作。通過支持快速、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，這兩項(xiàng)技術(shù)還能讓企業(yè)更容易地將3D打印技術(shù)集成到現(xiàn)有工廠生態(tài)系統(tǒng)中。

3D Printing

3D打印的創(chuàng)新

增材制造設(shè)備的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，為這項(xiàng)技術(shù)帶來了許多令人驚嘆的新應(yīng)用，橫跨多個(gè)行業(yè)和垂直領(lǐng)域。

制造器官、骨骼等

2024年初，韓國(guó)的外科醫(yī)生開展了首例3D打印器官移植手術(shù)，為一名患者移植了完全由干細(xì)胞制成的新氣管[9]。器官的制造只是一個(gè)開始。生物打印將能夠制造一切，如牙齒、肌肉細(xì)胞、骨骼乃至整個(gè)肢體。

增材制造可能很快就會(huì)與軟體機(jī)器人技術(shù)結(jié)合到一起，用于制造具有全方位運(yùn)動(dòng)能力的高仿真假肢。此外，醫(yī)院和護(hù)理機(jī)構(gòu)還可以設(shè)計(jì)和制造定制款的外骨骼，幫助患者開展運(yùn)動(dòng)和康復(fù)。

除了外科和康復(fù)應(yīng)用外，增材制造還可以用來即時(shí)制造其他醫(yī)療設(shè)備，如手術(shù)器械、牙科設(shè)備和模具。這也可以用于向受持續(xù)災(zāi)害影響的地區(qū)提供應(yīng)急物資。

但依然重要的一點(diǎn)是，藥店將能夠直接在店內(nèi)打印自己的藥品，而不必依賴制藥商發(fā)貨，讓藥品比以往更容易獲得。

重建過去

增材制造有望幫助重建從骨骼到城市的一切，尤其是在與生成式人工智能相結(jié)合時(shí)。法醫(yī)和科學(xué)家可以利用這項(xiàng)技術(shù)彌補(bǔ)證據(jù)上的空白，對(duì)犯罪現(xiàn)場(chǎng)做出精確的物理重建?？脊艑W(xué)家和人類學(xué)家利用增材制造，可以幫助他們更好地了解古代的動(dòng)物、人類、城市和文明。增材制造還可以用于修復(fù)被毀壞的古跡、建筑和藝術(shù)品。

把設(shè)計(jì)好的建筑打印出來

將建筑藍(lán)圖轉(zhuǎn)化為3D模型的技術(shù)已經(jīng)存在多年。借助3D打印技術(shù)，建筑在設(shè)計(jì)完成后就可以立即開始施工。當(dāng)建筑法規(guī)跟上這項(xiàng)技術(shù)的步伐后，我們就能看到未來的建筑在幾天而不是幾個(gè)月內(nèi)就能拔地而起。

支持未來的供應(yīng)鏈

我們已經(jīng)談到了3D打印通過本地制造實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈恢復(fù)能力和可持續(xù)性的潛力。但企業(yè)可以更進(jìn)一步。隨著打印機(jī)變得越來越復(fù)雜，我們可以看到，未來的消費(fèi)品可以在出售時(shí)進(jìn)行定制打印，從而實(shí)現(xiàn)前所未有的個(gè)性化。

探索群星

阻礙太空旅行和探索的重大挑戰(zhàn)之一，在于如何為宇航員提供生存所需的物資。除了食物之外，要載人登陸火星等星球，還需要大量的設(shè)備、零部件和工具。這正是增材制造的用武之地。

想象一下，如果太空飛船配備了一臺(tái)3D打印機(jī)，可以隨時(shí)制造出任何所需的物品。只需這一臺(tái)設(shè)備，就可以成倍地減少旅途中需要攜帶的物資，從而大大簡(jiǎn)化載人航天飛往遙遠(yuǎn)世界的后勤工作。增材制造甚至可以用于太空建造工程和地形改造[10]。

3D Printing

迎接混合制造

增材制造不太可能完全取代傳統(tǒng)生產(chǎn)。不過，它也沒必要取代傳統(tǒng)生產(chǎn)。它帶來全新使用案例，以及為汽車、航空航天和建筑等行業(yè)帶來的潛在效益，都是非常巨大的。

我們很可能會(huì)看到這樣的未來：企業(yè)將會(huì)兼具兩種生產(chǎn)方式的優(yōu)勢(shì)，利用傳統(tǒng)制造技術(shù)進(jìn)行大批量生產(chǎn)，同時(shí)依靠增材制造生產(chǎn)定制耳機(jī)、食品和肢體等各種產(chǎn)品。