3D 打印：产品设计的前沿
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增材制造的转型
听到 3D 打印这个词，许多人的第一印象会是一项新奇的技术，或者是一种主要用来快速制作原型的一次性工艺，而实际上，3D 打印如今已在制造业扮演起十分重要的角色。在工业领域，3D 打印被称为增材制造 (AM)，与其他创新技术相比，这项技术的优势远不止优化、加快现有的业务流程并节省成本。AM 能够从根本上改变整个行业，减少传统业务流程对特定工具的依赖，将资金和技能集中在固定的位置。借助 AM，能够真正实现分布式生产。产品的设计和 3D 打印工作可以在世界的各个角落完成，在微观和宏观尺度上皆可完成。这一进步将给工艺经济性和供应链带来深远的影响。
公司可以使用 3D 打印机取代传统的制造方法，以计算机设计模型为基础构建三维物体。其中一些产品具有复杂的几何结构，而传统制造业并没有相应的大规模生产工艺。
“软件驱动的生成式设计流程和 3D 打印允许设计师模拟大自然，”AM-Cubed 创始人兼总经理 Kristin Mulherin 说道。AM-Cubed 是一家位于俄勒冈州波特兰市的咨询公司，专注研究增材制造。
“巧夺天工的大自然造就了各种各样功能性出色的事物。航空航天行业中的设计师所做的工作与此类似，他们会生成一个原型支架，然后对其在受力和载荷情况下的性能进行优化，与传统的注塑成型或机械加工相比，通过这种方式生产出的产品重量要轻 80%，”她说道。
AM 通常可以视作传统制造方法的一种补充。Mulherin 指出，3D 打印产品可以利用多种工艺进行后处理，如热处理或抛光。许多产品都要涉及混合制造，包括増材制造和减材制造。
“增材制造目前还不能取代传统制造，”她补充道，“但在一些应用中，它可以解决注塑工艺或机械加工无法解决的问题，特别是在航空航天和可植入医疗设备等市场，因为在这些领域中，高强度和轻重量是选择材料时的优先考量因素。”
在消费品、汽车、制造、航空航天和国防等行业，产品开发团队正在使用 AM 打造创新产品并提升生产效率，与此同时，供他们选择的材料种类越来越多，并且尺寸和复杂性也越来越广泛。
推动创意革新
在过去的十年里，增材制造领域一直在稳步发展。尽管 3D 打印在全球制造业市场所占的份额还不到 1%，但这项技术在生产流程中的价值已经得到充分证明。1 2018 年至 2019 年间，使用 3D 打印进行生产的制造商比例从 21% 增加到 40%。2 虽然将这项技术用于生产的制造商不断增加，但截至 2019 年，概念验证和原型设计在 3D 打印应用中仍然占有主导地位。
超过 70% 的企业为 3D 打印找到了新的应用场合。3 在这种趋势的推动下，各种专业合同制造公司如雨后春笋般涌现，致力于帮助客户过渡到包含 AM 的混合生产模式。Fictiv 就是这些承包商中的一员，其首席执行官 Dave Evans 表示：“在我们看来，我们提供的不是一个工厂，而是一个数字制造生态系统。”
Fictiv 不提供实体设备；全球各地的客户可以通过该公司的数字平台与具有剩余产能的机械工作室或工厂建立联系，这使得产品创新者能够通过这个分布式系统订购所需产品。Fictiv 的许多合作伙伴规模都很小。Evans 指出，在美国，65% 的制造商旗下的员工数量少于 15 人，并且只拥有三到五台设备。AM 已成为制造服务“目录”的一部分；客户所订购的服务通常包含 AM 和更传统的加工方法。他表示：“这种模式的核心优势在于灵活性。”
Mulherin 认为，合同制造很可能成为增材制造的一种固定模式。“我们会一直保留机械车间，”她说道，“它对于 AM 有着非常重要的意义，因为安装 3D 打印机需要投入巨大的成本，而具备相关操作和维修知识的技术人员又比较匮乏。”
从原型到部件
3D 打印主要用于产品原型设计、生产小批量部件和创建自定义物品，从而满足不同行业的特殊需求。这项技术可用于在短时间内生产稀缺的最终用户产品——在 2020 年新冠肺炎疫情期间，许多创客项目都利用 3D 打印生产供医护人员使用的个人防护装备。随着 3D 打印创新水平的提高，该技术也越来越多地被应用于大规模制造。
“采用增材制造的目的不是为了取代注塑成型工艺，”Evans 说道，“而是作为对传统技术的补充，让我们能够制造出以前根本不可能生产的部件，也是我们最近才敢于放胆想象的事物。”
但 3D 打印是一个全面的制造过程，从人造膝关节到航空发动机中的涡轮，没有什么能难得住它。它已经从一种制造塑料丝等小物件的“业余”工具，发展成为使用各种特殊金属和其他材料生产产品的工业流程。
“采用增材制造的目的是对传统技术进行补充，让我们能够制造出以前根本不可能生产的部件。”
Dave Evans
Fictiv 首席执行官
3D 打印技术
打印技术近期取得了长足的进步，比如惠普推出的 Multi Jet Fusion (MJF) 技术，它们可以提高打印机生产功能部件的效率，同时大幅降低生产成本，这对于增材制造的发展起到了重要的推动作用。
惠普 3D 打印技术可以提高产品制造的定制化水平、实现更复杂的几何结构，且成本相比于传统制造更具优势。
让现今的企业更加接近未来
随着 3D 打印技术的不断进步，其采用成本已经显著下降。
现在，中小型企业可以越来越多地以创新的方式使用增材制造——甚至可以远程管理制造过程——从而获得竞争优势，并迅速将他们的新设计推向市场。NASA 的合作伙伴 Made In Space 甚至可以在国际空间站上进行小规模的 3D 打印任务。
引领潮流的行业
北美和欧洲是率先采用 3D 打印技术的地区，随后亚洲迅速成为增材制造市场的强大竞争对手。美国、英国、德国、法国和中国是 3D 打印采用率和投资率的前五名。1
有赖于医疗、航空航天、国防和汽车等行业的高需求，增材制造市场正在快速增长。6 这些行业不仅是 3D 打印技术成熟的采用者，也是 3D 打印产业化的关键贡献者。1
99%
的受访者在 Essentium 的一项调查中表示：99% 的人预计自己对 3D 打印的使用率将会增长，其中 41% 的人认为增加的速度将会“非常快”2
医疗
医疗行业是 3D 打印技术的早期采用者，他们利用该技术生产假肢、植入物并为个别患者定制的矫形产品。医疗 3D 打印市场（包括材料、服务、软件和硬件）目前的估值达 12.5 亿美元，这一数字预计会在 2027 年增长到 60.8 亿美元。1
“像 Stryker 公司这样的医疗设备公司正在使用 AM 来生产可植入的设备，如人造膝关节、髋关节和脊柱植入物，去通常为钛制，”Kristin Mulherin 指出，“为了有效解决骨整合的问题，他们开发出了专有的算法，能够让金属设备与病人的骨头契合。3D 打印机可以制造出坚固而轻盈的植入物，其表面经过精细处理，可以与骨组织牢固结合。”
后来，市场上出现了可以打印彩色功能部件的 3D 打印机，这也为此技术开启了新的可能性和应用。在过去的几年里，外科医生已经习惯利用 3D 技术制作复杂的器官解剖模型，来帮助他们为手术做好准备。因为增材制造支持彩色打印，医生可以轻松地区分出静脉和动脉。他们有时会打印出个别病人心脏的 3D 模型，使用它来演练手术过程并找到理想的手术方案。
航空航天和国防
飞机制造业是较早采用 3D 打印技术的行业之一，其主要利用此技术来生产复杂的部件。3D 打印技术在航空航天和国防工业中得到了广泛的应用。
3D 打印材料（如金属）被用来制造各类飞机部件，包括机翼、夹具和发动机部件。航空航天行业主要使用的 3D 打印材料是钛材料，因为此材料在生产过程中具有可靠的机械性能和较高的尺寸精度。6
应用案例：
利用生成式设计改进制造流程
生成式设计能帮助工程师为所需的产品指定一组确切的要求和约束条件，然后 3D 设计软件中的 AI 将完成剩余工作，为他们提供一系列满足这些要求的产品。在对计算机生成的设计进行可视化处理后，工程师及其商业伙伴可以从多个方案中选择几个作为原型，以快速而经济的方式实现大规模生产。
借助生成式设计可以创建出轻量化部件，其能够在降低重量的同时保持高性能标准，而且符合各项工程技术约束条件。
通过综合利用增材制造与生成式设计，制造商可以选择可持续性更佳、耐用性更好的材料。设计师可以剔除有缺陷的区域，选用更坚固的材料，并设计出可以提高性能的产品。8 此外，他们还可以将多个组件合并到单个部件中。
现在，设计师们可以将电子设计与机械设计融合到同一流程中。他们可以使用 Autodesk 的 Fusion 360 3D CAD 软件进行电气设计，而且可以将 MCAD 设计与电子设备结合起来，开展机电一体化作业。9
汽车
汽车行业对 3D 打印的依赖程度非常高。1 对于航空航天和汽车行业来说，使用 3D 打印来制造以前由多个零件组成的单一部件已成为一种常见的做法（此前采用的是“部件整合”这一权宜之计）。3D 打印可以帮助他们剔除昂贵的产品组装和测试流程，同时也能快速地生产出质量更高的产品。
与通过传统方法制造的部件相比，3D 打印部件使用的材料更少、重量更轻，因而可以大幅提升燃油效率。此技术能够帮助汽车行业以更低的成本制造出更复杂、更轻盈的结构。
许多一级方程式赛车和概念车都使用了 3D 打印部件。例如，2018 年第一季度，知名汽车制造商 Bugatti 就发布了一款由钛材料制成的 3D 打印制动卡钳。6
Tesla 和 BMW Group 等主要汽车制造商都对使用 3D 打印技术制造汽车零部件持有非常积极的态度。BMW 还与主要的 3D 打印公司合作，包括 EOS GmbH Electro Optical Systems 和 Carbon，为旗下的商用车制造 3D 打印部件。6
遥远的未来：人工智能与第四维度
3D 打印的快速发展离不开一系列互补技术的持续改进，它们相辅相成，互相成就。
AM 技术与人工智能 (AI) 和机器人技术的融合，意味着前沿的打印技术和自动化技术可以形成合力，一起推动生产力迈向新高度。
随着 3D 打印技术的不断发展，人们使用它的难度和成本变得越来越低。规模更小、业务模式更敏捷的企业可能会迅速采用这项技术，凭借创新成果向行业领军者发起挑战。与此同时，前沿企业将越来越多地使用增材制造，通过将 3D 打印与自动化和机器人技术进行整合来获得竞争优势。
众多公司将继续使用新的计算和软件工具来释放增材制造的无限潜力。这有助于催生新材料的问世，并推动 4D 打印向前发展——使用 3D 打印技术打印物体，同时增加时间维度或能量来源，使其形状或属性随时间而改变。13
2 倍
3D 打印市场的规模每三年就会翻一番7
30 亿美元
3D 打印材料市场规模预计将从 2019 年的 15 亿美元增长到 2024 年的 45 亿美元5
25%
2019 年至 2024 年的 3D 打印材料市场复合年增长率5
障碍与动力
增材制造将对全球劳动力市场产生巨大影响。其中一个潜在的挑战是原材料供应。
“塑料丝等原材料是当今供应链上出现的重大瓶颈，”Dave Evans 警告称，“例如，我们无法为医院生产足够的 N95 口罩，原因不是产能不足，而是材料短缺。世界上只有两家供应商提供制造这种口罩所需的树脂。如果零部件出现类似的供应中断，则供应链下游的各个环节都会受到影响。
这就是所谓的“牛尾效应”。如果说我从新冠肺炎疫情中学到了什么的话，那就是每个企业都需要针对供应链建立相应的数字化战略。”
Mulherin 指出，即使增材制造材料供应充足，成本也可能成为一个问题，对于不锈钢、钛、特种铝合金和钴铬（常用于生物医学应用，如牙科或骨科植入物）等金属而言尤其如此。金属通常以粉末的形式装入 3D 打印机，而将金属磨成粉的流程可能花费高昂，特别是有的应用要求颗粒必须呈球形且大小均匀。
采用 AM 面临的另一个挑战在于互操作性。一个复杂的制造生态系统通常由规模大小不一且使用不同 3D 打印设备的工厂组成，这就需要建立一种通用的文件格式，以便在各个工厂之间传输数字设计方案。为此，业界已经设立了标准化的硬件接口，也规定了通用的文件类型——.STL 或 .STEP 文件，对于 3D 打印来说，是类似于 .PDF 的标准。但是，前沿的 CAD 软件供应商（例如 Autodesk 和 Dassault Systèmes）拥有功能齐全的专有设计文件格式，这对实现互操作性造成了很大障碍。
增材制造的未来
多用途和可编程将是未来工厂的两大特点。制造商将按规格为个人生产定制化的复杂设备，价格与大规模生产方式相同，但费用更低。
虽然这可能会导致工厂车间裁员，大型单一用途工厂惨遭淘汰，但 AI 与 3D 打印的集成将提供本地化、定制化和创造性的工作机会。
而且制造业供应链也将因此变得更具韧性，进而从容应对像中国供应商在新冠疫情期间歇业这类状况所带来的冲击。当时许多企业因为过于依赖中国资源而损失严重；增材制造可以让企业在一夜之间将生产流程转移到拥有多余产能的供应商。
如今，各个行业的 IT 决策者 (ITDM) 都在分析增材制造和机器人的使用将对劳动力产生何种影响。借助这些前沿技术，企业将能以闻所未闻的方式快速开发产品，为产品制造带来全新的商机。
与其他转型技术一样，手握这些技术的企业可以选择让员工从与传统产品迭代相关的资源密集型任务中解脱出来，专注于发明和创造。
3D 打印设计加速了 BAC Mono 街头合法赛车生产流程
要想汽车跑得快，一种行之有效的方法是将其重量减半。这也是为什么 BAC Mono 街头合法赛车的生产商会选择通过增材制造方法来生产赛车。
新款 BAC Mono 包含大约 40 个 3D 打印部件，包括车头灯、后视镜、尾灯外壳和数量众多的面板。石墨烯增强碳纤维是制作这些部件所用材料之一，其以低重量、高强度和可靠的热稳定性而闻名业界。
“我们从新冠疫情中得到的教训，就是每个企业都需要针对供应链建立相应的数字化战略。”
Dave Evans
Fictiv 首席执行官
BAC 利用 Autodesk Fusion 360 的生成式设计技术来生产车轮，其重量比标准车轮轻 35%。车轮的蜂窝状外形融合了直线和曲线的几何特性，是一种计算机生成的优化设计。
展望未来，BAC 将悬浮系统和底盘元素作为了生物金属组件渲染的下一个目标（使用生成式设计并借鉴生物过程来开发制造方法）。
这些设计优化可以减轻重量，提高燃油效率，从而将汽车的碳排放量限制在较低的水平。BAC Mono 认为这项投资会为他们带来丰厚的回报。10
BAC Mono 在 Mono R 上采用增材制造技术，配备了使用高性能聚合物材料 3D 打印的多个部件。图片来源：BAC Mono。
借助 3D 打印及时解决紧迫问题
在新冠疫情的冲击下，全球各国都遇到了迫切的个人防护装备 (PPE) 短缺的问题，包括急需的口罩、面罩和便携式呼吸机。
惠普与数字制造合作伙伴开展跨国界和跨行业的合作，确定所需部件的优先级，验证设计方案，打印并配送。
在 2020 年 3 月结束之前，也就是美国各州开始实施禁令措施的时候，惠普将口罩、面罩、口罩调节器、鼻拭子、免提开门器、呼吸机部件等 3D 打印部件送到了医疗卫生从业者的手中。
通过与全球制造合作伙伴网络的密切合作，惠普竭尽全力地满足世界各地快速打印和交付 3D 打印部件的需求。11
为了打印医疗设备和零部件，拥有 3D 打印技术必须寻找其他方式，而避免陷入困难重重的全球供应链。
惠普提供了多种医疗设备的 3D 打印设计图纸供用户免费下载，包括医用级口罩、紧急呼吸机、面罩、免提开门器等。全球各地的公司因此得以继续开展业务。3D 打印公司 Carbon 制造了面罩，并将其交付给客户。Ford 公司为密歇根州当地的医院生产了口罩。比利时公司 Materialise 生产了免提开门器。U.S. Formlabs 设计和 3D 打印了用于检测试剂盒的鼻拭子。捷克共和国的 Prusa Research 向捷克政府捐赠了 1 万个面罩。12
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免责声明
- AMFG，“40 多项不得不知的 3D 打印行业统计数据 [2020]，”
2002 年 1 月 14 日，https://amfg.ai/2020/01/14/40-3d-printing-industry-stats-you-should-know-2020. - Fabbaloo，“调查显示工业 3D 打印实现大幅增长，”2019 年 11 月 22 日， https://www.fabbaloo.com/blog/2019/11/22/essentium-commissioned-an-extensive-survey-of-manufacturers-to-determine-additive-manufacturing-usage-and-intentions-the-results-were-very-surprising.
- Sculpteo，2019 年 3D 打印行业发展现状报告 https://www.sculpteo.com/en/ebooks/state-of-3d-printing-report-2019.
- 3D Hubs 博客，“惠普的 MJF：2019 年发展迅速的 3D 打印工艺”，2019 年 3 月 15 日， https://www.3dhubs.com/blog/mjf-fastest-growing-3d-printing-process.
- Investor.hp.com，“惠普推动工业向 3D 生产发展，仅去年一年使用 Multi Jet Fusion 技术生产的零部件就超过 1000 万个，”2019 年 3 月 28 日，https://investor.hp.com/news/press-release-details/2019/HP-Propelling-Industry-to-3D-Production-More-Than-10-Million-Parts-Produced-on-Multi-Jet-Fusion-Technology-Last-Year-Alone/default.aspx.
- 3D 打印材料市场，2019 年 5 月， https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/3d-printing-materials-market-1295.html.
- 3D Hubs，2019 年 3D 打印趋势报告， https://www.3dhubs.com/blog/3d-printing-trends-q1-2019.
- Autodesk，“借助 Fusion 360 将生成式设计用于制造业”， https://www.autodesk.com/solutions/generative-design/manufacturing.
- John Peddie，“Autodesk 为 Fusion 360 赋予电子设计能力”，Kathleen Maher，Tech Watch Stories，2020 年 2 月 4 日 [第 27 页]。
- Redshift by Autodesk，“BAC Mono 借助生成式设计让 BAC Mono 街头合法赛车加速驶入未来”，2020 年 3 月 3 日， https://www.autodesk.com/redshift/mono-car.
- Production Engineering Solutions (PES)，“惠普利用 3D 打印技术助力抗击新冠疫情”，2020 年 3 月 26 日， https://www.pesmedia.com/hp-coronavirus-response-260320.
- Stockhead，“澳大利亚或许可以借助 3D 打印解决新冠疫情造成的供应短缺问题”，2020 年 3 月 26 日， https://stockhead.com.au/tech/australia-might-be-able-to-3d-print-its-way-out-of-a-covid-19-supply-shortage.
- Rose De Fremery，“什么是 4D 打印技术？”，Tektonika，2019 年 2 月 14 日， https://rosedefremery.com/new-on-the-portfolio-what-is-4d-printing-technology/.
- AMFG，“40 多项不得不知的 3D 打印行业统计数据 [2020]，”
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4AA7-7929ENW，2020年7月