3D打印重塑“快速原型” 或将彻底改变制造业格局

随着最近行业和技术的进步，创新者们正在利用增材制造（AM）实现库存成本的大幅削减。企业在如何看待制造愿景的重构方面，发生了巨大的变化。增材制造在帮助全球的原始设备制造商（OEM）迎合世界各地不同行业和市场需求的同时，已将其范围扩展到快速原型制作之外，并且系统集成商也在致力于帮助工程、自动化和系统的集成。这种转变归因于增材制造具有制造复杂设计零件的卓越能力，降低制造材料损失的成本，减少因兼容性受限而进行的装配以及对机械和配件的需求。

快速原型向3D打印的发展以及相关创新正在扩展工业模式，其范围已超出人们的想象。如今，汽车、航空航天、建筑、消费产品、医疗保健、食品和制造业等工业领域，对增材制造及其应用的需求越来越大。

令人难以置信的是，自1981年日本的Hideo Kodama博士首次发表他的功能性快速原型系统报告并申请了专利以来，“快速原型”已经存在了35多年了。 从那时起，快速原型制作已成为第四次工业革命（工业4.0）中最大的技术颠覆者之一。

根据市场咨询公司Frost & Sullivan的一份研究报告显示，增材制造从2015年到2025年的复合年增长率（CAGR）有望达到15％。报告和数据预测，增材制造的市场价值将从2018年的80亿美元增长到2026年的230亿美元以上。一家总部位于美国加州估值25亿美元的初创企业，创建了世界上第一款通过订阅模式部署的增材制造硬件，以帮助用户更加轻松地将3D打印解决方案应用到数字化制造中。

降低更多成本

原型设计并不是一种新出现的技术观念，它最初的愿景是最大程度地减少制造生态系统和供应链成本。随着新技术对业务转型的干扰，制造业的未来依赖于更多元化的原型应用专家网络。这样做的目的是节省更多时间和资源，并减少误差和缺陷。这一愿景促使全球企业专注于增材制造的概念。

美国运动服装巨头耐克的未来愿景是将设计卖给客户，然后客户可以自行在家3D打印鞋子。耐克及其一些竞争对手，对鞋类领域增材制造的投资增加了一倍，这是面向未来的举措，可以通过消除人工成本，加快产品上市速度来提高产量。鞋的性能将由于使用了更轻、更透气的材料和更少的摩擦阻力而得到提高。唯一的缺点是取决于执行的准确性，这可能会增加成本，重点是精心的设计。

向增材制造的转变

尽管多年以来，快速原型制作已成为主流的方法，但它依赖于传统的制造工具和程序、生产准备情况以及供应商支持。因此，这是一个耗时且昂贵的过程。相比之下，增材制造则更侧重于原材料的采购和生产制造的设计方面。3D打印机完成设计的物理过程以创建原型，这样的自动化过程可以缩短周转时间。

系统集成商也推动了这些自动化过程。对于敏捷的增材制造流程，自动化执行需要集成命令。系统集成商调节增材制造的各个组件，并自动执行原型从设计到交付的过程。

加速发展的增材制造

在全球工业化的各个阶段，制造业一直是进步的动力。一般来说，产品的生命周期包括导入、成长、成熟和衰退4个阶段。像大多数产品一样，增材制造在“导入”阶段也受到生产障碍、专利限制以及机器成本高昂的困扰。这导致行业初期的利润低、市场渗透率低、成本高和质量低。

增材制造市场目前处于“成长”阶段，已获得各行业用户的好评。在开箱即用的思维方式时代，增材制造企业正在寻求降低成本，同时为用户提供性能卓越的解决方案。

尽管传统的制造方法，需要经过一段时间才能被替换，但是这个趋势已经势不可挡。增材制造是出于加快设计可视化的需要而诞生的。由于原型制作花费很长时间，业界寻求一种可以减少原型开发时间的方法，同时将更多的时间投入到复杂的设计上。设计思维和可视化方面的技术创新，减少了对供应商和支持生态系统的依赖。由于投入到设计和组件试验中的时间多了，精巧度增加了，周转时间也减少了。

增材制造的另一个值得注意的方面，是它主要用于开发复杂的设备组件。例如，在航空航天领域，增材制造被用于开发燃料喷嘴之类的组件。这些是关键部件，但没有大规模生产。在增材制造的帮助下，设计这些前沿的复杂组件变得更轻松，不但简化了设计，还减轻了这些零件的重量。所有这些都可以提高性能效率并减少库存。航空航天领域的一些领先企业，通过使用增材制造技术使库存成本降低了95％以上。

增材制造的关键领域包括3D打印、快速成型和直接数字制造（DDM）。这些概念在包容性和协作性思想中蓬勃发展。对于航空航天和汽车行业来说，增材制造主要是为了优化设计效率和减少生产时间，而医疗设备行业却从增材制造的定制功能中受益匪浅。

根据Frost＆Sullivan 2016年的报告，到2025年，汽车、航空航天和医疗设备行业，将占据3D打印市场的51％。从地理范围看，在2015-2025年期间，亚太地区（APAC）增材制造市场的复合年增长率为18.4％。中国将占亚太地区市场的70％。

工程应用的新范式

2017年，迈凯轮车队与专门从事3D打印的Stratasys公司合作，为MCL32生产可用于比赛的零件，以参加2017年国际汽联一级方程式世界锦标赛。合作背后的想法是“轻量化”或拓扑优化，Stratasys公司通过这种方式为赛车队成功生产出轻巧但耐用的零件。

在另一个案例中，全球医疗设备制造Stryker公司坚定地致力于其3D打印和制造医疗产品的承诺。一个价值929万美元的即时（JIT）植入物项目可实现为癌症患者生产定制的骨植入物。

得益于增材制造技术的发展，制造已可以完成具有复杂几何形状和极少浪费的独特工艺。将精力和专业知识集中在此类智能机器上进行工程设计，将进一步改变制造业。增材制造成功地为各领域生产了各种原型设备，未来，其规则或将彻底改变制造业格局。

增材制造的独特优势消除了供应链中的许多中间步骤。越来越多地采用增材制造，将进一步改变其应用领域和行业的发展。（作者：Amit Chadha）

（控制工程网）

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