星期一, 5月 16

    为何发展增材制造技术原因 (上)

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    前言

    作为现代化高科技行业的一大代表,3D打印(或称增材制造)自问世以来便一路“高歌猛进”,快速跻身全球 最热门的制造技术的行列。如今,增材制造在各大领域的应用可谓是达到了“火热”的程度,无论是企业,高 等院校还是医疗机构,设计师以及创客,无不惊叹增材制造技术为其产品的发展和创新所创造的巨大价值。那 么,我们为什么要发展增材制造?增材制造的优势以及特色具体有哪些?它究竟为各行各业具体创造了哪些价 值?

    增材制造发展的背景环境

    自2008年国际金融危机以来,以美国、欧盟为代表的西方发达国家开始积极寻找摆脱经济危机的方法,并重 新审视实体经济和虚拟经济之间的关系。这些发达国家纷纷调整经济发展战略,提出“再工业化”概念,希望 通过重振制造业来拉动经济复甦,保持发达国家在核心科技领域的优势,重塑国家竞争力。以美国为例,2009 年以来先后制定出台了《重振美国制造业框架》、《制造业促进法案》、《先进制造伙伴(AMP)计划》和 《先进制造业国家战略计划》,如图1所示,,从国家战略层面提出加快创新、促进美国先进制造业发展的具 体建议和措施。 2012年3月,奥巴马宣布实施投资10亿美元的“国家制造业创新网络”计划(NNMI),遴 选出制造领域15项前沿性、前瞻性的制造技术,并建立制造业创新中心,全面提升美国制造业竞争力。同年4 月,增材制造技术(也被称为3D打印)被确定为首个制造业创新中心;8月,总投入达7000万美元的国家增 材制造创新中心(NationalAdditiveManufacturingInnovationInstitute)在俄亥俄州小城扬斯顿市剪彩成立。作为首个“样板示范”中心,国家增材制造创新中心是由产业界、学术界、联邦政府及州政府三方成员共同 组成的公—私合作联盟,致力於增材制造技术和产品的开发,并成为新技术研究、开发、示范、转移和推 广的基础平台。目前,中心成员已超过84家,其中包括波音、通用电气、霍尼韦尔、3M、3DSystem、 Stratasys、阿勒格尼技术、拜耳材料科学等全球知名公司,卡内基-梅隆大学、阿克隆大学、MIT林肯实 验室等全球知名研究机构,以及美国宇航局、能源部、教育部等美国政府部门。由此可见,增材制造不单 单被认为是一项新兴技术,它同其他先进制造技术一起承载了美国重振制造业的希望,是美国实现先进制 造业国家战略的技术保障。奥巴马总统在2013年和2014年的国情咨文演说中均谈到了增材制造的重要性, 他指出“3D打印可以革新我们几乎任何东西的制造方法”,“我们现在有机会在下一轮高技术制造业岗位 竞争中战胜其他国家。我们已经在罗利和扬斯敦开始运行高技术制造业中心(国家增材制造创新中心), 把商业和研究型大学联系起来,帮助美国引领世界先进技术的发展。 ”

    发展增材制造的意义

    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、标準化制造转变为定制化、个性化、分布式制造。
    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,并藉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。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。

    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。

    增材制造可以给我们带来什么?

    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《WohlersReport2013》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俱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2980kg,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6600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5000亿美元,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 设计被集成成为“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,随着互联网的愈发普及,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。■

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