增材製造技術作為一種新興的製造技術，一經出現就在製造業引起了廣泛的關注，儘管它目前還存在着不盡如人意的地方，但是人們普遍認為這是一種具有巨大發展潛力和想象力的技術，代表着數字化轉型的重要發展方向之一。安世亞太公司深耕增材製造產業化應用多年，深刻認同增材製造在未來數字化製造變革中的核心地位，基於多年的項目經驗和思考沉澱，推出了「增材思維 數智未來」系列文章。
本文是該系列文章的總論部分，接下來我們將從碳中和製造、成本控制、智能設計、多源技術融合、新能源應用等5個方面，闡述增材製造的數字化未來，更多精彩內容敬請期待。
3D打印，是革命性智造技術麼？
增材製造（3D打印）技術是近20年來迅速發展起來的一種新型製造技術。與傳統「減材」製造過程正好相反，增材製造以三維數字模型為基礎，將材料通過分層製造、逐層疊加的方式製造三維實體，是集先進制造、數字製造、智能製造、綠色製造於一身的製造技術，無疑是未來製造技術的重點發展方向之一。同時，增材製造帶動新材料、精密控制、激光、電子束、CAD、CAE、CAM等技術蓬勃發展，具有巨大的產業溢出效應。
增材製造從根本上突破了複雜異型構件的製造瓶頸，改變了傳統的「製造引導設計、可製造性優先於性能/功能」的設計理念，基本實現了工程師的「設計自由」，使得從功能需求出發的正向設計成為可能。增材製造特有的逐點逐層製造方式，配合自帶的數字化基因，實現了材料微觀組織可控、結構宏觀性能可調、製造工藝全過程可監控、產品質量全壽命可追溯，是未來最有可能實現數字孿生的技術之一。真正意義上實現了「設計引導製造、功能先於設計」的轉變，為製造業技術創新、軍民深度融合、產業結構升級與發展開闢了巨大空間。
增材製造將是未來製造業競爭的主戰場之一
根據Smartech等9家機構估計，2020年全球3D打印市場達到126億美元，比2019年同比增長21％。在未來三年中，分析師平均預期3D打印市場同比增長17％，到2026年將達到372億美元。
△全球增材製造市場發展趨勢
在全球的製造業市場中，3D打印儘管占比不高，不過可喜的是它已經走過了技術瓶頸期，正在向高速擴張的方向上前進。這一點相信廣大3D打印從業者能夠感受到，3D打印技術的應用領域正在越來越廣，應用的數量也越來越多。
△3D打印技術成熟度曲線
2020年，我國3D打印產業規模突破200億元，達到208億元，且增加速度要略快於全球整體增速，促使我國3D產業占全球的比重在不斷增加。根據CCID數據顯示，2019年中國3D打印產業規模為157.5億元，同比增長31%。2020年前期雖受新冠肺炎疫情影響，但後期國內經濟強勁反彈，行業增長迅速。
△中國3D打印產業規模
目前，全球3D打印第一大技術來源國為美國，美國3D打印專利申請量達到141209項，占全球3D打印專利總申請量的35.81%；其次是中國，中國3D打印專利申請量占全球3D打印專利總申請量的25.52%。日本和德國雖然排名第三和第四，但是與排名第一的美國及排名第二的中國專利申請量差距均較大。
△全球3D打印專利分布（截至2021年8月）
考慮到美國等西方國家在20世紀80年代就開始發展3D打印技術，我國取得目前的成績實屬不易，這得益於我國近十年來對增材製造的大力支持。繼《國家增材製造產業發展推進計劃（2015—2016年）》出台之後，2017年11月30日，工信部、發展改革委等十二部門聯合制定了《增材製造產業發展行動計劃（2017-2020年）》，特別提到利用增材製造雲平台等新模式，線上線下打通增材製造在社會、企業、家庭中的應用路徑，總的方向是推進增材製造在航空、航天、船舶、核工業、汽車、電力裝備、軌道交通裝備、家電、模具、鑄造等重點製造領域的示範應用，同時推進「3D打印+」示範應用。2021年，《「十四五」智能製造發展規劃》中將增材製造列入關鍵核心技術，並提出中國將突破設計仿真、混合建模等基礎技術，開發應用增材製造、超精密加工等先進工藝，攻克智能感知、人機協作、精益管控等共性技術，突破一批「卡脖子」基礎零部件和裝置。
由此可見，無論是國內還是國際，都已經將增材製造作為未來製造業的重點發展方向，今後在增材製造領域的競爭必將越來越激烈。
增材製造發展面臨的問題
儘管增材製造正在迎來發展的上升期，但是目前增材製造技術仍然面臨着諸多技術難題，離我們理想中的數字化智造還有很長的路要走。
1）缺乏大批量製造案例
根據Hubs survey的調查報告，目前增材製造主要集中於原型驗證或者小批量製造，超過60%產品的製造量不到10件，超過90%產品的製造數量在100件以下。GE公司的航空發動機燃油噴嘴是唯一通過公開途徑可找到的大批量製造成功案例，該產品的年產量達到數萬件。除航空產業外，汽車是最有可能實現大批量生產的工業領域，寶馬、保時捷等公司已經在開展增材製造產業化研究。
△每批次3D打印零件數量
2）增材製造成本居高不下
成本是制約增材製造技術大規模推廣的關鍵因素。超過38%的用戶認為增材製造技術雖然具有獨特的優勢，但是成本過高，一旦涉及到大批量生產的零部件，仍然需要依靠傳統的鑄造、鍛造、機加等工藝。因此，增材製造要在整個製造業中占有一席之地，降低成本勢在必行。GE公司近日推出了新的3D打印零件——渦輪機引氣部件，證明了金屬3D打印在成本上也可以和鑄造工藝一較高下。相信在不久的將來，隨着增材製造技術的不斷進步，成本逐步降低，增材製造取代傳統製造工藝的案例會越來越多。
△制約3D打印的因素
3）缺少智能設計方法
與其說增材製造顛覆了製造方法，更不如說增材製造顛覆了設計思維。增材製造實現了複雜結構的製造可行性，激活了一大批新興的設計方法，比如拓撲優化、點陣結構、創成式設計、結構功能一體化等設計理念如雨後春筍般湧現，以至於我們原先的產品設計「套路」不再適用，新的設計方法又無從下手。以點陣、TPMS等多孔結構為例，由於其結構複雜性和龐大的構件數量而成為設計和仿真的難點，特別是多孔結構的優化設計方法更是難上加難。
△安世亞太多孔結構設計解決方案
△nTopology功能模塊
目前，安世亞太已經開發了一系列針對各種工業品和消費品的創成式設計方法，國外也開發了以nTopology為代表的增材設計仿真軟件，其基本的解決思路是通過創成式設計等智能化設計方法，實現點陣、TPMS等多孔結構的自動化設計，以宏細觀結合多尺度算法為基礎的等效均質化力學方法獲取點陣結構宏觀力學特性，然後再回到細觀，基於宏觀計算結果對點陣結構進行局部細節模擬。
4）與其他橫向技術融合不足
在增材製造的技術火熱期，3D打印打印萬物的言論不絕於耳，以至於有人提出3D打印將顛覆所有製造技術。更有意思的是模具行業，曾經被視為是3D打印無模化製造最先顛覆的對象，如今卻是3D打印應用最為活躍的行業。所以，筆者看來現階段3D打印並不是顛覆的對象不夠多，反而是與其他橫向技術的融合不足，比如與傳統五軸機床結合形成的增減材複合製造是一個非常成功的技術融合的例子。除了上文提到的設計方法，目前3D打印急需與材料基因組、高精度能量控制、數字孿生、新能源、綠色製造等先進技術結合。同時，3D打印還缺乏與各行各業的融合，擴大3D打印的應用領域。
增材思維驅動模式變革
增材製造技術的出現，從根本上改變了傳統製造技術與材料、結構、功能相互割裂的發展局面。其原因在於3D打印機在輸出物理實體時，採用了從無到有的受控生長方式，其所用的建造物質從低維度的點、線或面形態，以積分原理累積形成最終的三維實體；而在持續累積過程中，3D打印機有充分的時空窗口對建造物質的物性、結構、功能進行從微觀到宏觀的主動控制，即將形狀信息承載至建造物質的同時，亦將物性屬性和功能屬性施加至建造物質。這使得打印過程結束時，所輸出三維實體既承載了宏觀的形狀信息，也被附加了微觀的材料物性信息，使得最終製品的功能得以同步完成。
也正是由於增材製造的這種技術特點，使得它受到全球的廣泛關注，將有可能給傳統的製造業來帶一系列深刻的變革。
第一、設計理念的變革
將傳統製造的設計方法遷移到增材製造應用的實踐中，兩者在多方面表現出了衝突性。我們把面向增材製造的設計方法稱為DfAM（Design for Additive Manufacturing），包括從產品功能需求出發的正向設計、從產品性能改進出發的增材製造再設計、從增材工藝約束出發的製造優化設計等等。
正向設計是增材製造帶來最具「破壞力」的革新。它讓設計師拋棄了傳統製造手段的束縛，能真正從產品的功能需求出發，設計出功能最優、材料最省、效率最高的結構形式，顛覆傳統設計思維的桎梏。正向設計所提供的架構性創新徹底釋放了增材製造的價值，增材製造打通了正向設計的傳統瓶頸。
在數字化的世界裡，研發和製造不是先後串行和跟隨序貫關係，數字化研發和數字化製造之間是一種相生相長、生生不息的特徵，兩者之間在任何時候都是相輔相成、相互輸送價值的過程。
△正向設計設計過程
在正向設計體系中，架構的創新和優化是首要工作，然後再結合創成式設計和多尺度仿真，對結構形式進行詳細設計和仿真。創成式設計方法不同於傳統的設計方法，使用的工具軟件也不是傳統的CAD軟件。創成式設計方法發揮算法和人工智能的長處，不需要人做過多干預，我們只需要提供必要的設計限制，其餘的完全交給算法來創造。拓撲優化算法是目前常見的設計算法之一。
第二、生產模式的變革
作為一種生產設備依賴更少的數字化製造技術，增材製造將有可能改變某些產品的生產模式，給企業和消費者帶來巨大的經濟和社會效益。人類從古至今的生產模式經歷了手工生產、機械化生產、智能化生產三個階段。在漫長的手工生產階段，心靈手巧是核心競爭力，每個工匠每一次製造的商品都可以不一樣，但是生產力及其有限。在機械化生產階段，產品按照統一的標準生產，生產設備的效率是核心競爭力，但是缺少個性化的定製。當前隨着數字化技術的發展，生產模式進入智能化時代，大規模定製能力成為核心競爭力，生產效率和靈活應變兼顧，對於生產模式的變革提出了巨大挑戰。
△製造業發展模式變革
目前的機械化大生產模式嚴重依賴大型工廠，需要眾多的機器、大量專業設計與加工技術人員才能實現。而對於增材製造來說，設計師不再是專業的技術的人員，甚至設計師就是消費者本身，因為創成式設計等智能化設計方法大大降低了設計師的行業門檻。製造人員也將不需在工廠工作，在家中就可以管理好所有的工廠設備，正真實現「黑燈工廠」。客戶從下單到製造完成再到接收貨物就像如今的「京東次日達」一樣方便，因為工廠可能就在每個城市的某個「配送點」。總之，3D打印將實現生產模式的根本變革，從傳統製造業的批量化、規模化、標準化製造轉變為定製化、個性化、分布式製造。
△3D打印對供應鏈的影響
第三、商業模式的變革
隨着增材技術、數字技術、互聯網技術的發展，增材製造與數字孿生、工業互聯、人工智能等橫向技術融合，將消費端、生產端、銷售端、物流端統一結合起來，全部人員直接參與到產品生命周期當中。平台經濟的商業模式不再局限於銷售，從最初的設計過程、到生產製造、再到後期產品的維修，都將藉助網絡實現數字化文件的共享和交易，雲平台將所有的商業活動都納入其中。這種商業模式是一種更順應綠色發展的經濟模式，增材製造減少了原材料的使用量，降低了對自然資源和環境的壓力，大大壓縮供應鏈，減少能源消耗，對當地經濟、環境和消費者都頗具益處。
△DfAM賦能商業模式進化
增材製造刺激了商業模式的進化，不僅使產品更容易適應市場需求，降低業務風險，而且使創新邊界得以無限延伸，甚至是器官移植的商業模式也向製造業模式轉換。運用X線電子計算機斷層掃描（CT）和核磁共振成像（MRI）掃描數據，設計出符合患者需求的植入物，通過3D打印製造出人工器官植入患者體內，3D打印實現了現代醫學一次革命性的變革。
安世亞太公司基於多年的項目經驗和思考沉澱，推出了「增材思維 數智未來」系列文章。本文是該系列文章的總論部分，接下來我們將從碳中和製造、成本控制、智能設計、多源技術融合、新能源應用等5個方面，闡述增材製造的數字化未來，敬請期待。
參考文獻：
1、3D HUBS：Additive manufacturing trend report 2021
2、前瞻產業研究院：2021年中國3D打印產業市場規模與發展前景分析
3、前瞻產業研究院：2021年全球3D打印行業技術競爭格局
4、德勤：數字化轉型報告
5、LeSalle：The impact of 3D printing on supply chains
—作者—
馬立敏，安世亞太增材設計首席專家，高級工程師，北京航空航天大學/中國商飛公司博士後。主要研究方向為增材製造創新設計與應用，設計的產品多次獲得全國性學會及行業大獎，在增材製造創新設計與應用方面具有豐富的經驗和獨到的見解。(南極熊年底熱文/來源: 南極熊3D打印網)
