导读：经过40年的发展，增材制造要如何才能成为普遍应用的技术？南极熊10年前进入3D打印行业，创办南极熊3D打印网www.nanjixiong.com，就是因为猜测它可能会与机加工、注塑一样，成为制造业的主流。只要路的方向是对的，就不怕漫长和遥远。
在2018年上映的喜剧电影《瞒天过海:美人计》中，8位女盗贼佩戴一副带有内置3D扫描仪的眼镜，对价值1.5亿美元的卡地亚项链进行扫描，然后立即将数字文件发送给3D打印机，用3D打印技术把这个项链复制出来。
尽管好莱坞迅速抓住了增材制造（3D打印）的潜力，但这些技术在现实世界的制造中却迟迟找不到像大片中的应用。
增材制造技术的四大优势
与传统的生产方式相比，增材制造技术提供了四个潜在的优势。
首先，它可以打印几乎任何三维形状，使设计者能够自由地创造出比传统替代品性能更好或成本更低的零件。例如，空中客车公司生产的一个增材制造的钛合金支架比之前的零件轻30%，而不影响性能或耐久性。
△空客3D打印某铝合金支架（南极熊配图）
其次，由于不需要模具或固定工具，机器生产的每个零件都可以是独一无二的，为大规模定制铺平道路。测试设备制造商Vectoflow使用增材制造技术为流体流量测量应用生产定制的探头。它的微激光烧结工艺使紧凑和复杂的设计具有流线型的形状，以减少对被测流体的影响。探头是用一系列材料制造的，以适应所需的操作环境，包括不锈钢、钛和各种超耐热合金。
△Vectoflow 3D打印的流体流量测量探头（南极熊配图）
第三，消除了耗时的工具制造和加工操作，加快了产品开发和生产，缩短了上市时间。最新的阿丽亚娜6号火箭中使用的复杂的燃料喷射器头是增材制造的镍基合金。这个部件以前是由248个单独加工的部件焊接而成的。
最后，增材制造可以简化产品的维护和支持工作，通过从数字文件中按需生产零件，可以减少对备件库存的需求。例如，汽车制造商梅赛德斯-奔驰（Mercedes-Benz）现在使用增材制造技术来生产经典汽车的备件。
△梅赛德斯-奔驰3D打印汽车备件（南极熊配图）
行业技术在进步
到2020年，在第一台商业3D打印机开发出来40年后，对增材制造行业的分析显示，它已经发展成为一个134亿欧元的产业，年增长率为22%。这个行业仍然极具活力，有200多个参与者在竞相开发新的硬件、软件和材料。
快速创新正在推动增材制造技术性能的重大改进。最新一代的机器正在突破许多限制，例如，允许生产悬空的零件而不需要打印支撑结构，或者通过使用磁场控制纤维加固的排列来创造更强大的零件。可用于增材制造系统的材料范围继续扩大，包括高强度的铝合金和医疗级的聚合物。
△SLM Solutions无支撑金属3D打印零件（南极熊配图）
增材制造系统的速度也在不断提高。例如，最近基于选择性激光烧结（SLS）的系统，使用多达一百万个激光二极管来加速零件的生产。而软件和后处理技术的改进正在进一步简化从概念到成品部件的端到端流程。增材制造技术与创成式设计系统搭配得非常好，甚至还使用人工智能技术来定义和优化零件的几何形状。
△EOS 百万激光二极管烧结技术（南极熊配图）
在许多领域，增材制造已被广泛接受，成为产品开发和测试期间生产功能原型的最快和最经济的方式。增材制造技术也被应用于越来越多的 "间接 "应用，包括工具、备件和夹具。
增材制造的四个障碍
然而，虽然已经开始使用增材制造直接制造最终产品，但大规模采用这种方法仍然有限。制造商提到了他们使用增材制造时遇到的四个重要障碍。
①硬件。大多数增材制造机器的速度慢，制造量有限，限制了可能的应用范围。事实证明，这种机器也很难集成到生产工作流程中。一个工业化的增材制造生产单元可能需要用户结合不同供应商的制造、后处理和材料处理设备。
②软件。增材制造设备通常依赖于供应商的特定控制软件，不同机器之间或与更广泛的工厂中使用的设备和生产控制系统的整合有限。实现一致的质量和稳定的生产力所需的技术和知识是很难得到的。
③材料。今天，即使是普通的工程材料，如果要做成适合增材制造设备加工的形式，也要贵得多。聚合物必须为增材制造设备专门开发，这是一个耗时而复杂的过程。而将金属合金转化为适合增材制造的粉末形式所需的额外加工，也大大增加了成本。此外，没有足够多的增材制造材料（特别是聚合物），在关键的终端应用中进行充分认证。
④服务。工业用户抱怨说，设备供应商目前没有提供高水平的技术支持，除了安装和调试设备所需的支持。用户希望得到更多的帮助，例如，完善部件设计以适应特定的制造工艺，或者在生产开始后找到提高机器质量、可靠性和生产率的方法。
最后，制造商很难弄清楚增材制造将如何使他们受益。设计师们也对增材制造系统的能力以及如何为增材制造设计的认知有限。简单地将一个现有的部件从传统的制造工艺转换为增材制造工艺，很少有好处。相反，当利用增材制造的独特能力时，好处就会出现，例如将多个特征结合到一个部件中，以减少装配中的零件总数，或消除对后续制造或工艺步骤的需要。
今天，工业规模的增材制造安装的风险全部由终端用户承担。而这些障碍会让使用增材制造技术直接制造的商业案例变得极其困难。克服这些障碍是对整个行业的挑战。例如，设备制造商可以在速度、端到端自动化以及与现有制造系统的整合方面做出进一步的改进，而材料供应商可以解决有关认证、可用性和成本的问题。
然而，雄心勃勃的制造商不需要等待增材制造行业来做所有的工作。尽管存在局限性，一些工业用户已经在使用增材制造的直接生产方面取得了重大进展，沿途发展的知识和能力将在行业发展中为他们提供良好的服务。
增材制造成为医疗奇迹
医疗设备行业是一个已经成功超越这些限制的特别领域。现在，增材制造技术被常规地、大规模地应用于生产各种产品，包括假肢和植入物、手术导板和用于术前规划或手术培训的解剖模型。
这些应用之所以成功，是因为它们是高度定制的、高价值的应用，为病人和临床医生提供了传统制造技术无法比拟的好处。例如，外科医生不需要花时间去刮骨或塑造一个标准的骨科植入物，而是可以简单地安装一个根据病人的形态制造的定制植入物。增材制造技术甚至正在制药领域进行探索，使用3D打印技术来生产具有定制药物剂量和释放特性的药片。△三迭纪3D打印药片（南极熊配图）
卓越的增材制造蓝图
与此同时，其他行业的制造商在对增材制造技术进行更全面的了解之前，是无法利用好增材制造的好处。这通常需要他们开发新的产品设计、制造流程和商业模式。医疗领域的经验表明，这是可以做到的。
下图描述了一个框架，可以帮助一个公司如何发展增材制造能力。它的目的是将风险降到最低，并保持较低的前期投资，包括从最初的调查到大规模应用的整个过程。
这种方法的核心是 "增材制造能力中心"，它将增材制造工作整合到一个中心里。一开始，这个能力中心可以是一个小型的、专门的团队，但最好是面向外部，与外部合作伙伴一起发展知识和关系，并与整个组织的工程师和其他利益相关者分享所学。
在能力中心的领导下，组织对增材制造的首次尝试可以是快速和低风险的，主要是发展对现有技术的理解，并对潜力产生兴奋感。原型零件的生产是最常见的增材制造起点，而装配用工具的制造可以帮助生产工程师和车间人员产生兴奋感。
在试验这些简单应用的同时，能力中心也可以开始确定更系统地应用增材制造技术的机会。可以寻找价值链上的关键点，用增材制造来提供帮助，例如消除废料、简化装配、减少库存或改进下一代产品。
为了探索这些机会，同时保持可控的投资水平，公司可以采取合作的方式。通过建立一个小型的合作伙伴生态系统，如增材制造服务供应商或设计咨询公司，公司可以获得实验不同方法和技术所需的能力和专业知识。同时，领导者可以关注未来应用的机会，以达到真正的规模。例如，在受管制的行业中，有前途的材料、设计方法和技术的早期认证可以通过消除潜在的采用瓶颈而提供竞争优势。
当它将最有前途的增材制造应用推向生产时，公司进入了建设和转让阶段。为了更快地确定进一步的潜在应用，公司可以将他们不断增长的增材制造知识编入设计工具，例如。这些工具可能包括所有权总成本（TCO）模型，使其易于量化企业内部普通应用转向增材制造的成本和效益。同时，企业可以加强与生态系统伙伴的合作，根据需要转让知识，并开始为内部生产增材制造零件获得必要的硬件。
一旦在使用增材制造直接生产方面获得了一些经验，公司就可以进入规模和持续阶段，将增材制造完全纳入制造技术组合中。这个阶段通常涉及投资额外的生产能力，开发设计和生产控制的标准流程，以及进一步培养工程师和操作员的技能。
一个拥有增材制造能力的组织也可以开始重新思考商业模式，并确定竞争优势的额外来源。例如，它能否应用增材制造技术来实现产品的后期定制，或为某些用户群制造限量款？它能否利用增材制造技术作为原型和全面生产之间的桥梁，让新产品在选定的客户群中进行测试？
在经历了数十年的小打小闹之后，增材制造正站在风口浪尖上。更快的机器、更好的材料和更智能的软件正在帮助使增材制造成为许多现实世界生产应用的现实解决方案。随着技术壁垒的下降，制造商有责任提高他们对这些快速发展的技术的理解，建立必要的技能、流程和商业模式，使增材制造在工业领域大放异彩。
关于作者
Jörg Bromberger是麦肯锡柏林办事处的战略和运营总监，Julian Ilg是慕尼黑办事处的资深研究员，Ana Maria Miranda是哥斯达黎加圣何塞办事处的顾问。
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