麥肯錫報(bào)告：增材制造正在成為制造業(yè)的主流

導(dǎo)讀：經(jīng)過(guò)40年的發(fā)展,，增材制造要如何才能成為普遍應(yīng)用的技術(shù),？南極熊10年前進(jìn)入3D打印行業(yè)，創(chuàng)辦南極熊3D打印網(wǎng)93item.com,，就是因?yàn)椴聹y(cè)它可能會(huì)與機(jī)加工,、注塑一樣，成為制造業(yè)的主流,。只要路的方向是對(duì)的,，就不怕漫長(zhǎng)和遙遠(yuǎn)。

在2018年上映的喜劇電影《瞞天過(guò)海:美人計(jì)》中,，8位女盜賊佩戴一副帶有內(nèi)置3D掃描儀的眼鏡,，對(duì)價(jià)值1.5億美元的卡地亞項(xiàng)鏈進(jìn)行掃描，然后立即將數(shù)字文件發(fā)送給3D打印機(jī),，用3D打印技術(shù)把這個(gè)項(xiàng)鏈復(fù)制出來(lái),。

盡管好萊塢迅速抓住了增材制造（3D打印）的潛力,，但這些技術(shù)在現(xiàn)實(shí)世界的制造中卻遲遲找不到像大片中的應(yīng)用,。

增材制造技術(shù)的四大優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式相比，增材制造技術(shù)提供了四個(gè)潛在的優(yōu)勢(shì)。
首先,，它可以打印幾乎任何三維形狀,，使設(shè)計(jì)者能夠自由地創(chuàng)造出比傳統(tǒng)替代品性能更好或成本更低的零件。例如,，空中客車(chē)公司生產(chǎn)的一個(gè)增材制造的鈦合金支架比之前的零件輕30%,，而不影響性能或耐久性。

△空客3D打印某鋁合金支架（南極熊配圖）

其次,，由于不需要模具或固定工具,，機(jī)器生產(chǎn)的每個(gè)零件都可以是獨(dú)一無(wú)二的，為大規(guī)模定制鋪平道路,。測(cè)試設(shè)備制造商Vectoflow使用增材制造技術(shù)為流體流量測(cè)量應(yīng)用生產(chǎn)定制的探頭,。它的微激光燒結(jié)工藝使緊湊和復(fù)雜的設(shè)計(jì)具有流線(xiàn)型的形狀，以減少對(duì)被測(cè)流體的影響,。探頭是用一系列材料制造的,，以適應(yīng)所需的操作環(huán)境，包括不銹鋼,、鈦和各種超耐熱合金,。

△Vectoflow 3D打印的流體流量測(cè)量探頭（南極熊配圖）

第三，消除了耗時(shí)的工具制造和加工操作,，加快了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn),，縮短了上市時(shí)間。最新的阿麗亞娜6號(hào)火箭中使用的復(fù)雜的燃料噴射器頭是增材制造的鎳基合金,。這個(gè)部件以前是由248個(gè)單獨(dú)加工的部件焊接而成的,。

最后，增材制造可以簡(jiǎn)化產(chǎn)品的維護(hù)和支持工作,，通過(guò)從數(shù)字文件中按需生產(chǎn)零件,，可以減少對(duì)備件庫(kù)存的需求。例如,，汽車(chē)制造商梅賽德斯-奔馳（Mercedes-Benz）現(xiàn)在使用增材制造技術(shù)來(lái)生產(chǎn)經(jīng)典汽車(chē)的備件,。

△梅賽德斯-奔馳3D打印汽車(chē)備件（南極熊配圖）

行業(yè)技術(shù)在進(jìn)步

到2020年，在第一臺(tái)商業(yè)3D打印機(jī)開(kāi)發(fā)出來(lái)40年后,，對(duì)增材制造行業(yè)的分析顯示,，它已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)134億歐元的產(chǎn)業(yè)，年增長(zhǎng)率為22%,。這個(gè)行業(yè)仍然極具活力,，有200多個(gè)參與者在競(jìng)相開(kāi)發(fā)新的硬件、軟件和材料,。

快速創(chuàng)新正在推動(dòng)增材制造技術(shù)性能的重大改進(jìn),。最新一代的機(jī)器正在突破許多限制,，例如，允許生產(chǎn)懸空的零件而不需要打印支撐結(jié)構(gòu),，或者通過(guò)使用磁場(chǎng)控制纖維加固的排列來(lái)創(chuàng)造更強(qiáng)大的零件,。可用于增材制造系統(tǒng)的材料范圍繼續(xù)擴(kuò)大,，包括高強(qiáng)度的鋁合金和醫(yī)療級(jí)的聚合物,。

△SLM Solutions無(wú)支撐金屬3D打印零件（南極熊配圖）

增材制造系統(tǒng)的速度也在不斷提高。例如,，最近基于選擇性激光燒結(jié)（SLS）的系統(tǒng),，使用多達(dá)一百萬(wàn)個(gè)激光二極管來(lái)加速零件的生產(chǎn)。而軟件和后處理技術(shù)的改進(jìn)正在進(jìn)一步簡(jiǎn)化從概念到成品部件的端到端流程,。增材制造技術(shù)與創(chuàng)成式設(shè)計(jì)系統(tǒng)搭配得非常好,，甚至還使用人工智能技術(shù)來(lái)定義和優(yōu)化零件的幾何形狀。

△EOS 百萬(wàn)激光二極管燒結(jié)技術(shù)（南極熊配圖）

在許多領(lǐng)域,，增材制造已被廣泛接受,，成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和測(cè)試期間生產(chǎn)功能原型的最快和最經(jīng)濟(jì)的方式。增材制造技術(shù)也被應(yīng)用于越來(lái)越多的 "間接 "應(yīng)用,，包括工具,、備件和夾具。

增材制造的四個(gè)障礙

然而,，雖然已經(jīng)開(kāi)始使用增材制造直接制造最終產(chǎn)品，但大規(guī)模采用這種方法仍然有限,。制造商提到了他們使用增材制造時(shí)遇到的四個(gè)重要障礙,。

①硬件。大多數(shù)增材制造機(jī)器的速度慢,，制造量有限,，限制了可能的應(yīng)用范圍。事實(shí)證明,，這種機(jī)器也很難集成到生產(chǎn)工作流程中,。一個(gè)工業(yè)化的增材制造生產(chǎn)單元可能需要用戶(hù)結(jié)合不同供應(yīng)商的制造、后處理和材料處理設(shè)備,。

②軟件,。增材制造設(shè)備通常依賴(lài)于供應(yīng)商的特定控制軟件，不同機(jī)器之間或與更廣泛的工廠中使用的設(shè)備和生產(chǎn)控制系統(tǒng)的整合有限,。實(shí)現(xiàn)一致的質(zhì)量和穩(wěn)定的生產(chǎn)力所需的技術(shù)和知識(shí)是很難得到的,。

③材料。今天,，即使是普通的工程材料,，如果要做成適合增材制造設(shè)備加工的形式,，也要貴得多。聚合物必須為增材制造設(shè)備專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā),，這是一個(gè)耗時(shí)而復(fù)雜的過(guò)程,。而將金屬合金轉(zhuǎn)化為適合增材制造的粉末形式所需的額外加工，也大大增加了成本,。此外,，沒(méi)有足夠多的增材制造材料（特別是聚合物），在關(guān)鍵的終端應(yīng)用中進(jìn)行充分認(rèn)證,。

④服務(wù),。工業(yè)用戶(hù)抱怨說(shuō)，設(shè)備供應(yīng)商目前沒(méi)有提供高水平的技術(shù)支持,，除了安裝和調(diào)試設(shè)備所需的支持,。用戶(hù)希望得到更多的幫助，例如,，完善部件設(shè)計(jì)以適應(yīng)特定的制造工藝,，或者在生產(chǎn)開(kāi)始后找到提高機(jī)器質(zhì)量、可靠性和生產(chǎn)率的方法,。

最后,，制造商很難弄清楚增材制造將如何使他們受益。設(shè)計(jì)師們也對(duì)增材制造系統(tǒng)的能力以及如何為增材制造設(shè)計(jì)的認(rèn)知有限,。簡(jiǎn)單地將一個(gè)現(xiàn)有的部件從傳統(tǒng)的制造工藝轉(zhuǎn)換為增材制造工藝,，很少有好處。相反,，當(dāng)利用增材制造的獨(dú)特能力時(shí),，好處就會(huì)出現(xiàn)，例如將多個(gè)特征結(jié)合到一個(gè)部件中,，以減少裝配中的零件總數(shù),，或消除對(duì)后續(xù)制造或工藝步驟的需要。

今天,，工業(yè)規(guī)模的增材制造安裝的風(fēng)險(xiǎn)全部由終端用戶(hù)承擔(dān),。而這些障礙會(huì)讓使用增材制造技術(shù)直接制造的商業(yè)案例變得極其困難�,？朔�這些障礙是對(duì)整個(gè)行業(yè)的挑戰(zhàn),。例如，設(shè)備制造商可以在速度,、端到端自動(dòng)化以及與現(xiàn)有制造系統(tǒng)的整合方面做出進(jìn)一步的改進(jìn),，而材料供應(yīng)商可以解決有關(guān)認(rèn)證、可用性和成本的問(wèn)題,。

然而,，雄心勃勃的制造商不需要等待增材制造行業(yè)來(lái)做所有的工作,。盡管存在局限性，一些工業(yè)用戶(hù)已經(jīng)在使用增材制造的直接生產(chǎn)方面取得了重大進(jìn)展,，沿途發(fā)展的知識(shí)和能力將在行業(yè)發(fā)展中為他們提供良好的服務(wù),。

增材制造成為醫(yī)療奇跡

醫(yī)療設(shè)備行業(yè)是一個(gè)已經(jīng)成功超越這些限制的特別領(lǐng)域。現(xiàn)在,，增材制造技術(shù)被常規(guī)地,、大規(guī)模地應(yīng)用于生產(chǎn)各種產(chǎn)品，包括假肢和植入物,、手術(shù)導(dǎo)板和用于術(shù)前規(guī)劃或手術(shù)培訓(xùn)的解剖模型,。

這些應(yīng)用之所以成功，是因?yàn)樗鼈兪歉叨榷ㄖ频�,、高價(jià)值的應(yīng)用,，為病人和臨床醫(yī)生提供了傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法比擬的好處。例如,，外科醫(yī)生不需要花時(shí)間去刮骨或塑造一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的骨科植入物,，而是可以簡(jiǎn)單地安裝一個(gè)根據(jù)病人的形態(tài)制造的定制植入物。增材制造技術(shù)甚至正在制藥領(lǐng)域進(jìn)行探索,，使用3D打印技術(shù)來(lái)生產(chǎn)具有定制藥物劑量和釋放特性的藥片,。

△三迭紀(jì)3D打印藥片（南極熊配圖）

卓越的增材制造藍(lán)圖

與此同時(shí)，其他行業(yè)的制造商在對(duì)增材制造技術(shù)進(jìn)行更全面的了解之前,，是無(wú)法利用好增材制造的好處,。這通常需要他們開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造流程和商業(yè)模式,。醫(yī)療領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)表明,，這是可以做到的。

下圖描述了一個(gè)框架,，可以幫助一個(gè)公司如何發(fā)展增材制造能力。它的目的是將風(fēng)險(xiǎn)降到最低,，并保持較低的前期投資,，包括從最初的調(diào)查到大規(guī)模應(yīng)用的整個(gè)過(guò)程。

這種方法的核心是 "增材制造能力中心",，它將增材制造工作整合到一個(gè)中心里,。一開(kāi)始，這個(gè)能力中心可以是一個(gè)小型的,、專(zhuān)門(mén)的團(tuán)隊(duì),，但最好是面向外部，與外部合作伙伴一起發(fā)展知識(shí)和關(guān)系,，并與整個(gè)組織的工程師和其他利益相關(guān)者分享所學(xué),。

在能力中心的領(lǐng)導(dǎo)下,，組織對(duì)增材制造的首次嘗試可以是快速和低風(fēng)險(xiǎn)的，主要是發(fā)展對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的理解,，并對(duì)潛力產(chǎn)生興奮感,。原型零件的生產(chǎn)是最常見(jiàn)的增材制造起點(diǎn)，而裝配用工具的制造可以幫助生產(chǎn)工程師和車(chē)間人員產(chǎn)生興奮感,。

在試驗(yàn)這些簡(jiǎn)單應(yīng)用的同時(shí),，能力中心也可以開(kāi)始確定更系統(tǒng)地應(yīng)用增材制造技術(shù)的機(jī)會(huì)�,？梢詫ふ覂r(jià)值鏈上的關(guān)鍵點(diǎn),，用增材制造來(lái)提供幫助，例如消除廢料,、簡(jiǎn)化裝配,、減少庫(kù)存或改進(jìn)下一代產(chǎn)品。

為了探索這些機(jī)會(huì),，同時(shí)保持可控的投資水平,，公司可以采取合作的方式。通過(guò)建立一個(gè)小型的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng),，如增材制造服務(wù)供應(yīng)商或設(shè)計(jì)咨詢(xún)公司,，公司可以獲得實(shí)驗(yàn)不同方法和技術(shù)所需的能力和專(zhuān)業(yè)知識(shí)。同時(shí),，領(lǐng)導(dǎo)者可以關(guān)注未來(lái)應(yīng)用的機(jī)會(huì),，以達(dá)到真正的規(guī)模。例如,，在受管制的行業(yè)中,，有前途的材料、設(shè)計(jì)方法和技術(shù)的早期認(rèn)證可以通過(guò)消除潛在的采用瓶頸而提供競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),。

當(dāng)它將最有前途的增材制造應(yīng)用推向生產(chǎn)時(shí),，公司進(jìn)入了建設(shè)和轉(zhuǎn)讓階段。為了更快地確定進(jìn)一步的潛在應(yīng)用,，公司可以將他們不斷增長(zhǎng)的增材制造知識(shí)編入設(shè)計(jì)工具,，例如。這些工具可能包括所有權(quán)總成本（TCO）模型,，使其易于量化企業(yè)內(nèi)部普通應(yīng)用轉(zhuǎn)向增材制造的成本和效益,。同時(shí)，企業(yè)可以加強(qiáng)與生態(tài)系統(tǒng)伙伴的合作,，根據(jù)需要轉(zhuǎn)讓知識(shí),，并開(kāi)始為內(nèi)部生產(chǎn)增材制造零件獲得必要的硬件。

一旦在使用增材制造直接生產(chǎn)方面獲得了一些經(jīng)驗(yàn),，公司就可以進(jìn)入規(guī)模和持續(xù)階段,，將增材制造完全納入制造技術(shù)組合中,。這個(gè)階段通常涉及投資額外的生產(chǎn)能力，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制的標(biāo)準(zhǔn)流程,，以及進(jìn)一步培養(yǎng)工程師和操作員的技能,。

一個(gè)擁有增材制造能力的組織也可以開(kāi)始重新思考商業(yè)模式，并確定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的額外來(lái)源,。例如,，它能否應(yīng)用增材制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的后期定制，或?yàn)槟承┯脩?hù)群制造限量款,？它能否利用增材制造技術(shù)作為原型和全面生產(chǎn)之間的橋梁,，讓新產(chǎn)品在選定的客戶(hù)群中進(jìn)行測(cè)試？

在經(jīng)歷了數(shù)十年的小打小鬧之后,，增材制造正站在風(fēng)口浪尖上,。更快的機(jī)器、更好的材料和更智能的軟件正在幫助使增材制造成為許多現(xiàn)實(shí)世界生產(chǎn)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)解決方案,。隨著技術(shù)壁壘的下降,，制造商有責(zé)任提高他們對(duì)這些快速發(fā)展的技術(shù)的理解，建立必要的技能,、流程和商業(yè)模式,，使增材制造在工業(yè)領(lǐng)域大放異彩。

關(guān)于作者

Jörg Bromberger是麥肯錫柏林辦事處的戰(zhàn)略和運(yùn)營(yíng)總監(jiān),，Julian Ilg是慕尼黑辦事處的資深研究員,，Ana Maria Miranda是哥斯達(dá)黎加圣何塞辦事處的顧問(wèn)。