淺述增材制造技術顛覆傳統制造業的幾大方式

王娟

摘 要：文章通過對增材制造技術的發展與傳統加工制造技術的對比，分析得出了該新技術顛覆傳統制造的七大方式：真正的快速原型技術、快速的設計迭代、大規模定制、小批量生產、虛擬庫存、零部件長尾、生產創新復興等。

關鍵詞：增材制造；3D打印；傳統制造業

在“中國制造2025”推動下，增材制造（Additive Manufacturing，AM）技術迎來高速發展期，技術瓶頸不斷突破，市場空間巨大。它是通過CAD設計數據并采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除（切削加工）技術，是一種“自下而上”的材料累加制造方法。自20世紀80年代末，增材制造技術逐步發展，期間也被稱為“材料累加制造”、“快速原型”、“分層制造”、“實體自由制造”、“3D打印技術”等。

增材制造技術不需要傳統的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設計數據在一臺設備上可快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現“自由制造”，解決許多過去難以制造的復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且越是結構復雜的產品，其制造的速度優勢越明顯。

1 真正快速的原型制造

近二十年來，3D打印被用來把新部件或產品設計變成實物。這個過程常常被稱為快速原型制造，但往往并不快，服務提供商經常需要一周或更多時間才能交付一件產品。但近期在自動化方面的突破在某些情況下實現了當日生產和發貨。這些變化正在劇烈打破設計循環。在原型制造階段經過三四次設計修改原本耗時一個月，但現在只需要一周。產品更快地進入市場，企業節省了大量的時間和金錢。

2 快速的設計迭代（實體產品的A/B測試）

3D打印已經從原型制造擴大到第一輪生產，實現了真正的市場測試和快速的設計迭代。以福特（Ford）為例。在該公司的大部分歷史中，如果工程師想測試一款原型發動機，他們就必須做出全新的模具。這個過程通常需要6個月時間，花費數十萬美元。現在，福特可以用3D打印來生產模具，只需要4天，成本僅為4，000美元。考慮到時間和成本的大幅減少，福特最近決定不是為一款新車制造一款原型發動機，而是同時測試多款原型發動機。工程師們不再受到舊時工業過程的限制，能夠探索數十種設計變動并進行嚴格測試，改善發動機的性能。

3D打印生產所取得的進步最終將模糊原型和產品之間的界線。小公司將因為這項技術而受益匪淺，不需要付出巨大的庫存費用就可以推出創新產品。工業部件甚至消費品的多個版本可以在市場這個最終的焦點群體中接受使用測試。在數字世界里進行的A/B測試現在可以在現實世界里進行。

3 小批量生產

按照傳統的生產過程，在單個終端部件投入生產之前，企業必須做出工具或模具。如果模具需要5萬美元，每生產一個部件需要0.5美元，那么第一個部件的成本高達50，000.5美元！如果生產數百萬個部件，那么這個問題就會迎刃而解，但如果你只生產500個呢？3D打印沒有任何生產準備成本。現在，對于1，000件以下的小批量生產，大多數公司都會把3D打印視為節省成本的替代方法。快進到必然發生和不那么遙遠的未來，當3D打印生產的代價下降95%或更多之時，“中國制造”標簽將成為收藏家的物品。

4 大規模定制

以前，如果你想換掉你的膝蓋，護士會拿著一個盒子直接走進手術室，醫生會從五個可能的膝蓋設計中挑選出他認為與你的膝蓋最相像的那一個。如今，你的膝蓋會被掃描，然后打印出一個完美的復制品，準備用于隨后的手術。這就是大規模定制的一個例子。大規模定制是指大量生產一種產品，每個產品都是定制的。隱適美（Invisalign）已經建立了一項幾百萬美元的業務，用3D打印來生產牙齒矯正設備，每個矯正設備都是完全定制的。現在幾乎每家公司都在探索如何利用產品定制來更好地服務客戶和提高利潤。

5 虛擬庫存

制造企業在生產一款新產品時，通常也會生產大量的零部件備用，以便滿足10年或更長時間的需求。但持有庫存的代價很高。成本包括生產庫存的費用、損失（零部件丟失或被偷）、廢棄、倉儲費、保險費、跟蹤和分配。你公司的倉儲費是多少？每年有多少次需要那些零部件？為什么不按需打印呢？依靠3D打印生產，你可以在你需要的時間和地點生產你需要的東西。虛擬庫存能夠幫助每一家使用制造品的公司提高效率。隨著虛擬庫存成為主流，全球各地的庫存將很快大幅減少。

6 零部件長尾

3D打印不僅顛覆了形成多年庫存的最初幾個生產階段，還從根本上改變了企業對產品生命周期結束的看法。現在，一臺使用了10年、機械運行正常但少了兩個架子或者一根密封條的冰箱很可能被當成廢品處理。在服務了10年之后，為這款冰箱生產的所有零部件都已耗盡。制造商會認為這款產品“已死”，不再提供維修服務。但依靠3D打印生產，你現在擁有了“零部件長尾”。只要保留數字設計文件，你就能在需要時打印任何零部件。仍然有用的老產品不會變成廢品，它們的生命期不會因為大規模生產的限制而被預先決定。“長尾”從根本上改變了設計者和工程師思考和安排產品存續的方式。

7 生產創新復興

3D打印的進入門檻更低，并且使更為復雜和有用的物體成為可能，這為產品創新開啟了一個新時代。設計可能性的大量涌現最終將促使現有公司反思他們手中的幾乎所有產品。企業已經在將傳統的生產方式替換成3D打印生產，以便利用其出色的設計能力和靈活的生產安排。通用電氣（GE）正在使用3D金屬打印機來為噴氣式發動機生產完全重新設計的燃料噴射系統，將零部件數量從21個減少到1個，并包含了其他任何生產方法都不可能做出來的幾何形狀，從而極大地提高了效率。隨著企業從重新設計現有產品擴大到創造如今不可想象的新產品，這種創新復興只會越來越快。

綜上所述，增材制造（3D打印）技術為我國制造業發展和升級提供了歷史性機遇。增材制造可以快速、高效地實現新產品物理原型的制造，為產品研發提供快捷技術途徑。該技術降低了制造業的資金和人員技術門檻，有助于催生小微制造服務業，有效提高就業水平，有助于激活社會智慧和資金資源，實現制造業結構調整，促進制造業由大變強。