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挑战与机遇并存:增材制造的数字化智造未来

2022/4/30    来源:微信公众号《德迪智能3D打印》    作者:马立敏      
关键字:增材制造  数字化  
增材制造带动新材料、精密控制、激光、电子束、CAD、CAE、CAM等技术蓬勃发展,具有巨大的产业溢出效应。
       增材制造(3D打印)技术是近20年来迅速发展起来的一种新型制造技术。与传统“减材”制造过程正好相反,增材制造以三维数字模型为基础,将材料通过分层制造、逐层叠加的方式制造三维实体,是集先进制造、数字制造、智能制造绿色制造于一身的制造技术,无疑是未来制造技术的重点发展方向之一。同时,增材制造带动新材料、精密控制、激光、电子束、CAD、CAE、CAM等技术蓬勃发展,具有巨大的产业溢出效应。

       增材制造从根本上突破了复杂异型构件的制造瓶颈,改变了传统的“制造引导设计、可制造性优先于性能/功能”的设计理念,基本实现了工程师的“设计自由”,使得从功能需求出发的正向设计成为可能。增材制造特有的逐点逐层制造方式,配合自带的数字化基因,实现了材料微观组织可控、结构宏观性能可调、制造工艺全过程可监控、产品质量全寿命可追溯,是未来最有可能实现数字孪生的技术之一。真正意义上实现了“设计引导制造、功能先于设计”的转变,为制造业技术创新、军民深度融合、产业结构升级与发展开辟了巨大空间。

1 增材制造将是未来制造业竞争的主战场之一

       根据Smartech等9家机构估计,2020年全球3D打印市场达到126亿美元,比2019年同比增长21%。在未来三年中,分析师平均预期3D打印市场同比增长17%,到2026年将达到372亿美元。

全球增材制造市场发展趋势

全球增材制造市场发展趋势

       在全球的制造业市场中,3D打印尽管占比不高,不过可喜的是它已经走过了技术瓶颈期,正在向高速扩张的方向上前进。这一点相信广大3D打印从业者能够感受到,3D打印技术的应用领域正在越来越广,应用的数量也越来越多。

3D打印技术成熟度曲线

3D打印技术成熟度曲线

       2020年,我国3D打印产业规模突破200亿元,达到208亿元,且增加速度要略快于全球整体增速,促使我国3D产业占全球的比重在不断增加。根据CCID数据显示,2019年中国3D打印产业规模为157.5亿元,同比增长31%。2020年前期虽受新冠肺炎疫情影响,但后期国内经济强劲反弹,行业增长迅速。

中国3D打印产业规模

中国3D打印产业规模

       目前,全球3D打印第一大技术来源国为美国,美国3D打印专利申请量达到141209项,占全球3D打印专利总申请量的35.81%;其次是中国,中国3D打印专利申请量占全球3D打印专利总申请量的25.52%。日本和德国虽然排名第三和第四,但是与排名第一的美国及排名第二的中国专利申请量差距均较大。

全球3D打印专利分布

全球3D打印专利分布(截至2021年8月)

       考虑到美国等西方国家在20世纪80年代就开始发展3D打印技术,我国取得目前的成绩实属不易,这得益于我国近十年来对增材制造的大力支持。继《国家增材制造产业发展推进计划(2015—2016年)》出台之后,2017年11月30日,工信部、发展改革委等十二部门联合制定了《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》,特别提到利用增材制造云平台等新模式,线上线下打通增材制造在社会、企业、家庭中的应用路径,总的方向是推进增材制造在航空、航天、船舶、核工业、汽车、电力装备、轨道交通装备、家电、模具、铸造等重点制造领域的示范应用,同时推进“3D打印+”示范应用。2021年,《“十四五”智能制造发展规划》中将增材制造列入关键核心技术,并提出中国将突破设计仿真、混合建模等基础技术,开发应用增材制造、超精密加工等先进工艺,攻克智能感知、人机协作、精益管控等共性技术,突破一批“卡脖子”基础零部件和装置。

       由此可见,无论是国内还是国际,都已经将增材制造作为未来制造业的重点发展方向,今后在增材制造领域的竞争必将越来越激烈。

2 增材制造发展面临的问题

       尽管增材制造正在迎来发展的上升期,但是目前增材制造技术仍然面临着诸多技术难题,离我们理想中的数字化智造还有很长的路要走。

       1)缺乏大批量制造案例

       根据Hubs survey的调查报告,目前增材制造主要集中于原型验证或者小批量制造,超过60%产品的制造量不到10件,超过90%产品的制造数量在100件以下。GE公司的航空发动机燃油喷嘴是唯一通过公开途径可找到的大批量制造成功案例,该产品的年产量达到数万件。除航空产业外,汽车是最有可能实现大批量生产的工业领域,宝马、保时捷等公司已经在开展增材制造产业化研究。

每批次3D打印零件数量

每批次3D打印零件数量

       2)增材制造成本居高不下

       成本是制约增材制造技术大规模推广的关键因素。超过38%的用户认为增材制造技术虽然具有独特的优势,但是成本过高,一旦涉及到大批量生产的零部件,仍然需要依靠传统的铸造、锻造、机加等工艺。因此,增材制造要在整个制造业中占有一席之地,降低成本势在必行。GE公司近日推出了新的3D打印零件——涡轮机引气部件,证明了金属3D打印在成本上也可以和铸造工艺一较高下。相信在不久的将来,随着增材制造技术的不断进步,成本逐步降低,增材制造取代传统制造工艺的案例会越来越多。

制约3D打印的因素

制约3D打印的因素

       3)缺少智能设计方法

       与其说增材制造颠覆了制造方法,更不如说增材制造颠覆了设计思维。增材制造实现了复杂结构的制造可行性,激活了一大批新兴的设计方法,比如拓扑优化、点阵结构、创成式设计、结构功能一体化等设计理念如雨后春笋般涌现,以至于我们原先的产品设计“套路”不再适用,新的设计方法又无从下手。以点阵、TPMS等多孔结构为例,由于其结构复杂性和庞大的构件数量而成为设计和仿真的难点,特别是多孔结构的优化设计方法更是难上加难。

安世亚太多孔结构设计解决方案

安世亚太多孔结构设计解决方案

nTopology功能模块

nTopology功能模块

       目前,安世亚太已经开发了一系列针对各种工业品和消费品的创成式设计方法,国外也开发了以nTopology为代表的增材设计仿真软件,其基本的解决思路是通过创成式设计等智能化设计方法,实现点阵、TPMS等多孔结构的自动化设计,以宏细观结合多尺度算法为基础的等效均质化力学方法获取点阵结构宏观力学特性,然后再回到细观,基于宏观计算结果对点阵结构进行局部细节模拟。

       4)与其他横向技术融合不足

       在增材制造的技术火热期,3D打印打印万物的言论不绝于耳,以至于有人提出3D打印将颠覆所有制造技术。更有意思的是模具行业,曾经被视为是3D打印无模化制造最先颠覆的对象,如今却是3D打印应用最为活跃的行业。所以,笔者看来现阶段3D打印并不是颠覆的对象不够多,反而是与其他横向技术的融合不足,比如与传统五轴机床结合形成的增减材复合制造是一个非常成功的技术融合的例子。除了上文提到的设计方法,目前3D打印急需与材料基因组、高精度能量控制、数字孪生、新能源、绿色制造等先进技术结合。同时,3D打印还缺乏与各行各业的融合,扩大3D打印的应用领域。

3 增材思维驱动模式变革

       增材制造技术的出现,从根本上改变了传统制造技术与材料、结构、功能相互割裂的发展局面。其原因在于3D打印机在输出物理实体时,采用了从无到有的受控生长方式,其所用的建造物质从低维度的点、线或面形态,以积分原理累积形成最终的三维实体;而在持续累积过程中,3D打印机有充分的时空窗口对建造物质的物性、结构、功能进行从微观到宏观的主动控制,即将形状信息承载至建造物质的同时,亦将物性属性和功能属性施加至建造物质。这使得打印过程结束时,所输出三维实体既承载了宏观的形状信息,也被附加了微观的材料物性信息,使得最终制品的功能得以同步完成。

       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、设计理念的变革

       将传统制造的设计方法迁移到增材制造应用的实践中,两者在多方面表现出了冲突性。我们把面向增材制造的设计方法称为DfAM(Design for Additive Manufacturing),包括从产品功能需求出发的正向设计、从产品性能改进出发的增材制造再设计、从增材工艺约束出发的制造优化设计等等。

       正向设计是增材制造带来最具“破坏力”的革新。它让设计师抛弃了传统制造手段的束缚,能真正从产品的功能需求出发,设计出功能最优、材料最省、效率最高的结构形式,颠覆传统设计思维的桎梏。正向设计所提供的架构性创新彻底释放了增材制造的价值,增材制造打通了正向设计的传统瓶颈。

       在数字化的世界里,研发和制造不是先后串行和跟随序贯关系,数字化研发和数字化制造之间是一种相生相长、生生不息的特征,两者之间在任何时候都是相辅相成、相互输送价值的过程。

正向设计设计过程

正向设计设计过程

       在正向设计体系中,架构的创新和优化是首要工作,然后再结合创成式设计和多尺度仿真,对结构形式进行详细设计和仿真。创成式设计方法不同于传统的设计方法,使用的工具软件也不是传统的CAD软件。创成式设计方法发挥算法和人工智能的长处,不需要人做过多干预,我们只需要提供必要的设计限制,其余的完全交给算法来创造。拓扑优化算法是目前常见的设计算法之一。

       第二、生产模式的变革

       作为一种生产设备依赖更少的数字化制造技术,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。人类从古至今的生产模式经历了手工生产、机械化生产、智能化生产三个阶段。在漫长的手工生产阶段,心灵手巧是核心竞争力,每个工匠每一次制造的商品都可以不一样,但是生产力及其有限。在机械化生产阶段,产品按照统一的标准生产,生产设备的效率是核心竞争力,但是缺少个性化的定制。当前随着数字化技术的发展,生产模式进入智能化时代,大规模定制能力成为核心竞争力,生产效率和灵活应变兼顾,对于生产模式的变革提出了巨大挑战。

制造业发展模式变革

制造业发展模式变革

       目前的机械化大生产模式严重依赖大型工厂,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,设计师不再是专业的技术的人员,甚至设计师就是消费者本身,因为创成式设计等智能化设计方法大大降低了设计师的行业门槛。制造人员也将不需在工厂工作,在家中就可以管理好所有的工厂设备,正真实现“黑灯工厂”。客户从下单到制造完成再到接收货物就像如今的“京东次日达”一样方便,因为工厂可能就在每个城市的某个“配送点”。总之,3D打印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、标准化制造转变为定制化、个性化、分布式制造。

3D打印对供应链的影响

3D打印对供应链的影响

       第三,商业模式的变革

       随着增材技术、数字技术、互联网技术的发展,增材制造与数字孪生、工业互联、人工智能等横向技术融合,将消费端、生产端、销售端、物流端统一结合起来,全部人员直接参与到产品生命周期当中。平台经济的商业模式不再局限于销售,从最初的设计过程、到生产制造、再到后期产品的维修,都将借助网络实现数字化文件的共享和交易,云平台将所有的商业活动都纳入其中。这种商业模式是一种更顺应绿色发展的经济模式,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,大大压缩供应链,减少能源消耗,对当地经济、环境和消费者都颇具益处。

DfAM赋能商业模式进化

DfAM赋能商业模式进化

       增材制造刺激了商业模式的进化,不仅使产品更容易适应市场需求,降低业务风险,而且使创新边界得以无限延伸,甚至是器官移植的商业模式也向制造业模式转换。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,设计出符合患者需求的植入物,通过3D打印制造出人工器官植入患者体内,3D打印实现了现代医学一次革命性的变革。       

       参考文献:
       1、3D HUBS:Additive manufacturing trend report 2021
       2、前瞻产业研究院:2021年中国3D打印产业市场规模与发展前景分析
       3、前瞻产业研究院:2021年全球3D打印行业技术竞争格局
       4、德勤:数字化转型报告
       5、LeSalle:The impact of 3D printing on supply chains
责任编辑:程玥
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