五个方面分析增材制造的数字化智造未来，挑战与机遇并存(2)

时间：2022-01-09 17:14 来源：安世亚太作者：admin 阅读：次

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。

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

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

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

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

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。

安世亚太公司基于多年的项目经验和思考沉淀，推出了“增材思维数智未来”系列文章。本文是该系列文章的总论部分，接下来我们将从碳中和制造、成本控制、智能设计、多源技术融合、新能源应用等5个方面，阐述增材制造的数字化未来，敬请期待。

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

—作者—
马立敏，安世亚太增材设计首席专家，高级工程师，北京航空航天大学/中国商飞公司博士后。主要研究方向为增材制造创新设计与应用，设计的产品多次获得全国性学会及行业大奖，在增材制造创新设计与应用方面具有丰富的经验和独到的见解。

(责任编辑：admin)

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