增材制造（3D打印）技術是近20年來迅速發(fā)展起來的一種新型制造技術。與傳統(tǒng)“減材”制造過程正好相反，增材制造以三維數(shù)字模型為基礎，將材料通過分層制造、逐層疊加的方式制造三維實體，是集先進制造、數(shù)字制造、智能制造、綠色制造于一身的制造技術，無疑是未來制造技術的重點發(fā)展方向之一。同時，增材制造帶動新材料、精密控制、激光、電子束、CAD、CAE、CAM等技術蓬勃發(fā)展，具有巨大的產業(yè)溢出效應。

增材制造從根本上突破了復雜異型構件的制造瓶頸，改變了傳統(tǒng)的“制造引導設計、可制造性優(yōu)先于性能/功能”的設計理念，基本實現(xiàn)了工程師的“設計自由”，使得從功能需求出發(fā)的正向設計成為可能。增材制造特有的逐點逐層制造方式，配合自帶的數(shù)字化基因，實現(xiàn)了材料微觀組織可控、結構宏觀性能可調、制造工藝全過程可監(jiān)控、產品質量全壽命可追溯，是未來最有可能實現(xiàn)數(shù)字孿生的技術之一。真正意義上實現(xiàn)了“設計引導制造、功能先于設計”的轉變，為制造業(yè)技術創(chuàng)新、軍民深度融合、產業(yè)結構升級與發(fā)展開辟了巨大空間。

增材制造將是未來制造業(yè)競爭的主戰(zhàn)場之一

根據(jù)Smartech等9家機構估計，2020年全球3D打印市場達到126億美元，比2019年同比增長21％。在未來三年中，分析師平均預期3D打印市場同比增長17％，到2026年將達到372億美元。

?在全球的制造業(yè)市場中，3D打印盡管占比不高，不過可喜的是它已經走過了技術瓶頸期，正在向高速擴張的方向上前進。這一點相信廣大3D打印從業(yè)者能夠感受到，3D打印技術的應用領域正在越來越廣，應用的數(shù)量也越來越多。

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2020年，我國3D打印產業(yè)規(guī)模突破200億元，達到208億元，且增加速度要略快于全球整體增速，促使我國3D產業(yè)占全球的比重在不斷增加。根據(jù)CCID數(shù)據(jù)顯示，2019年中國3D打印產業(yè)規(guī)模為157.5億元，同比增長31%。2020年前期雖受新冠肺炎疫情影響，但后期國內經濟強勁反彈，行業(yè)增長迅速。

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目前，全球3D打印第一大技術來源國為美國，美國3D打印專利申請量達到141209項，占全球3D打印專利總申請量的35.81%；其次是中國，中國3D打印專利申請量占全球3D打印專利總申請量的25.52%。日本和德國雖然排名第三和第四，但是與排名第一的美國及排名第二的中國專利申請量差距均較大。

?由此可見，無論是國內還是國際，都已經將增材制造作為未來制造業(yè)的重點發(fā)展方向，今后在增材制造領域的競爭必將越來越激烈。

增材制造發(fā)展面臨的問題

盡管增材制造正在迎來發(fā)展的上升期，但是目前增材制造技術仍然面臨著諸多技術難題，離我們理想中的數(shù)字化智造還有很長的路要走。

?1）缺乏大批量制造案例根據(jù)Hubs survey的調查報告，目前增材制造主要集中于原型驗證或者小批量制造，超過60%產品的制造量不到10件，超過90%產品的制造數(shù)量在100件以下。GE公司的航空發(fā)動機燃油噴嘴是唯一通過公開途徑可找到的大批量制造成功案例，該產品的年產量達到數(shù)萬件。除航空產業(yè)外，汽車是最有可能實現(xiàn)大批量生產的工業(yè)領域，寶馬、保時捷等公司已經在開展增材制造產業(yè)化研究。

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每批次3D打印零件數(shù)量

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制約3D打印的因素

?3）缺少智能設計方法與其說增材制造顛覆了制造方法，更不如說增材制造顛覆了設計思維。增材制造實現(xiàn)了復雜結構的制造可行性，激活了一大批新興的設計方法，比如拓撲優(yōu)化、點陣結構、創(chuàng)成式設計、結構功能一體化等設計理念如雨后春筍般涌現(xiàn)，以至于我們原先的產品設計“套路”不再適用，新的設計方法又無從下手。以點陣、TPMS等多孔結構為例，由于其結構復雜性和龐大的構件數(shù)量而成為設計和仿真的難點，特別是多孔結構的優(yōu)化設計方法更是難上加難。

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安世亞太多孔結構設計解決方案

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nTopology功能模塊

目前，安世亞太已經開發(fā)了一系列針對各種工業(yè)品和消費品的創(chuàng)成式設計方法，國外也開發(fā)了以nTopology為代表的增材設計仿真軟件，其基本的解決思路是通過創(chuàng)成式設計等智能化設計方法，實現(xiàn)點陣、TPMS等多孔結構的自動化設計，以宏細觀結合多尺度算法為基礎的等效均質化力學方法獲取點陣結構宏觀力學特性，然后再回到細觀，基于宏觀計算結果對點陣結構進行局部細節(jié)模擬。

?4）與其他橫向技術融合不足在增材制造的技術火熱期，3D打印打印萬物的言論不絕于耳，以至于有人提出3D打印將顛覆所有制造技術。更有意思的是模具行業(yè)，曾經被視為是3D打印無?；圃熳钕阮嵏驳膶ο?，如今卻是3D打印應用最為活躍的行業(yè)。所以，筆者看來現(xiàn)階段3D打印并不是顛覆的對象不夠多，反而是與其他橫向技術的融合不足，比如與傳統(tǒng)五軸機床結合形成的增減材復合制造是一個非常成功的技術融合的例子。除了上文提到的設計方法，目前3D打印急需與材料基因組、高精度能量控制、數(shù)字孿生、新能源、綠色制造等先進技術結合。同時，3D打印還缺乏與各行各業(yè)的融合，擴大3D打印的應用領域。

增材思維驅動模式變革

增材制造技術的出現(xiàn)，從根本上改變了傳統(tǒng)制造技術與材料、結構、功能相互割裂的發(fā)展局面。其原因在于3D打印機在輸出物理實體時，采用了從無到有的受控生長方式，其所用的建造物質從低維度的點、線或面形態(tài)，以積分原理累積形成最終的三維實體；而在持續(xù)累積過程中，3D打印機有充分的時空窗口對建造物質的物性、結構、功能進行從微觀到宏觀的主動控制，即將形狀信息承載至建造物質的同時，亦將物性屬性和功能屬性施加至建造物質。這使得打印過程結束時，所輸出三維實體既承載了宏觀的形狀信息，也被附加了微觀的材料物性信息，使得最終制品的功能得以同步完成。

?也正是由于增材制造的這種技術特點，使得它受到全球的廣泛關注，將有可能給傳統(tǒng)的制造業(yè)來帶一系列深刻的變革。

?▍第一、設計理念的變革

將傳統(tǒng)制造的設計方法遷移到增材制造應用的實踐中，兩者在多方面表現(xiàn)出了沖突性。我們把面向增材制造的設計方法稱為DfAM（Design for Additive Manufacturing），包括從產品功能需求出發(fā)的正向設計、從產品性能改進出發(fā)的增材制造再設計、從增材工藝約束出發(fā)的制造優(yōu)化設計等等。

?正向設計是增材制造帶來最具“破壞力”的革新。它讓設計師拋棄了傳統(tǒng)制造手段的束縛，能真正從產品的功能需求出發(fā)，設計出功能最優(yōu)、材料最省、效率最高的結構形式，顛覆傳統(tǒng)設計思維的桎梏。正向設計所提供的架構性創(chuàng)新徹底釋放了增材制造的價值，增材制造打通了正向設計的傳統(tǒng)瓶頸。????

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在數(shù)字化的世界里，研發(fā)和制造不是先后串行和跟隨序貫關系，數(shù)字化研發(fā)和數(shù)字化制造之間是一種相生相長、生生不息的特征，兩者之間在任何時候都是相輔相成、相互輸送價值的過程。

正向設計設計過程

在正向設計體系中，架構的創(chuàng)新和優(yōu)化是首要工作，然后再結合創(chuàng)成式設計和多尺度仿真，對結構形式進行詳細設計和仿真。創(chuàng)成式設計方法不同于傳統(tǒng)的設計方法，使用的工具軟件也不是傳統(tǒng)的CAD軟件。創(chuàng)成式設計方法發(fā)揮算法和人工智能的長處，不需要人做過多干預，我們只需要提供必要的設計限制，其余的交給算法來創(chuàng)造。拓撲優(yōu)化算法是目前常見的設計算法之一。

?▍第二、生產模式的變革

作為一種生產設備依賴更少的數(shù)字化制造技術，增材制造將有可能改變某些產品的生產模式，給企業(yè)和消費者帶來巨大的經濟和社會效益。人類從古至今的生產模式經歷了手工生產、機械化生產、智能化生產三個階段。在漫長的手工生產階段，心靈手巧是核心競爭力，每個工匠每一次制造的商品都可以不一樣，但是生產力及其有限。在機械化生產階段，產品按照統(tǒng)一的標準生產，生產設備的效率是核心競爭力，但是缺少個性化的定制。當前隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，生產模式進入智能化時代，大規(guī)模定制能力成為核心競爭力，生產效率和靈活應變兼顧，對于生產模式的變革提出了巨大挑戰(zhàn)。

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制造業(yè)發(fā)展模式變革

?目前的機械化大生產模式嚴重依賴大型工廠，需要眾多的機器、大量專業(yè)設計與加工技術人員才能實現(xiàn)。而對于增材制造來說，設計師不再是專業(yè)的技術的人員，甚至設計師就是消費者本身，因為創(chuàng)成式設計等智能化設計方法大大降低了設計師的行業(yè)門檻。制造人員也將不需在工廠工作，在家中就可以管理好所有的工廠設備，正真實現(xiàn)“黑燈工廠”?？蛻魪南聠蔚街圃焱瓿稍俚浇邮肇浳锞拖袢缃竦摹熬〇|次日達”一樣方便，因為工廠可能就在每個城市的某個“配送點”?？傊?，3D打印將實現(xiàn)生產模式的根本變革，從傳統(tǒng)制造業(yè)的批量化、規(guī)?；藴驶圃燹D變?yōu)槎ㄖ苹?、個性化、分布式制造。

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3D打印對供應鏈的影響

▍第三，商業(yè)模式的變革

隨著增材技術、數(shù)字技術、互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，增材制造與數(shù)字孿生、工業(yè)互聯(lián)、人工智能等橫向技術融合，將消費端、生產端、銷售端、物流端統(tǒng)一結合起來，全部人員直接參與到產品生命周期當中。平臺經濟的商業(yè)模式不再局限于銷售，從最初的設計過程、到生產制造、再到后期產品的維修，都將借助網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)字化文件的共享和交易，云平臺將所有的商業(yè)活動都納入其中。這種商業(yè)模式是一種更順應綠色發(fā)展的經濟模式，增材制造減少了原材料的使用量，降低了對自然資源和環(huán)境的壓力，大大壓縮供應鏈，減少能源消耗，對當?shù)亟洕h(huán)境和消費者都頗具益處。

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DfAM賦能商業(yè)模式進化

增材制造刺激了商業(yè)模式的進化，不僅使產品更容易適應市場需求，降低業(yè)務風險，而且使創(chuàng)新邊界得以無限延伸，甚至是器官移植的商業(yè)模式也向制造業(yè)模式轉換。運用X線電子計算機斷層掃描（CT）和核磁共振成像（MRI）掃描數(shù)據(jù)，設計出符合患者需求的植入物，通過3D打印制造出人工器官植入患者體內，3D打印實現(xiàn)了現(xiàn)代醫(yī)學一次革命性的變革。