未来十年3D 打印将大规模采用,世界经济论坛 (WEF) 发布增材制造突破白皮书
发布时间:2022-03-10   阅览次数:323次

来源:3D科学谷

根据3D科学谷的市场观察,世界经济论坛 (WEF) 与与苏黎世联邦理工学院和三家弗劳恩霍夫研究机构(IGCV、IPT 和 IAPT)合作,发布了一份有关增材制造发展突破的白皮书《An Additive Manufacturing Breaktrough: A How-to Guide for Scaling and Overcoming Key Challenges》。

⼗多年来,制造业已经看到了与增材制造 (AM) 相关的炒作与成长周期。尽管并⾮所有的预测都成为现实,但增材制造的产业化经历了不同的浪潮,仍保持着 20% 的年均增⻓率。随着一些增材制造原始设备制造商 (OEM) 的上市,最终⽤⼾对技术的机遇和局限性越来越有经验,整个行业都在不断合理化。

Valley_Traditional3D打印vs传统制造工艺的比较逻辑
© 3D科学谷白皮书

block 挑战

根据3D科学谷,3D打印迈向产业化的过程中遇到了一系列的难题,其中包括:通过信息管理系统来管理增材制造数据流;工艺可重复性、零件到零件的可重复性;成熟的认证和质量检测方法。可以说任何一个零件,要实现从0到1的3D打印,再实现从1到n的产业化生产,都需要经历一个不断突破的过程。

针对制造业的高管,这项名为《增材制造突破:可扩展化与克服关键挑战的操作指南》的白皮书研究提供了对增材制造今天可以提供什么,以及为什么有些人实现了这种潜力,而另一些人没有实现这一潜力的现实理解。

WEF_Fraunhofer《增材制造突破》白皮书
© 世界经济论坛WEF

根据世界经济论坛(WEF)的白皮书,当前的3D打印-增材制造摆脱了炒作,并定义了基于投资回报 (ROI) 的增材制造⼯业化的新表述方式。考虑到这一点,世界经济论坛与苏黎世联邦理⼯学院和三家弗劳恩霍夫研究所(IGCV、IPT、IAPT)预测,未来十年 3D 打印工业部件将广泛、大规模用于生产制造,并强调了新冠病毒疫情与增材制造 (AM) 技术的高度使用之间的关系。

该⽩⽪书的⽬的是帮助⾼级行业⾼管更好地了解他们 如何利⽤ AM-增材制造来实现更具弹性、可扩展性、灵活性和可持续性的⽣产系统——为公司、社会和环境创造和交付价值——并孵化新的合作和通过动员全球制造业社区建⽴伙伴关系。

根据3D科学谷的了解,该白皮书重点介绍了四种实践和三个实际案例研究,以展示克服增材制造当前主要挑战的途径。为“AM 的真实故事”制定路线图意味着 WEF 与不同行业的制造接触,以定义其所描述的新的“基于投资回报 (ROI) 的 AM 工业化表述”。(受访者包括 Stratasys、Nano Dimension、Spectroplast、HP、Carbon3D 和 EOS 等知名公司的 AM 专家。)

白皮书展示了四个实践和三个真实案例研究,强调了当今如何克服这些挑战。案例研究表明,当前增材制造的关键机会驱动因素可以在数字⼯艺链、新的增材制造材料、认证供应链和新型商业模 式的应⽤中找到。

虽然增材制造的技术成熟度已在特定行业中得到证明, 但个别公司仍在努力在⼯业规模上采⽤和实施。制造业低估 了采⽤增材制造⾸先是一个涉及整个价值链并且需要获得特定增材制造专业知识的学习过程的程度。在整个学习过程中,各种各样的挑战可能会阻碍实施的进展和成功。

目前存在的增材制造采用的挑战包括三大层面的:与技术相关的挑战;与企业组织相关的挑战;与生态系统相关的挑战。具体如下:

技术层面:

  • 增材制造过程的可预测性和可重复性不够
  • 材料可⽤性仍然有限
  • 后期处理需要⾼成本
  • 投资、运营和维护成本⾼
  • ⽣产零件的认证程序很少

企业层面:

  • 公司层⾯缺乏明确的增材制造采⽤战略
  • ⽆法识别增值应⽤
  • 缺乏适应增材制造潜力的商业模式
  • 缺乏准确的成本计算模型
  • 数字设计所有权的不确定性导致产品保护不明确
  • 增材制造技术和设计知识有限
  • 缺乏⾼技能的增材制造⼈员,因为缺少专⻔的教育资源

⽣态系统层面:

  • 缺乏从设计师到机器的集成数字流程链
  • 不规范的数据传输导致设计⽂件的准确性和质量不⾜
  • 缺乏从设计师到设备的集成数字流程链
  • 尚未熟悉增材制造零件(形状、材料、表⾯、触觉)的客⼾
  • 受监管行业缺乏标准和资格认证程序

l 成本方面

在今天和可预⻅的未来,增材制造零件的⽣产成本是采⽤增材制造的主要障碍。一些专家指出,这不仅是指设备和材料成本,⽽且包括缺乏稳健性和质量一致性也会对成本产⽣重⼤影响。这两个因素都会导致采用AM-增材制造⼯艺的成本很⾼。

当前AM-增材制造零件的复杂⼏何形状、⼩批量和 AM的其他特殊性使得后处理和⾃动化⽣产具有挑战性。因此, 后处理占整个零件成本的很⼤一部分。

监管和质量认证方面

航空航天、铁路、汽⻋或医疗行业等受监管领域缺乏明确的标准是增材制造市场增⻓的一大挑战。标准化是一个瓶颈,因为 AM-增材制造的实施需要公司澄清不确定性,确保责任可追溯并通过审批流程。在此背景下,绝⼤多数接受调查的行业专家将增材制造零件的认证和⽣产资质视为未来 10 年的关键挑战。

l 生态系统方面

此外,⼯业增材制造专家表明,数字⼯艺链的中断是增材制造发展的一个持续的挑战,预计将缓慢获得解决。缺乏沿流程链从一个供应商到下一个供应商的软件互连,导致引⼊ 降低质量的中间步骤。此外,沿流程链⽣成的信息并⾮始终可⽤或共享。

block 机遇

尽管上述挑战和障碍乍一看似乎令⼈⽣畏,3D科学谷了解到白皮书显示了实际产品中成功实施增材制造的许多事实都强调了这样一个事实:即总体⽽⾔,增材制造创造的机会远远超过其局限性和遇到的挑战。白皮书包含了⾼度先进和创新的实施案例研究,这些现实世界的案例都解释了增材制造作为可持续发展的技术的生命力。

白皮书研究了三个具体案例,这些案例揭示了如何克服增材制造挑战。选择的案例表明,当前的增材制造关键机会的驱动因素可以在数字工艺链、新的增材制造材料、认证供应链和新型商业模式的应用中找到。

虽然本质上是一个制造过程,但在许多⽅⾯,增材制造更像 是一个技术平台。由于其数字特性,增材制造与⼯业 4.0 环境中的 各种其他技术兼容,例如,数据驱动设计、⼈⼯智能 (AI)(例如⽤于实时过程监控)和数字供应链,这种独特的能力主要 是由跨越 AM-增材制造⼯艺链的数字线程实现的。在整个产品⽣命周期 (设计、制造、供应链、验证、使⽤、服务和报废)中,可以捕获数据以提⾼ AM-增材制造应⽤程序的性能、效率和成本。

案例1:数字化流程链的开发

Trinckle5和 Aqtor 的合作是一个理想的例⼦,两家公司为 3D 打印矫形器开发了一个⾃动化设计平台,这个平台展⽰了如何利⽤数字流程链来构建⾼度先进的增材制造应⽤程序。同时,该设计平台涵盖了⼴泛的⾃动化⽔平,例如简单的参数操作和更复杂的功能,例如⾃动装配 AM -3D打印矫形器。

3D科学谷了解到该平台⾃ 2019 年以来一直在使⽤, 已经实施了三种产品,还有更多产品开发正在进行中。最成熟的例⼦是已经⽣产了 350 多次的护膝。在不久的将来,可以通过将智能连接传感器集成到 AM 矫形器中来扩展该平台,从⽽在产品使⽤时采集数据。这将为客⼾互动创造新的机会,从业务⻆度来看,设计平台的实施减少了劳动力,因为重复性设计⼯作可以⾃动化。根据 品的不同,这种重复性工作量减少范围从 40% 到 60%。

trinkel_Aqtor自动设计的 AM 增材制造矫形器。

© Trinkle 和 Aqtor

总体⽽⾔,该案例研究是说明增材制造数字流程链如何通过各个流程步骤的⾃动化创造显着收益的理想⽰例。从商业⻆度来看,这为如何销售产品以及 OEM制造商如何与最终用户互动带来了⼴泛的新机遇。

案例2:新型增材制造材料

近年来,已开发出许多新型的增材制造材料。这是受欢迎的,因 为以前可⽤的过少的增材制造材料范围是3D打印获得广泛实施的主要障碍之一。专⻔⽤于增材制造的新型材料的开发带来了显着的好处,例如 降低了成本、提⾼了性能和创造了新的应⽤。

强⽣ (J&J)的一个开发案例说明了新型增材制造材料如何实现⾼度创新的应⽤。强⽣开发并推出了一种针对患者的植⼊物,⽤ 于治疗某些疾病。这种植入物包括一个个性化的融合器,作为⻣骼愈合过程的结构⽀撑。基于计算机断层扫描 (CT) 扫描,可在 24 ⼩时内创建个性化设计。经外科医⽣批准后,该部件将在增材制造设施中制造,并在数天内交付⾄护理点。⾼度复杂的结构由基于聚⼰内酯的材料混合物制成,由SLS选区激光烧结3D打印工艺制造。

Jonson© 强生

这种聚合物是可⽣物吸收的,这意味着它会在两到四年内被⼈体完全吸收。为了改善与周围⻣骼结构的整合,植⼊物涂有磷酸钙,这与⼈类⻣骼中的材料⾮常相似。与传统的现有解决⽅案相⽐,新型增材制造材料与个性化设计和特殊后处理相结合提供了多种优势。这些包括更快的⻣重塑、更⼤的最终⻣体积和增加的抗扭强度。迄今为⽌,强⽣已成功安装了 90 多个这款材料的3D打印植⼊物。

强生的案例研究强调了新型增材制造材料的潜力。通过将新材料与合适的制造⼯艺和从设计到制造的数字⼯艺链相结合,公司可以以具有竞争力的成本提供功能更强⼤、可⽤性更⾼的极其先进的增材制造应⽤。

案例3: 合格、灵活的供应链⽹络

德国铁路 (DB)8和 TÜV SÜD9的案例研究说明了如何建 ⽴这样的增材制造供应链。作为中欧最⼤的铁路公司,DB 经 营着庞⼤的客运和货运⻋辆⻋队。维护这些⻋辆并确保备件的持续供应是一项复杂的任务,因为这些⻋辆和基础设施是由不同的制造商在很⻓一段时间内⽣产的。在这种情况下,增材制造代表了一种可行的替代⽅案, 因为3D打印可以快速、经济地⽣产单一、难以采购的组件。

然⽽,关于增材制造备件的一⼤挑战与铁路行业的严格规定有关。为了应对这一挑战,DB 与 TÜV SÜD 合作,为增材制造备件和 最终⽤途组件的供应商制定了一项认证计划。该计划的主要基⽯是对供应商的内部流程和质量保证措施进行审核,以确保⾜够⽔平的质量和再现性。迄今为⽌,DB 及其供应商已⽣产了超过 25,000 个备件和最终⽤途部件,包括由⾦属和塑料制成的部件,3D科学谷了解到其中⼤部分是⾮安全关键部件。

Part_DB© DB

引⼊共同的质量保证、标准和认证计划是增材制造“切入”铁路机车供应链体系的关键,由于标准化的程序,减少了 DB 的整体认证⼯作。同时,获得认证的供应商也报告称,标准化审核帮助他们优化了内部流程。

BD的案例研究强调了增材制造流程标准化的重要性和潜力。这是更灵活和更有弹性的供应链的先决条件,可有效实现按需或离散制造等⾼级⽣产场景。

block 展望

迄今为⽌,AM-增材制造(3D打印技术)已被⽤于⼩规模⽣产,并主要由市场和创新创造可观的收⼊。这可以在消费、航空航 天和⾼端汽⻋以及医疗和铁路行业等市场观察到。

Valley_Value3D打印的价值台阶
© 3D科学谷白皮书

随着成本的下降以及技术的普及能力提升,追随者开始实施 AM-增材制造,就会出现突破性的市场增⻓和加速发展趋势。在接下来的 5 到 10 年内,增材制造知识的传播会带来整个行业更⼴泛地使⽤增材制造。

WEF_Chain采用增材制造的实践
© 世界经济论坛WEF

从⻓远来看,物流和供应链领域的一种潜在颠覆性商业模式可能是数字库存和数字仓库。产品信息(数据)可以从数字仓库⽽不是物理仓库运送,通过使供应链更简单、低碳环保和更加灵活,3D打印有可能改变供应链。

WEF_Chain_2推进AM-增材制造的七个步骤
© 世界经济论坛WEF

随着增材制造⽣态系统的进步,可能会转向所有行业领域的完全集成⼯业化。⼤多数专家预计短期内不会出现颠覆性发展,⽽是预⻅到缓慢⽽稳定的发展;例如,通过持续降低成本来逐渐实现。制造业的未来正在远离传统工艺,这种新常态使增材制造成为一种独特的方法,有助于创建更具弹性和灵活性的供应链。