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3D打印的兴起：增材制造相对于传统制造的优势
莫森·阿塔兰
加利福尼亚州立大学
摘要：
在过去几年中，不同行业使用增材制造技术的情况大幅增加。在20世纪，亨利·福特引进了移动装配线，使相同的产品能够大规模生产。目前，增材制造使生产中批量到大批量的产品成为可能，这些产品可以单独定制。增材制造技术在生产模式和制造可能性方面正开辟着新的机遇。生产周期将大大缩短，新设计将有更短的上市时间，客户的需求将得到更快的满足。本文确定了增材制造实施的挑战，强调了其不断发展的技术和趋势及其对未来世界的影响，讨论了其相对于传统制造的优势，探索了其对供应链的影响，并研究了其变革潜力和对各个产业部门的影响。
关键词：3D打印；增材制造；快速成型；全球供应链；大规模定制
1 对增材制造的介绍
三维打印(3D打印)，又名为增材制造(AM)或快速成型，已经存在了几十年。 第一台工作的三维打印机是在1984年由查尔斯·W制造的。他把这台机器称为立体光固化成型机。 这项技术非常昂贵，在早期对一般市场来说是不可行的。 但是当进入21世纪时， 成本急剧下降，允许三维打印机找到进入许多行业的道路。
3D打印机的工作方式与标准喷墨打印机非常相似，然而，3D打印机不是在纸上打印一层墨水，而是使用材料来构建一个三维物体。AM这个术语包含了许多技术，包括3D打印、快速成型(RP)、直接数字制造(DDM)、分层制造和加法制造等。
增材制造——3D打印的工业版本——已经在许多行业中用于制造一些利基产品。3D打印和增材制造这两个术语已经可以互换。“增材制造”这个术语指的是一种技术，或称“增材制造”的过程，即将连续的薄层材料相互沉积，从而生产出最终的三维产品。每一层的厚度大约在0.001到0.1英寸之间。可使用的材料种类繁多，如:塑料、树脂、橡胶、陶瓷、玻璃、混凝土和金属。快速成型是指该技术的应用。这是AM的第一个应用，它帮助增加了投放市场的时间和创新。快速成型可以被称为快速创建一个零件或成品的模型/原型的过程。这部分或成品将在大规模生产之前进行进一步的测试和检查。大多数商业3D打印机都有类似的功能。打印机使用计算机辅助设计(CAD)将设计转换成三维物体。然后，这项设计被切割成几个二维平面，指导3D打印机在哪里存放材料层。
在过去几年里，许多公司已经采用了AM技术，并开始从投资中享受真正的商业利益。这项技术正在成熟，并且已经进入了许多市场。它现在用于原型设计和分布式制造，帮助下一代用户采用AM。这项技术正在慢慢地重新成为提高内部效率的一种有价值的方式。它是当今设计和营销领域最热门、最有趣的进步之一。
根据沃勒斯2014年的一份报告，2013年AM在全球的收入为30.7亿美元;预计该行业到2016年将增至50亿美元，到2018年将增至120.8亿美元，到2020年将超过210亿美元。这些数据显示，AM市场正强劲增长。这种快速增长的驱动力是技术使用成本的降低以及应用程序的增加。
2 不断发展的技术和趋势
2.1 技术状况
AM已经存在了30多年，但直到最近这项技术才开始流行起来，并引起了技术专家和公众的兴趣。2009年，上一项主要的熔融沉积建模(FDM)专利到期后，可以在不侵犯知识产权的情况下生产打印机，这为AM技术带来了新的兴趣和投资。这个行业仍然很年轻，AM的技术进步，以及该技术新应用的发现，都还在发展中。可能要过好几年，AM才能真正在相当大的程度上革新制造业和其他行业。
3D打印机都使用了增材制造工艺，但它们使用不同的技术来构建构成最终目标的层。熔化或软化材料用于生产层。两种最常见的3D打印技术是选择性激光烧结(SLS)和FDM。SLS利用高能激光将塑料、金属、陶瓷或玻璃粉末的小颗粒熔合成所需的三维形状。FDM采用热塑性材料，通过分度喷嘴注入平台。另一种方法是使用UV激光或类似的电源一次一层地固化光反应性树脂。立体光刻(SLA)是使用这种方法最常见的技术。该高端技术利用激光技术对光聚合树脂的层间固化。最后，直接数字制造(DDM)是一个直接从CAD文件中生成零件的过程。
2.2 趋势和行业变化
为了降低供应链成本，零售商们将射频识别(RFID)作为2000年后十年发展最快的技术之一。AM在过去5年里实现了跨越式增长，很可能在未来10年继续成为一种巨大的技术趋势。未来学家杰里米·里夫金认为AM是第三次工业革命中的一项重要技术。
随着3D打印相关成本的降低和实用性的增强，这项技术吸引了消费者和科学家的兴趣和想象力。有几种技术趋势正在推动3D打印技术的发展，并增强其功能和功能。这些趋势概述如下。
2.2.1 创新和成本能力
为了使3D打印成为一种更实用的制造手段，打印机必须超越目前快速原型制造的重点。要想超越这项技术新生的基础，创新必须全面体现3D打印的性能，并使制造业的技术进步永久化。打印机必须变得更快、更自主、更容易使用、更可靠。
一般来说，3D打印机通常有两个缺点:要么价格高但功能更强大，要么价格低但功能更原始。然而，在过去几年中，这两种分类之间的差距已开始缩小。现在，一些打印机有更多的高端功能，但成本比过去更低;其中一台打印机的售价不到5000美元。随着3D打印行业的不断发展和进步，更强大的打印机的持续可用性和可负担性预计将持续下去。
2.2.2 打印速度
打印速度是3D打印的一个重要性能因素，也是3D打印在某些情况下无法成为一种实用的制造手段的关键挑战。虽然3D打印有时比标准制造速度快(例如在假肢的生产过程中)，但生产一个产品仍然需要数小时甚至数天的时间。通过使用更高质量的元件和优化激光的设计和运动，可以提高速度。
添加多个打印头也有助于提高3D打印机的速度。Robox公司推出了它的第一个双材料3D打印头，尽管这款打印机更适合3D打印爱好者，而不是商业制造。除了可以同时打印多种材料外，它还允许更快的打印速度。有限的打印头并不是影响打印速度的唯一障碍;物体的尺寸也会减慢3D打印的速度。简单地说，大的对象需要更多的材料，这使得打印大对象成为一个繁琐的过程。提高大尺寸物体打印速度的技术目前正在开发中。用于更快沉积聚合物的更大的喷嘴，更大工作区域的高速激光切割机，以及加速打印机头的高速马达等功能正在考虑中。有了这些技术创新，打印速度将不再是3D打印行业未来发展的障碍。
2.2.3 自主能力
虽然3D打印机经常在没有人工干预的情况下执行任务，但许多打印机仍然需要维护和监督，以确保打印过程的准确性。拥有全自动打印机将使3D打印更实用，更能吸引大众。一些3D打印爱好者已经看到了向自主功能的转变。例如，许多卖给消费者的打印机都有一个叫做自动调平的功能，这使得调平打印机平台的过程完全自主，因为打印机可以自己校准。随着设计和研究开发工作的成果，3D打印机最终可能完全自主，在没有人类参与的情况下确保精确的设计。
3 快速增长的障碍
虽然AM是一项突破性的技术，有望改变制造业和其他多种行业，但该技术的实施还处于起步阶段，要想实现显著而快速的增长，应用AM还面临许多挑战。以下各小节概述了实施AM技术的主要障碍。
3.1 规模限制
3D打印机只能打印出比打印机外壳还小的物体。这就限制了可制造对象的大小。虽然确实存在较大的打印机，但它们需要安置在足够大的地方以适应它们的大小。如果没有足够大的打印机，有时产品的部件是分段生产的;然而，分段生产需要额外的时间来组装成品的零件，这就开始对优势产生阻碍。
3.2 生产时间
与传统的大规模生产相比，AM的速度相对较慢。虽然在AM中生产运行之间的变化时间不存在，但是与传统的大规模生产运行时间相比，生产输出仍然落后。除非在需求大量时，打印机的生产时间可以提升，传统制造还是首选的生产机制。AM技术更有可能用于大规模定制制造，因为它提供了在有限的库存中创建高度定制产品的能力。
3.3 成本
目前存在的一个障碍是印刷设备的成本。然而，这种情况不会持续太久。随着技术的发展，加上更多的制造商进入这个行业，3D打印机的价格将会下降。推进3D打印技术的承诺是实质性的。中国政府已决心成为3D打印行业的最大参与者，并在2013年6月承诺投入约2.45亿美元推动3D打印的发展。随着人们对3D打印的持续兴趣和支持，3D打印机变得更便宜只是时间问题。
然而，3D打印机并不是3D打印唯一昂贵的功能;印刷所需的材料也很昂贵。用于3D打印的塑料灯丝的价格从每公斤25美元到45美元不等。一些3D打印公司希望通过在市场上制造竞争来降低灯丝成本。其他公司已经转向其他方式来寻找价格更合理的灯丝。总部位于印度的Protoprint公司用废弃的塑料瓶制作灯丝。该公司与垃圾收集者合作，以收集和回收塑料瓶。正如打印机的价格预计将在未来几年下降，也可以预计用于打印的灯丝的成本也将下降，因为公司找到创新的方法来获取和/或制造灯丝，并以较低的成本出售。
3.4 规章制度
3D打印技术的发展和适应如果不加以有效的管理，将会产生巨大的社会和商业影响。随着新技术的出现，规章制度往往跟不上创新的步伐。3D打印的监管已经受到了质疑。2013年，塑料手枪的设计在互联网上免费提供。从本质上说，如果有CAD设计，而且有足够大的打印机可以打印产品，那么产品就可以很容易地、不受限制地生产出来。这种3D打印的枪支尤其令人担忧，因为它不会被金属探测器探测到，如果被怀有恶意的人打印出来，可能会威胁到公共安全。随着3D打印的局限性不断被检验出，新问题也逐渐为人所知，监管和政府干预可能会限制谁可以进行3D打印，以及可以打印什么。
4 AM相对于传统制造的优势
AM是真正的创新;它为寻求提高生产效率的公司提供了新的机会和多种可能性。AM显著地简化了传统方法，并有潜力在未来十年成为规范。根据一些学术研究，AM是一种强大的工具，可以通过多种方法来降低供应链的复杂性。
与传统制造相比，AM有五个主要优势:成本、速度、质量、创新/转型和影响。AM不会取代现有的传统生产方法。然而，它预计将革命许多利基领域。指数增长有望出现。在成本和速度上的节省已经在文献中被预测。
在下面的几节中，我将总结AM最大的潜力和挑战许多传统制造限制的能力。
4.1 产业效率
可供消费者使用的零件的三维打印可能是3D打印技术革新的行业的另一个方面。3D打印将使消费者能够打印他们自己的部件来修理他们购买的产品。简单的备件将主要通过下载3D打印文件在全球销售。消费者可以成为微型制造商。
4.2 大规模定制
这项技术使大规模定制以低成本成为可能。零售商可以设计和个性化的商品，而不需要长时间的送货时间。
4.3 按需制造
增材制造使替换零件的按需制造变得容易。这项技术使得当地经销商和服务提供商可以在遥远的地方打印零件。因此，交货不再是一种限制。这导致了供应链的缩短和节省，因为航运和库存库存是没有必要的。对大量库存的需求将成为过去。
4.4 分散制造业
这项技术可能会减少对物流的需求，因为设计可以数字化转移，从而导致生产的分散化。通过生产接近目的地的产品，我们降低了物流成本和环境影响。这也减少了从生产到销售的时间。在环境影响分析方面，我建议进行一项研究，使用生命周期评估(LCA)方法比较和评估AM技术与传统制造过程。
4.5 部件制造
部件的生产是AM的另一个主要应用。大多数使用这种技术的行业需要少量的零件，这些零件必须按照特定的规格进行印刷，公差很小。超过20%的AM市场是由航空航天和汽车工业的零部件生产组成的。2013年，航天工业使用的部件超过2.2万个。AM在这些领域的成功和增长水平表明，在严格的行业标准下，AM部件的质量水平是令人满意的。
4.6 印刷完整的系统
这项技术能够打印出完整的系统或子系统。这种多材料的能力将有所帮助，因为大多数成品是由一种以上的材料制成的。其他正在研究的领域包括材料、印刷方法、添加剂和传统制造方法的结合。
4.7 质量提升
这项技术有提升质量的潜力。例如，通过3D打印的植入物和假肢，世界各地的患者都能享受到更高质量的医疗服务。该技术还将帮助企业加强售后服务。随着制造业离消费者越来越近，消费者正迅速转变为生产者-消费者。
4.8 修改和重新设计没有惩罚
AM不仅仅是一个部件的物理创造。它促进了设计和创新，没有时间和成本的惩罚。当您考虑到超过60%提交给工具的设计在生产过程中被修改时，这一点是非常重要的。这可能很快导致成本和时间延迟的显著增加。AM使工程师能够以最小的额外成本同时尝试多个迭代。
4.9 提高供应链的熟练程度
AM可以让制造工厂附近的数字化工厂在需要的时候、在需要的地方制造零部件，从而消除在全球运输零部件所浪费的时间和成本。此外，AM允许实时查看生产和接收部件。一般的制造时间和成本通过该过程最小化。
4.10 可持续的生产计划
AM对环境的影响较小。这项技术产生的废料很少，因为只使用了所需的材料。
4.11 按需制造零件
能够几乎即时允许一个更流畅的产品开发和设计过程。
5 AM的变革潜力
技术趋势并不是唯一有助于形成和预测AM未来的东西。汽车和航空航天等行业的发展也会影响汽车制造业。利用AM技术的主要行业需求的变化将决定AM技术的发展方向和技术创新的类型，以满足市场的需求。
在全球咨询公司Lux Research进行的一项研究中，Lux估计，由
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