3D打印如何推動工業4.0？

想象一下，在家里或辦公室打印出一部完整的、功能齊全的智能手機。3D打印(3DP)，又名增材制造(AM)，可以將未來的工廠重新定義成一種可以放在桌面上的設備。

現在距離這個目標還有很長的路要走，但是3D打印已經應用在制造電子產品，比如連接器、印刷電路板、射頻放大器、太陽能組件、嵌入式電子產品和外殼。在線制造平臺Hubs編制的一份報告顯示，打印技術和材料的進步幫助3D打印實現了其工業潛力。

市值1.01億美元的3D打印機制造商Markforged的發言人Sam Manning表示:“作為一個行業，3D打印肯定正處于一個轉折點，很多人都愿意打印最終用途的部件。”“這與五年前相比有很大的不同。”

在整個制造業，3D打印解決了許多行業特有的問題。制造商不再需要依賴海外合作伙伴進行原型設計和生產。設計可以安全地直接下載到打印機，從而降低IP盜竊的風險。組件可以在消耗時按照所需的確切數量進行構建。這使企業擺脫了最低訂單要求和裝運/交付提前期的影響。用供應鏈術語來說，3D打印是“及時生產的助推劑”。

幾年前，全球市值297.2億美元的EMS供應商Flex就將3D打印確定為其工業4.0戰略的支柱。設計團隊和制造團隊經常對如何構建產品有不同的看法。3D制造通過提供即時原型和模型縮小了這一差距。隨著產品的開發，3D技術會為過程中的每一步創建一個數字存儲庫。設計變化可以快速合并，并建立一個新的3D模型。

制造商還認識到3D打印的成本和可持續性優勢。從原材料到紙板箱的浪費基本上被消除了。庫存不再需要在倉庫中存儲和維護。運輸和配送成本是最低的。根據Hubs的報告，流程自動化正在通過切片機優化、智能部件定位、批量布局和后處理來提高打印速度、質量和一致性。

切片是將3D模型轉換為打印機指令集的過程。

Manning說：“工廠將不再需要每年檢查庫存，以確保庫存中有合適的零件，或者，萬一你沒有所需的零部件，你就只能坐在那里等待。”“現在的模式是‘拿一個，做一個’。”

越來越多的軟件解決方案將3D打印生產鏈中的各個階段連接起來并實現自動化。Markforged開發了自己的軟件。完全自動化的工作流程可實現無人值守的3D打印，工廠幾乎不需要人工監督。

Manning說:“我們的軟件確保切片是準確的，并在打印之前模擬零件，以確保拉伸強度。”“如此，你便擁有了一個零件的數字存儲庫。”

新進度

3D打印/AM領域由硬件(主要是打印機)、材料和軟件組成。據Hubs報道，大型金屬增材制造領域取得了重大進展。SLM解決方案公司正在為美國空軍建造一個具有1.5米Z軸的激光粉末床融合系統，該系統將使用多個激光器來生產大型金屬部件。

大型復合材料專家Caracol正在開發一種近凈形金屬絲電弧增材制造系統，該系統使用金屬絲原料和機器人焊接臂來創建大型結構或修復金屬零件。

迄今為止，最大的3D打印產品是波音公司使用的配平工具。該工具在加工和鉆孔時固定在波音777x的機翼蒙皮。

3D打印材料包括種類不斷增加的工程熱塑性塑料和樹脂、復合材料、聚合物粉末和金屬粉末。靜電放電樹脂可用于電子產品、可穿戴設備中的阻尼彈性體樹脂以及運輸和其他行業中的阻燃材料。在熔融沉積成型中，非平面打印已經取得了突破，軟件可以打印曲線，消除懸垂的支撐，提高垂直強度。

“我們不只是制造打印機，”Manning說，“我們制作材料并處理軟件。當整個生態系統協同工作并不斷向AI和ML學習時，3D打印的采用率將會提高。”

Markforged可以立即將設計發送到13,000臺經過ISO安全認證的已連接打印機中的任何一臺。“當你考慮能夠解決當前的供應鏈問題時，你所要做的就是點擊‘發送’和‘打印’，”Manning說。

3D打印用例

無論產品是智能手機還是墊片，3D打印都非常適合原型制作、工具制作和大規模定制。原型在全面生產之前評估產品的設計和功能。新的設計或特性可以更靈活地迭代、測試和驗證。

Manning說:“我認為，我們將看到的最重要的事情之一是，你甚至在按下‘打印’之前，就可以在云中迭代你的產品，而不是使用AM進行快速原型和打印。”“你會確切地知道零件在強度和耐用性方面的規格。”

工具涉及創建用于生產的專用設備。3D打印能夠按需生產工具、夾具和裝配輔助工具，可以最大限度地減少機器停機時間、提高生產靈活性并解鎖定制解決方案。豐田將增材制造用于模具，將敏捷性、更快的交貨時間和設計自由度作為三大優勢。

3D打印還為小批量制造提供了一種經濟可行的方法。企業可以提供限量版產品和備件生產，同時最大限度地降低成本。豐田正在使用惠普的3D打印技術來按需制造替換零件以及短期的最終用途部件。

3DP實現了經濟高效的大規模定制。CAD文件可根據客戶需要修改，產品可批量打印。科技初創公司Formify使用3D打印根據客戶的手部圖像，生產定制符合人體工程學的電腦鼠標。

“供應鏈正在努力盡可能高效地運行，”Manning說，“市場上普遍發生的情況是，越來越多的人想要定制產品。從本質上講，每件產品的產量更少，所以運送50件，而不是5件更緊湊。3D打印所能做的就是現場打印這五個項目。大多數企業都擔心自己的底線。一旦你能夠小批量定制，更多的公司就會關注3D打印，并找到有利于公司的方法。”

批量生產是為了提高效率而連續生產多種相同產品的過程。Hubs報告稱，隨著工作流程日益數字化和自動化，制造商更容易全天候生產零件。在3D打印中，批量生產對于小部件尤其可行，因為其中幾個部件可以放入單個構建中。例如，Protolabs利用150臺3D打印機，每年生產多達100萬個零件。

可持續發展

制造商面臨著不斷提高效率和削減成本的壓力，同時還要成為負責任的環境管理者。3DP在制造商的綠色倡議中發揮著主導作用。例如，與計算機數控(CNC)加工等減材制造工藝相比，3D打印產生的材料浪費更少。對于粉末印刷，3D打印可以重復使用和回收粉末。

3DP的功耗也更低。Markforged的客戶Athena Manufacturing進行熄燈制造。 Athena的機器人可以移除打印床，將其放在一邊并放上新的打印床。然后第二個機器人按下“打印”按鈕。“他們不斷地生產零件——不是快速原型，而是交付給客戶的零件，”Manning說。

根據Hubs的說法，人工智能驅動的軟件工具還可以最大限度地降低打印失敗的風險并優化打印過程的CAD設計，從而幫助減少添加劑浪費。

作為一種數字制造方法，3D打印可以在本地生產零件，無需復雜的物流和運輸。分布式制造網絡可以為世界各地的合格制造商提供便利，從而促進本地3D打印。智能部件設計正在幫助航空航天和汽車工業實現更好的燃油效率。通過增加部件的輕量化，飛機和車輛可以消耗更少的燃料。hub報告稱，將飛機重量減輕20%可以使燃油效率提高10%。

最后，像汽車和飛機這樣的長壽命設備可以利用3D打印來延長它們的使用壽命。這些產品中使用的組件經常會過時。3D打印可以根據需要生產替換零件。備件可以在家或在辦公室打印。

根據Hubs的數據，到2022年，3D打印市場(包括3D打印系統、軟件、材料和服務的收入)將達到170億美元，年增長率為13%。對2023年的預測是基于17%的復合年增長率，到2023年將達到199億美元。

“3D打印是工程師的另一種工具，”Manning說，“它不會取代傳統制造業。但工程師們開始學習增材制造課程。在設計時，從增材制造的角度思考是非常不同的。我們希望在五年內，工程師們能在傳統思維的基礎上進行加法思維。”