增材制造通常被視為是一種顛覆性的制造方式，因?yàn)樗枰恍?ldquo;混亂”才能有效實(shí)施。對于制造商而言，并不是購買一些設(shè)備然后點(diǎn)擊“打印”那樣簡單。超越3D打印到真正的增材制造意味著重新思考供應(yīng)鏈。

　　增材制造將需要不同的原料，因此必須確保材料供應(yīng)商。產(chǎn)品將需要重新設(shè)計(jì)，以便可以通過增材制造有效地制造。生產(chǎn)周期或時(shí)間表也需要調(diào)整以適應(yīng)不同的工藝流程。因此，客戶的體驗(yàn)以及與最終產(chǎn)品的關(guān)系，很有可能會(huì)發(fā)生變化。

　　簡而言之，轉(zhuǎn)向增材制造并不容易，但回報(bào)可能是巨大的。增材制造的有效實(shí)施可以提供比傳統(tǒng)同類產(chǎn)品使用更少的材料和功能更好的產(chǎn)品，減少材料的浪費(fèi)和制造成本。3D打印支持按需制造，可以分布在客戶附近，降低庫存和運(yùn)輸成本。如果一家企業(yè)愿意致力于顛覆增材制造，那么潛在的好處可能遠(yuǎn)大于遇到的困難。

　　可持續(xù)性以類似的方式挑戰(zhàn)傳統(tǒng)制造業(yè)。可持續(xù)制造意味著以允許生產(chǎn)（和消費(fèi)）盡可能長時(shí)間、甚至無限期進(jìn)行的方式進(jìn)行生產(chǎn)。這種運(yùn)作模式與傳統(tǒng)的線性供應(yīng)鏈不一致。在線性經(jīng)濟(jì)中，原材料被提取后轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品（通常在此過程中產(chǎn)生廢物），并最終被丟棄。

　　可持續(xù)制造意味著必須放棄線性的生產(chǎn)模式，轉(zhuǎn)而追求一種更像自然界的循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)，一種保存和再利用資源的經(jīng)濟(jì)，從材料原料到消耗品?？沙掷m(xù)制造意味著我們必須放棄我們的線性模型，轉(zhuǎn)而追求一種更像自然界中發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)，一種保存和再利用資源的經(jīng)濟(jì)，從材料原料到消耗品。

　　從線性經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向循環(huán)經(jīng)濟(jì)看起來很“混亂”，但實(shí)施可持續(xù)制造所需的“混亂”與增材制造所需的“混亂”非常相似，并有望獲得同樣的回報(bào)。增材制造和可持續(xù)發(fā)展都需要在材料、設(shè)計(jì)、制造、產(chǎn)品和報(bào)廢方面中斷供應(yīng)鏈，并在這些中斷中相互促進(jìn)。

　　重新構(gòu)想原料

　　當(dāng)公司為現(xiàn)有產(chǎn)品實(shí)施增材制造時(shí)，他們必須面臨的首要挑戰(zhàn)之一與材料有關(guān)。雖然適用于增材制造的材料種類和數(shù)量正在增長，但不能保證與傳統(tǒng)的注塑樹脂、鑄造合金或機(jī)加工材料等效。

　　同時(shí)，從傳統(tǒng)工藝轉(zhuǎn)向增材制造提供了重新思考材料的機(jī)會(huì)。例如鈦這種材料很難加工，但易于打印。以前由鋼銑削而成的零件，可能更容易通過粉末床熔合用鈦進(jìn)行3D打印?；蛘撸瑱C(jī)械加工的零件根本不需要金屬，用3D打印塑料就能制成，更輕也更容易。

　　增材制造的設(shè)計(jì)優(yōu)勢在材料選擇方面也發(fā)揮著重要作用。3D打印可以將組件的多個(gè)部分合并，通常只合并為一個(gè)部分。這種合并簡化了生產(chǎn)和勞動(dòng)力，但也減少了緊固件的使用和材料的使用數(shù)量。例如，將工具鋼和鋁焊接在一起的組件可以完全用尼龍零件代替。由此產(chǎn)生的產(chǎn)品可能更輕、更容易制造，但也更容易回收，因?yàn)樗恍枰确纸獬蓡为?dú)的材料。

　　除了這些好處之外，3D打印還提供了一些獨(dú)特的材料機(jī)會(huì)。越來越多的制造商正在提供用于3D打印的塑料，這些塑料由可回收資源制成以及由可再生植物來源制成的PLA等生物基聚合物。

　　用回收碳纖維和可生物降解材料（如木纖維）增強(qiáng)的復(fù)合材料也在開發(fā)中。在金屬方面，回收材料的選擇較少，但技術(shù)和材料供應(yīng)商正在想出新的方法，將金屬機(jī)械回收成全新的合金，使用加工芯片進(jìn)行3D打印，將廢料小批量霧化成金屬粉末使用。

　　優(yōu)化支持更高效的產(chǎn)品

　　制造設(shè)計(jì)是產(chǎn)品開發(fā)的最佳實(shí)踐，但增材制造工程師關(guān)注的范圍更廣。增材制造設(shè)計(jì)不僅僅考慮相關(guān)部件的制造步驟，它還必須考慮材料（因?yàn)椴牧蠈傩灾饕诖蛴∵^程中設(shè)置）、構(gòu)建參數(shù)、零件方向、支撐結(jié)構(gòu)和任何必要的后處理。增材制造大大擴(kuò)展了設(shè)計(jì)范圍，并要求工程師通過更長的鏈條來遵循設(shè)計(jì)初衷。這是一種思維方式的改變，同時(shí)也是一種組織和技術(shù)的改變。

　　雖然增材制造使設(shè)計(jì)階段變得更加復(fù)雜，但增材制造也帶來了新的可能性。用于拓?fù)鋬?yōu)化、衍生式設(shè)計(jì)和仿真的高級軟件工具幫助工程師獲得更好的設(shè)計(jì)，而這些設(shè)計(jì)只能通過增材工藝生產(chǎn)。雖然3D打印的第一次用途是作為快速原型制作工具，但有限元分析和打印模擬工具，正指向依賴數(shù)字原型制作的可持續(xù)制造。

　　借助3D打印和軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，材料可以準(zhǔn)確地應(yīng)用到需要的地方，并通過晶格等特征進(jìn)行操作，從而在不同區(qū)域賦予不同的特性。“數(shù)碼泡沫”的概念就是依靠這種能力。例如，整個(gè)鞋墊可以僅由一種材料制成，但使用不同的格子幾何形狀進(jìn)行印刷，在需要某些特性的區(qū)域提供緩沖功能。

　　格子和蜂窩結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)特征，也可用于限制所需材料的數(shù)量并減輕零件的重量。在加工等過程中，從較大的材料中去除庫存，目標(biāo)是最大限度地減少加工過程。去除更多材料只會(huì)增加交貨時(shí)間、成本和浪費(fèi)。但是通過增材制造，最大限度地減少使用材料也會(huì)最大限度地減少這些其他因素。當(dāng)應(yīng)用于汽車和飛機(jī)等產(chǎn)品時(shí)，以這種方式設(shè)計(jì)的優(yōu)化3D打印部件有助于降低燃料消耗并減少碳足跡。

　　事實(shí)上，一些下一代電動(dòng)汽車和飛機(jī)通過增材制造和設(shè)計(jì)軟件，才能讓輕量化和性能優(yōu)化成為現(xiàn)實(shí)。這些輕量級組件將有助于延長電池壽命、更長的飛行距離和更遠(yuǎn)的太空旅行。隨著通過增材制造實(shí)現(xiàn)新設(shè)計(jì)，旅行和探索等人類活動(dòng)將變得更節(jié)能和可持續(xù)。

　　隨著零件或整個(gè)產(chǎn)品被重新解釋為增材制造，增材制造設(shè)計(jì)還提供了機(jī)會(huì)來重新考慮零件在使用壽命結(jié)束后會(huì)發(fā)生什么。在設(shè)計(jì)階段做出的決定，例如緊固件的使用、可更換部件和材料的多樣性，將影響產(chǎn)品再制造或分解以供以后回收利用的難易程度。

　　數(shù)字化、分布式和按需

　　依賴模具、沖?；蚱渌ぞ叩膫鹘y(tǒng)制造通常在一個(gè)集中位置進(jìn)行。制造商對這一基礎(chǔ)設(shè)施的投資使得在這一地點(diǎn)保持生產(chǎn)、將物品儲(chǔ)存在庫存中，直到客戶訂購后將它們運(yùn)送到指定地方變得切實(shí)可行。

　　然而，這種模式以一種可能阻礙供應(yīng)鏈的方式延伸了供應(yīng)鏈。正如我們在整個(gè)COVID-19大流行期間所看到的那樣，將生產(chǎn)集中在一個(gè)地區(qū)會(huì)使快速靈活地響應(yīng)世界其他地區(qū)的需求變得更加困難，尤其在旅行和貿(mào)易受限的情況下。制造只能以與其所需工具相稱的規(guī)模進(jìn)行，一旦制造工廠達(dá)到了產(chǎn)能極限，它既不能增加也不能輕易外包。另外，制造商必須預(yù)測需要什么，制造并保存在庫存中。生產(chǎn)商在某些情況下會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)能短缺，在另一些情況下會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)能過剩。

　　然而，增材制造是數(shù)字制造。3D打印機(jī)不需要模具、切割工具或工件夾持解決方案。制作給定零件所需的只是適當(dāng)?shù)牟牧虾蛿?shù)字文件。因此，產(chǎn)品可以作為文件保存在數(shù)字庫中，并根據(jù)客戶訂單和趨勢按需生產(chǎn)。生產(chǎn)可以“適當(dāng)規(guī)模”生產(chǎn)所需的數(shù)量，從而減少庫存和廢品。

　　更重要的是，數(shù)字化制造可以是分布式制造。即使貨物和人員無法跨越國界，零件文件也可以輕松跨越國界。擁有遍布全球的3D打印機(jī)和材料的企業(yè)可以輕松地轉(zhuǎn)移生產(chǎn)以應(yīng)對危機(jī)、需求增加或只是開放產(chǎn)能?；蛘?，可以動(dòng)員許多擁有適當(dāng)設(shè)備的制造商一起生產(chǎn)，就像我們在用于冠狀病毒檢測的鼻咽拭子中看到的那樣。

　　數(shù)字制造帶來的靈活性還有另一個(gè)好處，能夠在靠近客戶的地方進(jìn)行本地化生產(chǎn)。與一條長長的供應(yīng)鏈不同，公司的所有產(chǎn)品都來自一個(gè)地點(diǎn)，制造可以分布在整個(gè)市場，創(chuàng)造出許多短的、富有彈性的供應(yīng)鏈。

　　這種分布式制造模式使客戶能夠更快、更輕松地獲得產(chǎn)品，并意味著在一個(gè)或多個(gè)地點(diǎn)的生產(chǎn)中斷的情況下減少延遲和短缺。從制造商的角度看，回報(bào)是更安全、更靈活的工作流程，可以應(yīng)對市場需求的波動(dòng)，即使在緊急情況下也能不間斷地生產(chǎn)。

　　此外，分布在物理位置的增材制造可能是一種更環(huán)保的生產(chǎn)方式。依賴3D打印的制造商通?？梢哉加帽葌鹘y(tǒng)的集中式設(shè)施小得多的設(shè)施，整條生產(chǎn)線可以放在桌面上。而且，在本地為客戶生產(chǎn)意味著更少的運(yùn)輸和減少碳足跡。在某些情況下，3D打印技術(shù)甚至可能比傳統(tǒng)制造工藝更節(jié)能。

　　創(chuàng)造更好、更持久的商品

　　從歷史上看，定制物品是常態(tài)，但自工業(yè)革命以來，我們已經(jīng)習(xí)慣了大規(guī)模生產(chǎn)的商品。制造商提供預(yù)定尺寸、顏色和配置的產(chǎn)品，并不是因?yàn)檫@些是每個(gè)客戶的最佳選擇，而是因?yàn)樗鼈冊诖笠?guī)模生產(chǎn)時(shí)最有效。戒指、鞋子和介于兩者之間的所有物品的數(shù)字尺寸都是這種標(biāo)準(zhǔn)化模型的遺物，消費(fèi)者可以根據(jù)產(chǎn)品的需求來滿足他們的需求，反之亦然。

　　當(dāng)必須使用模具制造像運(yùn)動(dòng)鞋這樣的商品時(shí)，限制尺寸選擇的數(shù)量是有意義的，因?yàn)槊總€(gè)產(chǎn)品都需要自己的一套模具工具。為每個(gè)穿著者生產(chǎn)定制鞋需要太多的時(shí)間、成本，而簡單地在同一產(chǎn)品上生產(chǎn)更多的變化無疑會(huì)導(dǎo)致更嚴(yán)重的庫存和浪費(fèi)問題。

　　增材制造的數(shù)字化、無工具化特性打破了這些障礙。3D打印機(jī)不是模具，而是對3D數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。如果可以從客戶那里收集到足夠的數(shù)據(jù)，那么只需通過軟件操作即可將該信息轉(zhuǎn)換為打印機(jī)可以生成的零件文件。近年來，創(chuàng)建的公司可以將客戶輸入與增材制造結(jié)合使用，生產(chǎn)各種產(chǎn)品，從使用瀏覽器中的參數(shù)設(shè)計(jì)工具創(chuàng)建的戒指和家具，到基于預(yù)期佩戴者的生物特征測量的眼鏡架和鞋墊。

　　增材制造的許多產(chǎn)品優(yōu)勢也轉(zhuǎn)化為更標(biāo)準(zhǔn)化的商品。增材制造支持持續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)和靈活的變化，使設(shè)計(jì)師可以更快地獲得更好的產(chǎn)品。其數(shù)字化流程允許制造商在給定產(chǎn)品上提供更多的變化，而無需對工具或其他基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行額外投資。

　　如上文“設(shè)計(jì)”部分所述，增材制造還可以實(shí)現(xiàn)支持更高效和可持續(xù)的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，例如電動(dòng)汽車。軟件驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和仿真支持功能更好的產(chǎn)品快速開發(fā)。零件不僅可以做得更輕，而且可以用更少的材料。

　　3D打印帶來的機(jī)遇

　　傳統(tǒng)的線性制造方法通常不會(huì)考慮產(chǎn)品生命周期的結(jié)束。商品售出和發(fā)貨后，制造商的承諾和監(jiān)督即告結(jié)束。從那里開始，由用戶來處理再利用或回收，或者更有可能是處置。但是丟棄不需要的產(chǎn)品很快變得不可持續(xù)。

　　例如，中國以前購買了世界上大部分的塑料垃圾，但現(xiàn)在正在拒絕這種進(jìn)口。來自美國的廢舊塑料正被轉(zhuǎn)移到其他東南亞國家，在那里可以回收（最好的情況）、焚燒、埋在垃圾填埋場或傾倒（最壞的情況）。

　　但是，對于任何產(chǎn)品、零件或材料，真正的循環(huán)經(jīng)濟(jì)不會(huì)讓這個(gè)問題懸而未決?？沙掷m(xù)性需要閉環(huán)，并為不需要的零件和商品提供途徑以將其轉(zhuǎn)化回原料，從而為未來的應(yīng)用保存材料。理想情況下，這種轉(zhuǎn)變不會(huì)降低材料的價(jià)值，并允許它以同等或更高的價(jià)值重生。

　　可以轉(zhuǎn)化回有機(jī)物質(zhì)的可堆肥材料提供了一種報(bào)廢場景，但再利用、再制造和回收商品是其他有效的選擇。3D打印材料（如細(xì)絲和粉末）可以說是用途最廣泛的原料，是不需要的工業(yè)廢料、消費(fèi)后廢物或使用壽命結(jié)束時(shí)的產(chǎn)品的有價(jià)值的再生材料。能夠回收其材料并將其轉(zhuǎn)化為印刷原料的制造商可以繼續(xù)可持續(xù)地制造，甚至可以找到新的收入途徑。

　　但3D打印不僅僅是回收材料的目的地；它還支持并啟用這種材料再生。上面討論的設(shè)計(jì)優(yōu)勢鼓勵(lì)產(chǎn)品使用更少的材料、依賴更少的組件和涉及更少的緊固件，所有這些特性使物體更容易回收。3D打印還支持包含QR碼和嵌入式傳感器等功能，這些功能可以保存有關(guān)產(chǎn)品材料構(gòu)成、使用歷史和使用壽命的信息，所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)都可以指示物品何時(shí)準(zhǔn)備好被回收，這一步如何應(yīng)執(zhí)行，以及可以回收的材料種類。

　　增材制造能夠在需要的地方和按需制造所需的東西，減少了必須重新捕獲的材料數(shù)量，從而節(jié)省了所需的資源。更多的定制、分布式和即時(shí)制造意味著更少的浪費(fèi)，并更好地利用系統(tǒng)中已有的材料。從長遠(yuǎn)來看，制造商在其產(chǎn)品的整個(gè)生命周期（從材料到生命周期結(jié)束）承擔(dān)責(zé)任的循環(huán)模式將導(dǎo)致更謹(jǐn)慎地使用資源，以及更可持續(xù)的生產(chǎn)和消費(fèi)系統(tǒng)。

　　可持續(xù)發(fā)展的時(shí)刻

　　在循環(huán)經(jīng)濟(jì)中制造意味著打破和重建所有地方的供應(yīng)鏈，這也是增材制造的要求。如果一家公司要顛覆其流程以追求更可持續(xù)的未來，就必須為新的制造方法、新的設(shè)計(jì)策略和新的思維方式敞開大門，這正是增材制造扎根和繁榮所需的環(huán)境。當(dāng)企業(yè)轉(zhuǎn)向循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式時(shí)，增材制造就是一種戰(zhàn)略優(yōu)勢。沒有其他制造方法能像增材制造那樣節(jié)省材料并降低組裝復(fù)雜性。沒有其他方法可以支持增材制造所具備的設(shè)計(jì)、制造和產(chǎn)品優(yōu)勢。沒有其他方法能如此強(qiáng)烈地鼓勵(lì)和實(shí)現(xiàn)增材制造所需的思維方式，而這將是使可持續(xù)的循環(huán)經(jīng)濟(jì)成為現(xiàn)實(shí)所必需的。

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