工業(yè)3D打印技術(shù)正在從原型設(shè)計(jì)向大批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。使用3D打印進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)能通過消除傳統(tǒng)加工方法，縮短原型和零部件的交貨時(shí)間，從而大大加快上市時(shí)間。據(jù)MarketsandMarkets報(bào)告顯示，到2026年，全球工業(yè)3D打印市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)52億美元，預(yù)測(cè)期內(nèi)復(fù)合年增長(zhǎng)率為20.0%。

　　大批量生產(chǎn)時(shí)代的到來

　　目前，3D打印被認(rèn)為是一種適合中小批量生產(chǎn)的技術(shù)，然而，利用3D打印進(jìn)行大批量生產(chǎn)的機(jī)會(huì)預(yù)計(jì)將在未來出現(xiàn)。大批量增材制造（AM）是指使用3D打印系統(tǒng)和工藝進(jìn)行產(chǎn)量低于100萬件的生產(chǎn)，其優(yōu)勢(shì)在于它能夠支持大量的產(chǎn)品組合。通過消除模具，單個(gè)3D打印系統(tǒng)和工藝能夠批量制造出大量不同設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的行業(yè)中，上市時(shí)間是決定品牌成功的決定性因素，使用3D打印的大規(guī)模生產(chǎn)可以通過消除傳統(tǒng)的加工方法，縮短原型和零部件的交貨時(shí)間，從而大大縮短上市時(shí)間。

　　從技術(shù)角度而言，用于3D打印批量制造的關(guān)鍵技術(shù)之一是金屬粘結(jié)劑噴射。該技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)高打印速度并利用低成本的注塑金屬開發(fā)高精度組件。自2019年以來，伴隨著金屬研發(fā)的進(jìn)步，粘結(jié)劑噴射3D打印機(jī)已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂猩a(chǎn)能力的機(jī)器。

　　例如，ExOne在2019年推出了新的X1 160PRO金屬3D打印機(jī)，用于大批量生產(chǎn)，并在2020年底投入商業(yè)使用。同期，Desktop Metal也推出了Shop System，這是其生產(chǎn)系統(tǒng)的一個(gè)機(jī)器車間友好版本。此外，作為增材制造的粉末材料用戶，GE提供了適合大批量，低成本零件生產(chǎn)的beta粘結(jié)劑噴射機(jī)。這臺(tái)機(jī)器當(dāng)前正被部署在其戰(zhàn)略合作伙伴?大型發(fā)電設(shè)備制造商康明斯的工廠車間。

　　目前在行業(yè)中，部分大企業(yè)使用3D打印技術(shù)來提高產(chǎn)量的案例有GE（噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、醫(yī)療設(shè)備和家用電器部件）、洛克希德馬?。↙ockheed Martin）和波音公司（飛機(jī)和國(guó)防部件）、Aurora Flight Sciences（無人機(jī)）、Invisalign公司（牙科工具）、谷歌公司（消費(fèi)電子產(chǎn)品）以及LUXeXcel公司（發(fā)光二極管透鏡）等。

　　此外，通過使用聚合物3D打印，還能夠以更快的速度實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。例如，立體光刻（SLA）3D打印技術(shù)被越來越多地采用，因?yàn)樗軌蛲ㄟ^各種先進(jìn)材料生產(chǎn)具有高精度、各向同性和水密性的原型和零件，且具有出色的功能和光滑的表面處理。SLA 3D打印機(jī)的能力不僅僅是原型設(shè)計(jì)，通過適當(dāng)?shù)墓芾砗蛨?zhí)行，價(jià)格合理的內(nèi)部桌面打印機(jī)也可用于大規(guī)模生產(chǎn)。2019年，惠普（HP）展示了由牙科公司Smile Direct Club 3D打印的超過100萬個(gè)零件的使用案例。同樣，3D Systems公司的機(jī)器也在為AlignTechnology公司生產(chǎn)大量零件。預(yù)計(jì)未來幾年，其他行業(yè)還會(huì)出現(xiàn)更多類似的案例。

　　同時(shí)，不可忽視的是，3D打印機(jī)還是工業(yè)4.0的重要組成部分之一。隨著智能制造技術(shù)在世界范圍內(nèi)的蔓延，全球領(lǐng)先的企業(yè)和咨詢公司正加大投入以獲取3D打印知識(shí)，并增強(qiáng)在工業(yè)4.0趨勢(shì)中為客戶提供建議和加入工業(yè)4.0的能力，徹底改變供應(yīng)鏈、產(chǎn)品組合和商業(yè)模式。由此，3D打印和工業(yè)4.0正在全球范圍內(nèi)通過多項(xiàng)舉措得到推廣，例如DFactory BCN是由巴塞羅那自由貿(mào)易區(qū)聯(lián)盟（CZFB）發(fā)起的一項(xiàng)倡議，旨在成為南歐最大的工業(yè)4.0中心，而3D打印是其中重要內(nèi)容；歐洲首家3D打印高科技孵化器3D Factory Incubator，已經(jīng)擁有50多家專注于增材制造的企業(yè)；美國(guó)密歇根州的DIAMOnD項(xiàng)目旨在幫助制造業(yè)企業(yè)引入工業(yè)4.0。

　　技術(shù)的成熟，3D打印提供的廣泛可能性以及各機(jī)構(gòu)的高度重視下，增材制造有望在未來成為多個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)。

　　高昂的環(huán)境成本劣勢(shì)

　　既然3D打印如此有用，為什么還沒有在工業(yè)中被廣泛部署呢？因?yàn)橘?gòu)買工業(yè)3D打印機(jī)對(duì)一家公司而言，可能是一筆高額支出。例如，一臺(tái)金屬熔融沉積成型（FDM）打印機(jī)的成本約為10萬美元，而一臺(tái)SLM打印機(jī)的成本約為20萬美元。此外，它往往還涉及投資雇用人員來安裝軟件、提供維護(hù)以及購(gòu)買和安裝材料等方面的費(fèi)用。其固定成本，如與3D打印機(jī)、服務(wù)合同、安裝和維護(hù)相關(guān)的成本，共同增加了總設(shè)備使用成本。無論3D打印機(jī)是閑置還是每周生產(chǎn)幾十個(gè)零件，這些費(fèi)用都會(huì)產(chǎn)生。

　　制造零件所需的原始3D打印材料和其他耗材的價(jià)格也各不相同。3D打印機(jī)中使用的金屬粉末價(jià)格昂貴，成本高昂，尤其是用于制造大型物品時(shí)。此外，增材制造的設(shè)置可能需要重新配置整體操作，終端用戶也關(guān)注與3D打印物品的預(yù)處理和后處理相關(guān)的成本。根據(jù)3D打印工藝的不同，后處理工作流程也有所不同，但在大多數(shù)情況下包括清潔零件和去除支撐或多余材料。例如，F(xiàn)DM零件需要長(zhǎng)時(shí)間的手動(dòng)后處理，以提高質(zhì)量和去除層線。

　　除了成本以外，環(huán)境和能源也是不可忽略的因素。塑料長(zhǎng)絲是一種廣泛用于3D打印的材料，雖然它成本相對(duì)較低，但其產(chǎn)生的廢料最終會(huì)被填埋。3D打印的廣泛使用可能會(huì)產(chǎn)生大量廢料，從而影響環(huán)境。能源使用方面，在制作相同重量的物品時(shí)，3D打印機(jī)消耗的電能大約是傳統(tǒng)注塑成型的50-100倍左右。此外，直接激光金屬沉積法的用電量是傳統(tǒng)鑄造機(jī)的100多倍。這也要求工業(yè)應(yīng)用的3D打印機(jī)必須配備排氣通風(fēng)或過濾配件，并在通風(fēng)良好的環(huán)境中使用。

　　3D打印工業(yè)市場(chǎng)應(yīng)用

　　盡管3D打印的應(yīng)用存在諸多瓶頸，但是仍有眾多領(lǐng)域孜孜不倦地攻克技術(shù)壁壘，其中尤以航空航天工業(yè)為盛。航空航天和國(guó)防領(lǐng)域中的工業(yè)3D打印主要用于商業(yè)、工業(yè)和軍事應(yīng)用，該領(lǐng)域在制造零件和原型設(shè)計(jì)的3D打印技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。該行業(yè)人士更喜歡3D打印的原因，是因?yàn)樗兄跍p少供應(yīng)鏈約束和材料浪費(fèi)，并且所需的倉(cāng)庫(kù)空間有限。3D打印技術(shù)能夠快速生產(chǎn)飛機(jī)零部件，為飛機(jī)制造企業(yè)節(jié)省大量的空間、時(shí)間和資金。

　　美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、波音（Boeing）和空中客車（Airbus）是利用3D打印來解決復(fù)雜工程問題和制造專用零件的主要企業(yè)。據(jù)預(yù)測(cè)，隨著金屬3D打印技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)飛機(jī)和飛船制造商，將來也會(huì)使用定制合金和高端輕量化熱塑性塑料的增材制造方法來進(jìn)行相關(guān)部件的制造。

　　從MarketsandMarkets報(bào)告數(shù)據(jù)來看，目前北美市場(chǎng)占據(jù)著全球工業(yè)3D打印市場(chǎng)的主要份額。這主要得益于一些成熟的市場(chǎng)參與者，如Stratasys、3D Systems、GEAdditive、ExOne、Protolabs和惠普（HP）等為該地區(qū)市場(chǎng)的增長(zhǎng)做出了貢獻(xiàn)。其次，還包括一些關(guān)鍵行業(yè)選擇3D打印技術(shù)來使用新的材料、形狀和結(jié)構(gòu)組合開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品；降低小批量制造的生產(chǎn)成本；實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)并減少材料浪費(fèi)等因素的影響。最后，航空航天和國(guó)防以及汽車行業(yè)是該地區(qū)工業(yè)3D打印的主要終端應(yīng)用行業(yè)。航空航天和國(guó)防工業(yè)對(duì)高強(qiáng)度和輕量化零件的需求以及電動(dòng)汽車產(chǎn)量的增加進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)3D打印金屬零件的需求。

　　對(duì)高性能金屬的需求不斷增長(zhǎng)，3D打印金屬零件的應(yīng)用不斷增加，以及基于3D打印技術(shù)的產(chǎn)品被大量使用和制造，推動(dòng)了北美工業(yè)3D打印市場(chǎng)的增長(zhǎng)。

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