在過去10年中，增材制造（3D打?。┘夹g(shù)得到了持續(xù)發(fā)展并鞏固了其在私營(yíng)企業(yè)、學(xué)術(shù)界以及政府部門中的地位。2010-2019年間，增材制造行業(yè)經(jīng)歷了強(qiáng)勁的兩位數(shù)增長(zhǎng)。據(jù)Wohlers Report 2021顯示，10年間增材制造的年平均增長(zhǎng)率達(dá)27.4%。

對(duì)于許多公司的產(chǎn)品開發(fā)和制造來說，2020年都是頗有挑戰(zhàn)性的一年。即便如此，Wohlers公司估計(jì)2021年全球增材制造行業(yè)的增長(zhǎng)幅度將在7%-9%之間。預(yù)計(jì)到2022年，行業(yè)增長(zhǎng)將恢復(fù)到新冠肺炎疫情暴發(fā)前的同等水平。

在新冠肺炎疫情暴發(fā)后不久，全球供應(yīng)鏈崩潰，但增材制造技術(shù)的快速反應(yīng)能力表現(xiàn)不俗。例如，一些機(jī)構(gòu)組織采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)面罩、口罩、鼻拭子和呼吸機(jī)替換零部件。3D打印技術(shù)憑借其敏捷的反應(yīng)速度，不僅改善了醫(yī)療狀況還挽救了無數(shù)生命。

位于美國(guó)馬薩諸塞州沃特敦市的Markforged公司正在執(zhí)行一項(xiàng)名為DIAMOnD（鉆石）項(xiàng)目，其中一部分就是在密歇根州內(nèi)安裝300多臺(tái)擠壓成型3D打印機(jī)。該項(xiàng)目是為了應(yīng)對(duì)新冠肺炎疫情而由Automation Alley創(chuàng)建的，旨在提高制造業(yè)的響應(yīng)速度。Automation Alley是密歇根州一家致力于通過自動(dòng)化推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的非盈利機(jī)構(gòu)。Markforged公司構(gòu)建了一個(gè)3D打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)需要遠(yuǎn)程啟動(dòng)，生產(chǎn)個(gè)人防護(hù)裝備和其他物資。
新冠肺炎疫情造成的貿(mào)易中斷，對(duì)許多增材制造服務(wù)提供商以及機(jī)器、材料、軟件生產(chǎn)商造成了不利的影響。但據(jù)行業(yè)觀察者判斷，增材制造行業(yè)即將觸底反彈，因?yàn)橐呙缡谷藗兛梢园踩眯?，也給產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)提供了更好的支持。對(duì)于提供增材制造產(chǎn)品和服務(wù)的供應(yīng)商而言，以前被壓抑的市場(chǎng)需求有可能復(fù)蘇，給目前正經(jīng)歷困境的公司帶來轉(zhuǎn)機(jī)。

從概念到生產(chǎn)
在過去25年的時(shí)間里，3D打印已經(jīng)發(fā)展成為一種吸引人的迭代設(shè)計(jì)技術(shù)，并成功取代了許多公司昂貴且耗時(shí)的原型制造法。但增材制造技術(shù)常會(huì)用到一些不同于批量生產(chǎn)的機(jī)器和材料。在原型開發(fā)和正式制造中，使用相同的機(jī)器和材料可以創(chuàng)造利益，這會(huì)引發(fā)新的思考方式。

其中的一個(gè)例子是，位于美國(guó)增材制造服務(wù)提供商Avid Product Development公司與CGX公司達(dá)成了合作。CGX公司制造用于研究和臨床使用的腦電圖（EEG）設(shè)備。腦電圖耳機(jī)可以記錄大腦的電活動(dòng)。傳統(tǒng)的耳機(jī)安裝麻煩，戴起來也不舒服。在CGX，使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)這樣復(fù)雜的設(shè)備是個(gè)理想選擇，因?yàn)檫@種耳機(jī)每年產(chǎn)量少于1,000件，單件制造成本相對(duì)較高（至少2萬美元）。

為了生產(chǎn)CGX Quick-20r耳機(jī)，CGX公司反復(fù)開發(fā)、測(cè)試了許多設(shè)計(jì)，最終將80個(gè)獨(dú)特的零部件合并成了30個(gè)。這款產(chǎn)品配置了19個(gè)“貼片”，內(nèi)有腦電圖傳感器，與人的頭部接觸以捕捉其大腦活動(dòng)。使用增材制造技術(shù)后，可以將“貼片”自由調(diào)整到三個(gè)方向。如果不用此技術(shù)，需要組裝才能實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能，而現(xiàn)在只要采用數(shù)碼預(yù)組裝和3D打印就能實(shí)現(xiàn)。

位于美國(guó)加利福尼亞州帕洛阿爾托的惠普公司生產(chǎn)的Jet Fusion系統(tǒng)，被用于PA11（尼龍）的產(chǎn)品開發(fā)和零部件制造。CGX公司總裁Ira Friedman表示，如果使用注塑成型技術(shù)，需要200個(gè)單獨(dú)的零部件才能組裝出系統(tǒng)。而且加工這些零件還需要大量的預(yù)付資金。這樣看來，增材制造技術(shù)的確具有“先天優(yōu)勢(shì)”。

增材制造產(chǎn)品指出未來前景
已經(jīng)證明，3D打印是生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品、替換零件、按需制造以及大規(guī)模定制產(chǎn)品的理想選擇?，F(xiàn)在，有三家不同的鞋業(yè)公司都在致力于該技術(shù)的開發(fā)。它們是位于圣地亞哥的FitMyFoot公司，位于芬代爾市的Superfeet公司，以及位于澳大利亞溫莎的iOrthotics公司。

這些公司用3D技術(shù)掃描顧客的腳來定制鞋墊，采用數(shù)字技術(shù)調(diào)整鞋墊形狀，以實(shí)現(xiàn)鞋墊與腳的完美貼合。這項(xiàng)技術(shù)還適于更大型的應(yīng)用領(lǐng)域，比如位于美國(guó)舊金山的Supertrata公司，使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)適合客戶身材及騎行風(fēng)格的自行車。對(duì)于那些天生不是標(biāo)準(zhǔn)尺寸的消費(fèi)者來說，3D打印有助于為他們做到更適合自己的產(chǎn)品尺碼，增加產(chǎn)品的價(jià)值。

英國(guó)倫敦的勞斯萊斯汽車有限公司是寶馬集團(tuán)的一部分，正在為其“幻影”跑車制造金屬零部件。大多數(shù)金屬增材技術(shù)的產(chǎn)量都很小，但該公司表示，將為該車型生產(chǎn)數(shù)十萬個(gè)增材制造零部件。2020年6月，寶馬集團(tuán)在德國(guó)慕尼黑郊外的上施萊斯海姆開設(shè)了增材制造園區(qū)，迄今已產(chǎn)出超過30萬件精密的增材制造零部件。

在航空航天行業(yè)，位于美國(guó)丹佛的Boom Supersonic公司正在使用金屬增材制造技術(shù)為XB-1超音速飛機(jī)制造關(guān)鍵的飛行零部件。這款飛機(jī)零部件很復(fù)雜，產(chǎn)量也很低，所以選用增材制造技術(shù)是理想的。Boom Supersonic公司與Velo3D公司合作，為發(fā)動(dòng)機(jī)硬件、環(huán)境控制系統(tǒng)、甚至一些結(jié)構(gòu)零部件設(shè)計(jì)了21個(gè)零部件。這些復(fù)雜的零件必須能夠承受極端環(huán)境的考驗(yàn)，如果采用傳統(tǒng)制造方法，挑戰(zhàn)很大。

圖1：用于勞斯萊斯“幻影”跑車的量產(chǎn)的金屬增材制造零部件。這是《Wohlers Report 2021》中談到的一項(xiàng)應(yīng)用。

圖2：CGX Quick-20r腦電圖耳機(jī)配置了19個(gè)“貼片”，內(nèi)有腦電圖傳感器，與人的頭部接觸以捕捉其大腦活動(dòng)。使用增材制造技術(shù)，可以將“貼片”自由調(diào)整到三個(gè)方向。

2020年，位于美國(guó)亞利桑那州鳳凰城的霍尼韋爾航空航天公司獲得了美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）認(rèn)證，它的首個(gè)飛行關(guān)鍵級(jí)引擎零部件——達(dá)索獵鷹20G海上巡邏機(jī)上的ATF3-6渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的軸承座——是通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)的。這種發(fā)動(dòng)機(jī)在1960年就開始設(shè)計(jì)了，現(xiàn)在仍在使用的只有十幾臺(tái)。由于缺少可更換的零部件，維護(hù)工作具有挑戰(zhàn)性。增材制造技術(shù)正是這款發(fā)動(dòng)機(jī)零部件制造的理想選擇，因?yàn)樯a(chǎn)難度大，這么低的需求量又令其生產(chǎn)成本變得極為高昂。

位于美國(guó)加利福尼亞州圣何塞市的Sierra渦輪機(jī)公司利用增材制造技術(shù)制造了一種更高效的微型渦輪機(jī)，用于無人機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)。使用增材制造技術(shù)后，Sierra渦輪機(jī)公司就能以一個(gè)零件替代以往需要61個(gè)零件組裝的部件，并能在50小時(shí)內(nèi)打印出來。未來，Sierra渦輪機(jī)公司希望將此設(shè)計(jì)擴(kuò)展到商業(yè)客機(jī)的應(yīng)用上。

圖3：通過增材制造技術(shù)打印出的勞斯萊斯幻影跑車的一個(gè)零部件。

金屬增材制造技術(shù)在燃?xì)鉁u輪上的應(yīng)用正變得越來越普遍，因?yàn)樗乖O(shè)計(jì)更自由，重量更輕，性能更好。使用Velo 3D打印機(jī)以Hastelloy X合金打印而成的Aurelius Mk1核心機(jī)，大修的間隔時(shí)間增加了40倍，功率增加了10倍。

位于盧森堡公國(guó)盧森堡市的阿塞洛米塔爾鋼鐵和礦業(yè)公司，與位于荷蘭埃因霍芬市的Additive Industries公司合作，在有客戶需求的地方附近生產(chǎn)零部件。在2017年兩家公司合作之前，阿塞洛米塔爾公司只能生產(chǎn)小配件，但現(xiàn)在它能夠制造尺寸為420mm×420mm×400 mm的零件了。

在電力和能源領(lǐng)域，位于挪威特隆赫姆的SINTEF公司和挪威斯塔萬格的Equinor公司合作研發(fā)了Weldar，一種適用于零件修理的定向能量沉積系統(tǒng)，可用于海上鉆井，因?yàn)楹Ｋg會(huì)引發(fā)停產(chǎn)。該系統(tǒng)采用3D掃描技術(shù)有助于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)和維修零件，可以減少停機(jī)時(shí)間，使得現(xiàn)場(chǎng)庫存就能滿足零部件的更換需求。

位于法國(guó)巴黎的通用電氣可再生能源公司、位于丹麥哥本哈根的COBOD公司以及位于瑞士楚格市的LafargeHolcim公司，合作建造了一個(gè)更高的風(fēng)力渦輪機(jī)塔。由于道路限制，大多數(shù)商業(yè)風(fēng)力渦輪機(jī)塔無法超過100米。有了增材制造技術(shù)后，現(xiàn)場(chǎng)制造可以造出超過150米高的商業(yè)塔臺(tái)。更高的塔預(yù)計(jì)將使能源輸出增加30%。這展示了混凝土3D打印技術(shù)的潛力可能不僅局限于建筑墻壁。

圖4：通用電氣可再生能源公司、COBOD公司以及LafargeHolcim公司一起合作，通過增材制造技術(shù)建造了這座風(fēng)輪機(jī)原型塔。

圖5：Nano Dimension公司生產(chǎn)的高性能電子設(shè)備是專為增材制造工藝設(shè)計(jì)的。這種工藝能令高性能電子設(shè)備展現(xiàn)更好的性能，并呈現(xiàn)傳統(tǒng)電子制造不可能的效果。此處展示的高性能電子設(shè)備圖是集成電路的三維垂直疊加。

投資比比皆是
在過去幾年中，增材制造行業(yè)的投資已經(jīng)從數(shù)百萬美元增長(zhǎng)到數(shù)千萬或數(shù)億美元，代表了該行業(yè)的創(chuàng)新潛力。位于美國(guó)馬里蘭州蓋瑟斯堡的Xometry公司就是個(gè)好例子：它是一家按需生產(chǎn)工業(yè)零件的市場(chǎng)導(dǎo)向型公司，自2013年成立以來已經(jīng)籌集了超過1.93億美元，包括2020年用于開發(fā)公司軟件平臺(tái)的7500萬美元。目前，Xometry公司擁有超過5,000個(gè)合作伙伴，他們致力于增材制造工藝以及其他制造工藝。

位于以色列耐斯茲敖那市的Nano Dimension公司，2021年1月在特拉維夫證券交易所和納斯達(dá)克上市，融資3.33億美元。公司生產(chǎn)電子產(chǎn)品，包括印刷電路板，自2020年第四季度以來籌集的資金總額接近10億美元。
2020年12月，位于馬薩諸塞州伯靈頓的桌面金屬公司（Desktop metal）與位于紐約市的Trine Acquisition公司完成了合并。合并后，桌面金屬公司進(jìn)行了首次股票公開發(fā)行，在紐約證券交易所交易。作為交易的一部分，桌面金屬公司從Trine以及其他投資者處獲得了額外的5.75億美元。更令人印象深刻的是，該公司市值在2021年2月達(dá)到了76億美元。桌面金屬公司出售3D打印機(jī)的金屬零部件以及復(fù)合材料零部件。

除了投資和公開募股，在這個(gè)行業(yè)領(lǐng)域還出現(xiàn)了幾起并購。例如，2021年1月桌面金屬公司宣布以3億美元收購了德國(guó)格萊德貝克的EnvisionTEC公司。同月，美國(guó)明尼蘇達(dá)州Maple Plain的Protolabs公司同意以2.8億美元收購荷蘭阿姆斯特丹的3D hub公司。

增材制造設(shè)計(jì)涉及一系列技術(shù)，可以將增材制造技術(shù)在生產(chǎn)應(yīng)用中的價(jià)值最大化。在做使用增材制造技術(shù)的商業(yè)案例時(shí)，增材制造設(shè)計(jì)的介入很可能帶來不同的效果。將增材制造技術(shù)成功用于生產(chǎn)領(lǐng)域的公司們都了解增材制造設(shè)計(jì)的價(jià)值。

他們理解設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，存在通過使用拓?fù)鋬?yōu)化和晶格結(jié)構(gòu)來加固零部件、減少材料及重量的需求。使用增材制造設(shè)計(jì)，減少使用支撐材料，可以減少構(gòu)建及后處理增材制造零部件的時(shí)間和成本。但是，大多數(shù)公司并不了解增材制造設(shè)計(jì)。

Wohlers公司進(jìn)行了諸多調(diào)查，發(fā)表了一份26年來增材制造行業(yè)的研究報(bào)告。報(bào)告顯示，增材制造零部件的預(yù)處理和后處理成本占其總成本的40%以上。通過增材制造設(shè)計(jì)的應(yīng)用以及后處理自動(dòng)化方法，可以顯著降低這些成本。位于德國(guó)普拉內(nèi)格的DyeMansion公司以及位于德國(guó)奧格斯堡的Solukon公司，正在開發(fā)自動(dòng)化解決方案，以削減昂貴的勞動(dòng)力人數(shù)。

即使對(duì)于大型公司，工業(yè)級(jí)增材制造的成本仍是一大壓力。據(jù)Wohlers 發(fā)布的2020行業(yè)報(bào)告顯示，生產(chǎn)金屬零部件的增材制造機(jī)器的價(jià)格從10萬美元到500萬美元不等，平均售價(jià)為467,635美元。這樣的價(jià)格阻礙了增材制造機(jī)器普及的速度。

相比大批量生產(chǎn)，材料價(jià)格也是在選擇增材制造技術(shù)時(shí)必須考量的一個(gè)因素。增材制造材料的成本是傳統(tǒng)制造類似材料的10-100倍。隨著越來越多的公司將增材制造技術(shù)投入大規(guī)模生產(chǎn)，總體產(chǎn)量將會(huì)增加，價(jià)格可能會(huì)下降。但這可能需要數(shù)年的時(shí)間。對(duì)于許多應(yīng)用領(lǐng)域來說，材料成本不會(huì)阻礙他們使用增材制造原型和低量生產(chǎn)。

用于3D打印的新材料正在不斷被商業(yè)化，但與傳統(tǒng)制造的材料相比，數(shù)量仍然微不足道。針對(duì)每個(gè)增材系統(tǒng)，通常只有少數(shù)材料可用，這就使得為某種特定的生產(chǎn)應(yīng)用采用某種增材制造技術(shù)變得更具有挑戰(zhàn)性。

3D打印不是一個(gè)按一下鍵就能搞定的技術(shù)。對(duì)于增材制造在航空航天、汽車、醫(yī)療及其他領(lǐng)域的發(fā)展，機(jī)器和操作人員可以進(jìn)行可重復(fù)的流程是至關(guān)重要的。為了得到廣泛應(yīng)用，必須克服這種質(zhì)量挑戰(zhàn)，這樣各家機(jī)構(gòu)才有可能在世界各地的機(jī)器上產(chǎn)出相同的零部件。