增材制造是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术,以数字化模型文件为基础,通过软件与数控系统将特制材料逐层堆积固化,制造出实体产品的制造技术。它与传统的、对原材料进行切削、组装的加工模式不同,是通过材料累加的原理,从无到有地品。这使得过去受到传统加工方式的约束,而无法实现的复杂结构制造变为可能。这将大大简化产品设计,提高零部件的集成度,加快产品开发周期。
第一,新的生产模式。作为一种“无需工具”的数字化制造技术,增材制造将有可能改变某些产品的生产模式,给企业和消费者带来巨大的经济和社会效益。目前大型工厂的生产需要众多的机器、大量专业设计与加工技术人员才能实现。而对于增材制造来说,设计师将不需在工厂工作,在家中就可以把设计好的数字化文件发送到网络上,客户通过文件下载,利用3D打印机制造出符合需求的产品。这将实现生产模式的根本变革,从传统制造业的批量化、规模化、标准化制造转变为定制化、个性化、分布式制造。
第二,新的设计理念。由于增材制造技术是通过层层堆积的方式来进行生产,可以制造出形状高度复杂的产品。这使得过去受到传统加工方式的约束,而无法实现的复杂结构制造变为可能。这将大大简化产品设计,提高零部件的集成度,加快产品开发周期。例如对于航空航天领域来说,可以通过优化产品的几何形状来降低零部件重量,以此改进强度-重量比,降低燃料消耗。还可以通过多种材料局部区域的组分调节,实现单一零件的多功能化(即零件的不同部位实现不同的力学性能),以满足实际需求。同时,由于不涉及熔炼、锻造、机加工等工序,增材制造可以使产品的研发周期缩短了30%~50%,明显缩短产品的开发成本与周期。
第三,新的商业模式。随着数字技术的发展,增材制造与互联网结合起来还将使得消费者直接参与到产品生命周期当中,从最初的设计过程、到生产制造、再到后期产品的维修,并借助网络实现数字化文件的共享和交易。这大大规避了传统制造业和零售业的价值链,刺激了新的产品设计模式、销售商业模式和供应链管理模式的产生,使相关企业受益(图4)。消费者的参与一方面将大幅度提升企业的创新能力与研发实力,使创新边界得以延伸,另一方面使产品更容易适应市场需求,降低业务风险。
第四,实现个性化产品制造。由于具有“自由设计”和“无需工具”的优点,增材制造将使得商业化个性制造成为可能,从运用X线电子计算机断层扫描(CT)和核磁共振成像(MRI)扫描数据打印出百分百符合患者需求的植入物,到个性化的消费品如鞋子、珠宝和家庭用品。随着科技的进一步发展,利用增材制造技术还可以直接打印活体组织,制造出符合人体需求的人工器官,实现人工器官的再造将给现代医学带来一次革命性的变革。
第五,顺应绿色经济发展模式。相对于利用切削机床对毛坯进行加工的“减材制造”,增材制造减少了原材料的使用量,降低了对自然资源和环境的压力。此外,增材制造还可大大压缩供应链,使得传统的离岸经济模式得以改变。它将允许在靠近消费区域的地点进行同步生产,实现分布式制造。这将显著地削减将量产商品从生产地运送到消费地所消耗的大量能源,对当地经济、环境和消费者都颇具益处。
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