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麥肯錫發布增材制造成為主流制造技術的指導(轉)

 閱讀次數:922     發布時間:2022-03-25

根據3D科學谷的市場觀察,近日,麥肯錫發布了一份有關增材制造發展主流化的文件《The mainstreaming of additive manufacturing》討論經過40年的發展,增材制造如何從小眾的技術實現超越。

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不容小覷的3D打印


內在價值創造推動走向主流


根據麥肯錫,與傳統的生產方法相比,增材制造技術提供了四種潛在的價值來源。

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首先,增材制造生成幾乎任何 3D 形狀,這種能力使設計人員能夠自由地創建性能比傳統替代品更好或成本更低的零件。例如,空中客車公司生產的增材制造鈦支架比其前身輕 30%,而不會影響性能或耐用性。


其次,無需模具或固定工裝,一臺3D打印設備生產的每個零件都可以是獨一無二的,為大規模定制鋪平了道路。一個典型的案例是測試設備制造商 Vectoflow 使用 AM-增材制造技術(3D打印)生產用于流體流量測量應用的定制探頭。其微激光燒結工藝可實現緊湊和復雜的設計,并具有流線型形狀,以最大限度地減少對被測流量的影響。探頭采用多種材料制造,以適應所需的操作環境,包括不銹鋼、鈦和各種超合金。


第三,消除耗時的模具制造可加速產品開發和生產,從而縮短產品上市時間。最新的阿麗亞娜 6 號火箭中使用的復雜燃料噴射器頭是作為單件整體鎳基合金零件增材制造的。該零件先前通過傳統方式來制造則需要由 248 個單獨加工的部件焊接在一起。


最后,AM-增材制造可以簡化現場產品的維護和支持,通過啟用數字文件按需生產項目來減少對備件庫存的需求。例如,汽車制造商梅賽德斯-奔馳現在使用 AM-增材制造技術為其經典車輛生產備件。


根據麥肯錫對增材制造行業的分析表明,3D打印-增材制造行業已經發展到 134 億歐元,年增長率為 22%。3D打印-增材制造行業非常活躍,有 200 多家參與企業競相開發新的硬件、軟件和材料。


克服技術瓶頸推動走向主流


快速創新正在推動增材制造技術性能的重大改進,最新一代的3D打印正在克服其上一代設備的許多感知限制,例如允許生產懸垂部件而不需要復雜的3D打印支撐結構,或者通過使用磁場控制纖維增強物的對齊來制造更堅固的部件。此外,可用于增材制造系統的材料范圍不斷擴大,包括高強度鋁合金和醫療級塑料材料。


AM-增材制造(3D打印)系統也變得越來越快。例如,最近基于選擇性激光燒結 (SLS) 的系統使用多達一百萬個激光二極管來加速零件的生產。


另一方面,軟件和后處理技術的改進正在進一步簡化從概念到成品組件的端到端的過程。3D打印-增材制造技術與創成式設計非常匹配,后者使用人工智能技術來定義和優化零件的幾何形狀。

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在許多領域,AM-增材制造(3D打印)技術已被廣泛接受為在產品開發和測試期間生產功能原型的最快、最具成本效益的方法。增材制造技術也被應用于越來越多的“間接”應用,包括用于傳統制造機器的模具、備件和夾具。


準備好迎接黃金發展期


然而,盡管有些公司已經涉足使用增材制造直接制造最終產品,但目前增材制造的大規模采用仍然有限。制造商列舉了使用增材制造的四個重大障礙:


硬件:大多數增材制造機器的低速和有限的構建體積限制了可能的應用范圍。事實證明,低效率和尺寸限制很難集成到生產工作流程中。自動化的工業增材制造生產單元需要用戶結合來自不同供應商的制造、后處理和材料處理設備。


軟件:增材制造設備通常依賴于供應商特定的控制軟件,不同機器之間或與更廣泛工廠中使用的設備和生產控制系統之間的集成有限。這使得實現穩定的質量和穩定的生產力所需的技術和訣竅是很難獲得的。


材料:今天即使是普通的工程材料當以適合用 AM增材制造設備加工的形式提供時,價格要貴得多。例如塑料必須專門為增材制造機器開發,這是一個耗時且復雜的過程。并且將金屬合金轉化為適用于增材制造機器的粉末形式所需的額外加工大大增加了金屬材料的成本。此外,沒有足夠的可用增材制造材料,尤其是塑料,缺乏足夠的已獲得關鍵最終用途應用全面認證的材料。


服務:工業用戶抱怨設備供應商目前沒有提供超出安裝和調試設備所需的高級技術支持。例如,用戶希望獲得更多幫助來改進組件設計以適應特定的制造流程,或者在生產開始后找到提高機器質量、可靠性和生產力的方法。


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雖然公司已經涉足使用增材制造直接制造最終產品,但該方法的大規模采用仍然有限。


最后,制造商努力弄清楚增材制造將如何使他們受益。設計工程師通常對增材制造系統的功能或如何為增材制造進行設計的知識有限。簡單地將現有組件從傳統制造切換到增材制造工藝很少有優勢。相反,當利用增材制造的獨特功能時,好處就會顯現出來,例如將多個特征組合到一個組件中,以減少裝配中的零件總數或消除對后續制造或工藝步驟的需求。


如今,工業規模增材制造安裝的風險都由最終用戶承擔。而這些障礙可能使構建使用增材制造技術直接制造的商業案例變得極其困難。克服這些障礙是整個行業的挑戰,例如,3D打印設備制造商可以進一步提高速度、端到端自動化以及與現有制造系統的集成,而材料供應商可以解決有關認證、可用性和成本的問題。


然而,雄心勃勃的制造商無需等待增材制造行業完成所有工作。盡管存在這些限制,一些工業用戶在使用增材制造直接生產方面取得了重大進展,并在此過程中不斷發展知識和能力,從而隨著行業的發展取得明顯的競爭優勢。


醫學奇跡


醫療器械行業是通過3D打印-增材制造成功超越這些感知限制的杰出行業。現在,增材制造技術被常規和大規模應用以生產各種產品,包括假肢和植入物、手術導板以及用于術前計劃或患者教育的解剖模型(圖表 1)。

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制藥和醫療器械行業在使用增材制造進行大規模直接生產方面處于領先地位。


這些應用之所以成功,是因為它們是高度定制化、高價值的應用,可為患者和臨床醫生帶來傳統制造技術無法比擬的好處。例如,外科醫生無需花時間剃骨或塑造標準的骨科植入物,只需安裝一個定制設備,以匹配個體患者的形態。 


AM-增材制造甚至正在制藥領域進行探索,使用 3D 打印技術生產具有定制藥物劑量和釋放特性的藥品。根據3D科學谷的市場了解,2021年10月,三迭紀發布2.0時代開放戰略,通過開放技術資源,建立與全球藥企和上下游供應商的廣泛合作,實現3D打印藥物技術的商業化。


AM-增材制造卓越藍圖


與此同時,其他行業的很多制造商還無法利用 AM-增材制造的優勢,除非他們對 AM-增材制造技術采取更全面的方法。這通常需要他們開發新穎的產品設計、制造流程和商業模式。醫療器械行業的經驗表明這是可以做到的。


圖表 2 描述了一個可以幫助公司從零開始開發增材制造能力的框架。旨在最大程度地降低風險并保持對前期投資的要求較低,同時仍然支持組織從最初的增材制造體驗到大規模應用。

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這種方法的核心是“AM-增材制造能力中心”,將組織的 AM-增材制造工作整合到一個地方,并作為能力、知識和最佳實踐的存儲庫。


一開始,這個“AM-增材制造能力中心”可以是一個小型、敬業的團隊,但理想情況下應該是面向外部的,與外部合作伙伴合作發展知識和關系,并與整個組織的工程師和其他利益相關者分享所學知識。

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在能力中心的帶領下,原型零件的生產是最常見的增材制造起點,此外裝配夾具的制造有助于在生產工程師和車間工作人員中激發興趣。


隨著對增材制造技術的了解加深,“AM-增材制造能力中心”可以開始尋找更系統地應用增材制造技術的機會。這可以通過確定AM-增材制造可以提供幫助的價值鏈中的關鍵點來實現,例如消除廢料、簡化裝配、減少庫存或改進下一代產品。


為了在保持投資水平可控的同時探索這些機會,企業可以采用協作方式。通過建立一個小型合作伙伴生態系統,例如采用外部增材制造服務提供商的服務或與外部研發機構合作,企業可以獲得嘗試不同方法和技術所需的能力和專業知識。


同時,企業領導者可以密切關注未來應用達到真正規模的機會。例如,在受監管的行業中,對有前景的材料、設計方法和技術進行早期認證可以通過消除潛在的采用瓶頸來建立競爭優勢。


隨著將最有前途的增材制造應用程序投入生產,企業進入了增材制造核心能力構建和轉移階段。例如,為了更快地識別更多潛在應用,企業可以將他們不斷增長的增材制造知識編入設計工具中。這些可能包括總擁有成本 (TCO) 模型,可以輕松量化企業內常見應用程序轉向增材制造的成本和收益。同時,組織可以加強與生態系統合作伙伴的合作,以根據需要轉移知識,并開始獲取內部生產增材制造零件所需的硬件。


一旦獲得了使用增材制造直接生產的一些經驗,組織就可以進入規模和擴大應用階段,將增材制造完全納入其制造技術組合。這一階段通常涉及對額外生產能力的投資、設計和生產控制標準流程的開發,以及工程師和操作員的進一步技能培養。


總之,在作為一個小玩家幾十年后,3D打印-增材制造正處于明星的風口浪尖,這是不容小覷的技術。更快的機器、更好的材料和更智能的軟件正在幫助使 AM-增材制造成為許多現實世界生產應用程序的現實解決方案。隨著技術壁壘的降低,3D打印設備制造商有責任提高對這些快速發展的技術的理解,建立使增材制造在工業世界中大放異彩所需的技能、流程和商業模式。


本文轉自 3D科學谷

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