增材制造需要解决的 8 个挑战才能实现生产

自快速原型制作时代以来，增材制造已经走过了漫长的道路。自 80 年代出现以来，3D 打印技术已经找到了创新应用，并有助于降低生产成本和交货时间、提高产品性能并使大规模定制成为可行。然而，在大规模生产方面，增材制造面临着关键挑战。在本文中，我们概述了该行业面临的 8 大挑战，以及为解决这些挑战而采取的措施。

1.确定商业案例

为增材制造制定商业案例是许多公司面临的挑战，尤其是起步成本高。增材制造的长期经济效益是显而易见的，包括：

• 降低工具成本
• 能够经济高效地生产复杂的几何形状
• 经济高效的定制

然而，事实仍然是需要对该技术进行前期投资——从硬件到材料，再到潜在的后处理设备。

对于那些寻求金属 3D 打印的人来说，例如，金属 AM 机器的成本很容易超过 100,000 美元，这还不包括材料和后处理设备的成本。

因此，将 AM 集成到现有制造工作流程中似乎很难证明其合理性。 AM 的投资回报必须等于或超过其他可用的生产方法，正如 HP Metal Jet 全球主管 Tim Weber 解释的那样：

“3D 打印机制造商必须拥有卓越的经济性，使我们能够参与竞争，而不是与其他增材制造公司合作，而是使用熔模铸造、金属注射成型和 CNC 等传统方法。”

但是，可以并且已经采取了许多步骤来解决这个问题。

一个低门槛是获得 3D 打印服务机构的服务，并利用他们的专业知识为您的企业确定最相关的 3D 打印应用程序。

除了确定 3D 打印将成为资产的领域外，制造商还应评估成本，以了解 3D 打印还是传统方法（注塑成型、CNC 加工等）是否最适合特定应用.

另一方面，随着行业的成熟，预计机器、材料和运营成本会降低。这些发展将及时促进 AM 向批量生产的过渡。

2.产量

为了支持批量生产所需的大批量（和较短的交货时间），增材制造工作流程必须既快速又可扩展。目前，大多数 AM 系统缺乏大规模生产所需的速度，尤其是与传统制造方法相比时。

虽然 AM 硬件制造商正在开发更快的系统来解决这个问题，但每个零件的打印时间只是难题的一部分。所有预处理和后处理步骤也决定了潜在的吞吐量，也必须考虑在内。

例如，后处理是一个关键瓶颈。几乎所有 3D 打印部件都需要某种类型的后处理，这占整个生产过程的 30-60%。寻找自动化后处理阶段的方法将是必要的——像 PostProcess Technologies 这样的公司已经提出了后处理解决方案。

因此，缩短增材制造时间、自动化增材制造工作流程的每个阶段以及最小化后处理步骤是将增材制造扩展到更大规模操作所需的关键步骤。

3.重复性

不能低估批量生产时对可重复性的需求。然而，始终如一地生产可靠的零件是 AM 面临的一个持续挑战。例如，使用相同的设置仍然会导致生产相同零件的差异。

可能影响最终零件质量的因素列表很长，包括：构建平台内的零件方向、机器校准、材料质量以及如何从构建中移除零件。

必须严格定义和控制流程中涉及的所有流程变量，以确保每次都能成功打印，这是不小的壮举。

好消息是，该行业正在采取措施实现可预测和可重复的增材制造。例如，增材制造系统制造商正在开发配备过程监控和闭环反馈控制系统的新机器，以更好地控制制造过程。

4.材料可用性

自旧的专有细丝以来，材料开发已经走过了漫长的道路。目前，3D 打印技术可用于多种材料，包括金属、陶瓷、聚合物和复合材料。

然而，合适材料的可用性仍然是使用增材制造作为生产方法的最大障碍之一。材料多样性是有限的，只有相对较少的兼容材料可用。

造成这种情况的一个原因在于许多 3D 可打印材料的专有性质。虽然使材料专有可以帮助公司建立垄断地位，但它迫使客户直接从他们的 3D 打印机制造商那里购买材料。

认证增材制造材料是第二个障碍。需要认证以确保 AM 材料符合与传统方法相同的标准，并且可能是一个耗时、昂贵的过程。

也就是说，AM 材料市场正在迅速发展，绝大多数制造商现在对第三方开发新材料持开放态度。一些公司，如 Ultimaker 和 HP，正在积极采用开放平台方法，与一些最大的材料供应商合作。反过来，这些发展将推动更快的材料创新。

在最近接受 AMFG 采访时，Ultimaker 总裁 John Kawola 说：“过去，大多数 3D 打印技术仅限于少数材料，主要用于原型制作。该领域最大的公司，如 3D Systems、EOS 和 Stratasys，并没有数百名材料科学家在职——他们有一些并为各自的平台开发了材料。

“但是，一旦你为大型塑料公司提供了参与的激励，他们就会将他们所有的集体智慧带入市场，我认为这对每个人都有帮助。”

5.安全

对于希望采用增材制造的公司来说，安全性正日益成为一个关键问题。

与其他数字工业 4.0 技术一样，3D 打印容易受到安全风险和网络攻击。例如，数据被盗或篡改的可能性可能会损害公司的知识产权。

随着包括虚拟库存和分散式按需生产在内的新商业模式不断受到关注，安全性将变得尤为重要。然而，达到这一阶段将需要开发量身定制的解决方案，以确保整个 AM 生态系统的安全和 IP 保护。

截至目前，此类解决方案还处于采用的早期阶段。 AMFG 和 LEO Lane 等公司正在建立战略合作伙伴关系。其他人正在申请专利并启动将区块链等安全技术应用于增材制造的举措。

解决数字线程安全问题不仅会提高人们对 3D 打印作为生产技术的信心，而且在整个供应链中实现更高的可追溯性。

6.标准化

缺乏一套全面的增材制造标准仍然是该技术成为主流的主要障碍之一。

在航空航天与国防、医疗和汽车等高度管制的行业中，用于最终用途的 3D 打印部件必须满足严格的要求。认证和标准化将是建立这种信心和建立健全的认证方法的关键。目前，许多现有的制造指南仅适用于传统的制造方法，需要为 AM 开发或调整新的标准。

然而，增材制造标准化之路任重而道远。幸运的是，一些最大的标准制定组织，如 ISO 和 ASTM International，已经开始制定全行业标准的过程。

在他们的努力下，已通过的标准超过25项，另有19项正在制定中（截至2018年底）。 ASTM International 还大量投资于以 AM 为重点的研究项目，希望弥合研发、标准化和更广泛的行业商业化之间的差距。

7.培训

或许采用 AM 的最大障碍是当前的技能差距。德勤 (Deloitte) 2016 年的一份报告得出结论，十分之九的制造商都在努力招聘具有合适技能的工人。因此，技能短缺是整个制造业面临的问题。

像增材制造这样的先进技术需要一套新的技能。以增材制造设计 (DfAM) 为例：生成式设计和拓扑优化等工具将要求工程师重新考虑传统的设计方法。其他领域包括机器维护、材料处理和后处理知识。

教育和培训将是实现转型的解决方案。公司必须积极投资于员工教育，让员工有机会通过这些先进技术学习和推动创新。

8.端到端工作流程

3D打印是建立“智能工厂”的重要技术之一。

然而，现实情况是，大多数公司都在努力建立端到端的AM工作流程管理流程。一个瓶颈在于使用不同的软件包从设计到成品。这就造成了一个断开的过程，大大降低了效率。

幸运的是，有越来越多的解决方案可以解决这个瓶颈。例如，工作流自动化软件的出现是为了解决工作流过程断开的问题。使用一个平台来管理整个 AM 生态系统，从请求到后期制作控制，既可以实现手动、常规任务的自动化，又可以在 AM 过程的每个阶段实现更高的可追溯性。

展望未来

近年来，增材制造发展迅猛，2019年也不例外。然而，虽然 AM 的工业化正在取得进展，但要将该技术切实地用作大规模终端零件的制造方法，仍有一段路要走。成本需要降低，更多地关注培训，公司需要为他们的应用找到技术的价值。随着技术和行业的成熟以及这些挑战的解决，AM 的采用率只会增加。