2020 年扩大增材制造生产面临的 10 大挑战 [专家综述]
[2020 年更新]
设计灵活性、材料效率和可行的小批量生产只是公司越来越多地转向增材制造 (AM) 的部分原因。但要在生产中充分利用 AM，仍有一些问题需要解决。
下面，我们将探讨该技术为加速采用而需要克服的一些最紧迫的挑战：
技术挑战
1.生产速度慢
没有人会争辩说速度很重要，特别是如果目标是大规模生产。然而，目前许多工业3D打印机在速度和效率方面仍落后于传统机械化设备。
这尤其是在大规模批量生产驱动的行业（例如汽车和消费品）中采用的障碍。在这些行业中，产品需要在尽可能短的时间内制造和交付，以保持生产效率。
“最后一部分是机器的吞吐量或速度。 [汽车] 产量与航空航天或医疗的产量有很大不同。因此，我们必须着眼于能够在几分钟或几秒钟内而不是几天和几小时内生产零件的系统。我们可以做的任何事情来推动技术进入更快的构建速度，这肯定也会对我们有所帮助。”
Harold Sears，福特增材制造技术技术负责人
近年来，高速增材制造一直是一个蓬勃发展和投资的领域。
大多数以生产应用为目标的 3D 打印机制造商都在寻找制造 3D 打印的方法快点。一些开发了有助于提高吞吐量的模块化系统，而另一些正在努力进一步改进其现有机器背后的技术。
例如，德国硬件制造商 EOS 正在开发其 Laser Pro Fusion 技术，旨在提高选择性激光烧结 (SLS) 技术的产量。虽然当前的 SLS 系统使用一个或两个 CO2 激光器将聚合物粉末融合在一起，但新的 3D 打印机将配备多达 1 百万个二极管激光器，这可以显着加快打印时间。
还有在金属 3D 打印方面取得了一些显着进展。澳大利亚极光实验室的多级并发打印 (MCP™) 技术就是一个例子。通过这种粉末床融合工艺，Aurora Labs 希望能够以更快的速度进行金属 3D 打印。
与一次打印一层的传统粉末床技术不同，MCP 可在一次通过中同时打印多个层。在 Formnext 2018 上，该公司报告说它能够一次打印大约 30 层，目标是在未来 12 个月内将其增加到 100 层。
近日，该公司报道其PMP1 3D打印机的打印速度可达到350公斤/天。 Aurora Labs 表示，与去年报告的速度相比，这一结果表明速度提高了 2000%。
提高生产速度绝非易事，需要大量的技术创新。截至 2019 年，EOS 和 Aurora Labs 的技术仍处于开发阶段，这意味着它们的生产速度要求还需要时间来证明。
话虽如此，随着进展的继续，我们相信 3D 打印最终会实现这一目标。
2.材料开发和材料特性不一致
<块引用> “增材制造行业肯定需要更多材料的解决方案。 3D 打印理论上能够生产具有高度复杂性和功能性的部件，无论是机械、生物还是电气部件。但要做到这一点，归根结底是要有足够的材料选择。”
Simon Fried，Nano Dimension 联合创始人
合适材料的可用性是 3D 打印行业面临的另一个挑战。与经历了数十年材料发展的传统制造工艺相比，3D打印自身的材料发展才刚刚开始。
在 3D 打印的早期，当行业的重点是原型制作时，对材料特性的重视程度要低得多。然而，随着技术转化为生产解决方案，材料开发过程大大加速。
一个特别令人兴奋的趋势是高性能 3D 打印聚合物和复合材料的进步。阿科玛、巴斯夫和杜邦等大型化工公司正在开发碳增强聚合物，其强度有时可与金属相媲美。
复合 3D 打印技术制造商 Markforged 也在推进这一领域，并开发了多种新材料。最近推出的是 Onyx FR，这是第一种阻燃复合材料。
在金属方面，材料开发需要更长的时间，有时需要几年，但也在不断进步。
虽然材料的可用性不断增加，但3D可打印材料的性能仍然存在很多不一致之处。目前，该行业缺乏具有经过验证的印刷参数和明确规格的可靠材料数据库。因此，实现一致且可重复的 3D 打印过程变得具有挑战性。
这意味着大多数制造商仍不愿使用该技术，直到他们能够确保材料特性符合行业预先定义和接受的规范和标准。
唯一的出路是开发增材制造材料数据库，其中包含有关机械和热性能以及成功打印规范的信息。
3D 打印行业正在努力实现这一目标。标准制定组织，如 ISO 和 ASTM，已经发布了一些关于镍、钛和不锈钢等金属粉末的规范。
同时，其他机构也建立了AM的材料和工艺信息数据库。例如，今年早些时候，America Makes 与 Stratasys 和美国国家航空研究所 (NIAR) 合作发布了用于熔融沉积建模 (FDM) 的 ULTEM™ 9085 I 型材料属性数据库。
建立这样一个数据库将有助于进一步使用经过认证的聚合物材料用于飞机内饰部件。
最终，像这样的发展将是确保AM 材料可以满足制造商对性能和可靠性的期望。
3.手动后期处理
3D 打印的现实是，几乎所有从 3D 打印机出来的零件都需要某种类型的后处理，以提高零件的机械性能、精度和美感。
当使用 3D 打印进行原型制作时，这不是一个大问题。然而，随着技术向终端制造过程过渡，规模化和自动化、后处理已成为建立增材制造生产线的关键瓶颈之一。
“使用金属增材制造，需要采取许多步骤来确保质量。这包括正确去除粉末并进行应力消除加热循环，以便零件在从构建板上取下时不会因零件中积聚的热残余应力而翘曲和变形。
切割和研磨支撑结构通常需要大量时间。其他步骤包括 CNC 加工和其他精加工工作，以及热等静压，这有助于确保零件不包含任何孔隙。”
Terry Wohlers，Wohlers Associates 创始人兼总裁
Terry Wohlers 描述的大部分后处理操作仍然是大量手动过程，需要熟练的操作员来执行关键任务。
使用人工完成原型甚至几十个零件可能具有成本效益。然而，在生产数百甚至数千个 3D 打印部件时，对后处理自动化的需求变得异常迫切。
“自动化解决方案将解决目前最大的问题之一，即通过印后功能的一致输出提高吞吐量。”
Jeff Mize，PostProcess Technologies 的首席执行官
目前，只有少数特定于 AM 的解决方案有助于实现后处理操作的自动化，例如 DyeMansion 的清洁机、AMT 的表面平滑解决方案以及 PostProcess Technologies 的支持去除和表面处理系统。诚然，这些系统主要是为聚合物 3D 打印部件设计的。
在金属 3D 打印方面，用于传统制造零件的后处理技术目前正在适应 3D 打印组件。
为了进一步自动化这些技术，公司现在也开始实施机器人解决方案，以消除材料转换和零件处理等操作。例如，3D 打印机制造商 Digital Metal 去年推出了全自动生产概念。
根据这个概念，机器人将处理大部分流程步骤，例如将构建盒送入打印机，然后将其移除以进行后处理。目标是消除所有手动工作，以促进连续的大批量生产。
虽然这些发展令人鼓舞，但该领域的创新步伐缓慢。然而，先进后处理解决方案的数量肯定会增加，以匹配不断增长的 AM 产量。
软件挑战
4.数据准备和设计能力有限
“设计和数据准备仍然是这个行业的瓶颈，而重点放在更高生产力的硬件系统上，智能软件解决方案被排除在这个等式之外。”
Yves Hagedorn，Aconity3D 董事总经理
虽然 3D 打印看起来就像按下按钮一样简单，但事实并非如此。一方面，工业 3D 打印需要大量的设计准备才能为打印做好准备。
由于长期以来，计算机辅助设计 (CAD) 和计算机辅助工程软件在很大程度上没有针对 3D 打印的要求进行优化，因此设计过程变得复杂。
例如，很难使用传统的 CAD 软件来设计由渐变材料制成的组件、创建晶格结构或模型孔隙率。
此外，AM 设计工作流程涉及多个步骤，这些步骤经常因需要使用单独的软件解决方案而陷入困境。
“我们从许多客户那里听说，他们的工作流程非常杂乱无章。他们在 CAD 工具中完成设计过程，然后将其转换为 STL 文件并将其导入构建处理器，如 Netfabb。从那里，它被发送到机器，机器正在收集数据。因此，您最终会遇到这些没有很好连接的数据孤岛。”
Robert Yancey，Autodesk 制造和生产行业战略与业务发展总监
例如，在一个典型的场景中，设计师会在他们的 CAD 系统中创建一个实体模型，然后将其转换为三角模型以执行可印刷性检查、优化结构以减轻重量、添加支撑和运行模拟分析。所有这些步骤都需要不同的程序、不同的软件环境和多种文件格式。
然后，假设您运行模拟并且结果表明构建失败，需要您更改零件方向或支撑结构以防止它发生。因此，您必须返回所有步骤和程序以更改某些参数并使模型可打印。
这种通过多个软件解决方案传输增材制造设计数据的需求导致设计过程耗时且容易出错。
业界正试图通过多种方式减轻 3D 模型准备的负担。例如，PTC、Autodesk 和 Dassault Systèmes 等软件公司正在将特定的 3D 打印功能融合到他们的 CAD 程序中。
例如，PTC 正在提供其 Creo 6.0 软件，以在一个环境中实现设计和打印准备。 2018 年底，PTC 收购了衍生式设计软件公司 Frustum。该公司目前正致力于在其 CAD 平台中添加生成式设计技术，该技术通常与 3D 打印相结合。
与此同时，3D 打印机制造商开发自己的软件解决方案以简化 3D 模型准备。 Stratasys 的 GrabCAD 和 3D Systems 的 3DXpert 只是该软件的两个示例，该软件旨在消除或最大限度地减少对多次数据传输和转换的需求。
虽然增材制造设计和印刷准备方面取得了很大进展，但仍有发展空间。让设计人员能够在 CAD 环境中修改 3D 模型并快速迭代它们而无需进行繁琐的数据转换，这将是使设计准备挑战成为过去的关键。
质量保证挑战
5.部件间变化
<块引用> “行业需要解决的另一件大事是零件之间的差异 [...]你想要它。你必须针对可能得到的最薄弱的部分进行设计，这意味着你没有完全利用 AM 的某些功能。”
Zachary Murphree，VELO3D 技术合作伙伴副总裁
传统的数控加工、注塑成型或铸造是众所周知的制造工艺。另一方面，3D 打印提供了一种制造零件的新方法。除了新机遇之外，该技术还存在传统制造中未见的新缺陷，这可能导致部件质量因构建而异。
金属3D打印尤其如此。例如，金属增材制造所特有的一些缺陷可能包括零件内部的粉末、微裂纹和未熔合。
零件质量变化的主要来源之一是材料化学。对安全至关重要的应用，例如飞机零件或医疗设备，要求材料具有正确的形态（颗粒大小和形状）并且 100% 无污染。
由不当储存或处理或原料质量问题引起的杂质会改变最终部件的特性，进而导致打印失败。
确保材料的质量需要标准化的测试方法和工具，而行业在很大程度上缺乏这些。为了克服这些问题，AM 用户正在与值得信赖的测试实验室合作，或者，如果他们有足够的资源，则在内部开发必要的专业知识。
影响零件可变性的另一个挑战在于 3D 打印机缺乏先进的过程控制。为了最大限度地减少零件变化，3D 打印机需要从开环控制系统转变为闭环控制系统。
后者是指3D打印系统在打印过程中发现偏差并自动调整系统以进行补偿的能力。这是通过在 3D 打印机中嵌入传感器和摄像头来实现的，这允许用户实时监控构建。
通过闭环控制系统保持对构建过程的控制，使制造商能够实现支持质量的一致几何形状、表面光洁度和材料特性。
“我认为这是 AM 的圣杯，因为通过过程控制，您几乎可以立即对过程中的缺陷做出反应。”
Yves Hagedorn，Aconity3D 董事总经理
但是，由闭环系统实现的过程中质量控制对于增材制造技术来说仍然相对较新，并且对制造商的实施构成了障碍。截至 2019 年，市场上只有一小部分 3D 打印机配备了闭环控制单元。
也就是说，随着 3D 打印转移到生产车间，过程控制将成为绝对必要的。这最终意味着智能系统的数量只会在不久的将来增加。
6.缺乏行业标准
<块引用> “如果该行业拥有更好的整体标准，即被普遍理解和接受的标准，将对所有利益相关者和选民都非常有益。有了标准，公司就可以将苹果与苹果进行比较，并做出可以在供应商、制造商和用户组成的综合生态系统中实施的明智决策。”
Avi Reichental，XponentialWorks 创始人
在制造过程中，标准是必不可少的，因为它们概述了交付优质产品必须满足的参数。原材料、机器、设备操作员和工程师、供应商和制造过程本身，都需要标准和机制来根据这些标准进行资格/认证，以制造具有所需质量的零件。
尽管 3D 打印具有已经存在 30 多年，制造界直到最近才开始将其视为一种生产方法。为此，业界才刚刚开始制定与生产相关的行业标准。
“如果你能做出这个部分很好，但如果你不能证明它是一个好的部分，它对任何人都没有任何好处。标准是让我们跨越这条线，能够制造和销售零件并能够在生产中使用它们的原因。”
欧瑞康增材制造首席工程师 Matthew Donovan
缺乏 3D 打印标准仍然是阻碍其更广泛采用的主要瓶颈之一。
但是，在这方面已经出现了很多有希望的发展。一些最大的标准制定组织，如 ISO 和 ASTM International，已经建立了专门负责 AM 标准制定的委员会。到 2018 年，这两个组织批准了 28 项标准，未来几年还会发布更多标准。
行业合作和伙伴关系也极大地促进了标准的制定。一个例子是欧瑞康和波音之间的合作。该合作伙伴关系针对增材制造在航空航天和国防领域的应用，专注于对结构钛部件的粉末基金属 3D 打印的材料和工艺进行标准化。
也许最强大的合作涉及推出增材制造中心卓越 (AM CoE) 去年。新设施由 ASTM International 与奥本大学、美国宇航局、EWI 和英国制造技术中心 (MTC) 合作建立，专注于连接研发和标准化，以填补关键的行业空白。
9 月，ASTM International 宣布了第二轮融资，目标是支持 AM CoE 的标准化项目。九个项目中的每一个都在设计、原料、工艺、后处理、测试和认证方面造成不同的标准差距。
虽然标准制定是一个耗时的过程，但最近的进展表明它将最终产生结果，使制造商能够更快、更轻松地开发和实施 AM 应用程序。
劳动力挑战
7.缺乏对 AM 的理解和专业知识
<块引用>“[The] 劳动力元素现在非常重要。没有足够的工程师、经理和高管真正充分了解技术来开展工作并制定战略以获得他们需要的东西来摆脱它。”
John Barnes，The Barnes Group Advisors 的创始人
对 3D 打印技术的功能缺乏透彻的了解会造成许多进入壁垒。目前，在什么是 3D 打印技术、它们的功能是什么以及如何使用它们方面仍然存在知识差距。因此，可以从该技术中受益的企业不愿意采用它，因为他们正在努力开发 3D 打印的商业案例或用例。
“公司看到了增材制造的机会，但通常没有足够的技术专业知识来真正了解如何快速投入生产。”
Robert Yancey，Autodesk 制造和生产行业战略与业务发展总监
“我们的大多数客户仍然没有真正了解这项技术，不知道如何使用或何时使用它。通常他们认为你可以用 3D 打印机做任何事情，并且 3D 打印可以取代其他技术，但事实并非如此。”
Roboze 首席执行官 Alessio Lorusso
了解传统技术和添加剂技术之间的区别是另一个挑战。 3D 打印有自己的设计和制造规则，这决定了使用该技术生产零件的可行性。
这意味着，对于接受过传统制造设计培训的工程师来说，该技术可能违反直觉，并且需要陡峭的学习曲线才能掌握它。
“您有一种看待传统制造技术的心态，而我们接受了传统制造技术的教育。人们通常从使用传统方式制造的零件开始，并希望将添加剂强制安装到该零件上，但这并不总是匹配。”
Wiener Mondesir，Arevo 联合创始人兼首席技术官
幸运的是，许多公司现在都在致力于弥合这一知识鸿沟。一些正在推出在线和现场课程，以帮助工程师培养 3D 打印技能，而另一些则建立卓越中心以加深他们在 AM 方面的专业知识。
除了参加 AM 会议之外，求助于 AM 咨询是促进知识转移的另一种好方法。
最终，只有通过了解 3D 打印的功能和局限性，公司才能利用这些知识为该技术开发成功的应用程序。
“关于哪种技术最适合哪些应用程序的问题需要深思熟虑。清楚您要解决的问题并选择正确的工具来解决该问题非常重要。”
Duncan McCallum，Digital Alloys 的首席执行官
财务挑战
8.进行初始投资
采用 AM 确实需要时间和精力。然而，采用的最大障碍可能在于将 AM 投入生产所需的大量投资。
投资增材制造不仅仅是购买设备。更多的是投资于增材制造生态系统，其中包括软件、材料、员工培训、后处理设备、认证，并最终建立一个设施来容纳所有这些。
将这个难题拼凑起来所需的资本和资源有时非常庞大，以至于组织不愿意甚至无法投资于 AM。
“设备成本需要降低才能为更广泛的市场解锁技术。”
Armin Wiedenegger，奥钢联高性能金属有限公司增材制造战略与业务开发
但是，有些公司使硬件更易于访问。在聚合物方面，多家 3D 打印机制造商正在开发工业桌面 3D 打印机，这些打印机易于设置和使用。此类系统的成本通常远低于高端 3D 打印机，后者很容易达到数十万美元。
例如，总部位于英国的汽车制造公司 Dunlop Systems and Components 集成了 Markforged 的复合材料 3D 打印机，价格约为 15,000 美元。
在安装 3D 打印机后不到九个月，该公司发现了该技术的多种用途，每年最多可节省 40,000 英镑。该公司还表示，它在六个月内就获得了回报，这令人印象深刻。
在金属方面也有类似的发展，Desktop Metal、Markforged 和 Xact Metal 等公司提供入门级金属 AM 系统。这种金属 3D 打印机结构紧凑，成本高达 150,000 美元，与更大的金属 3D 打印机相比，这只是成本的一小部分。
虽然对 AM 技术的投资可能令人生畏，但考虑到该技术对底线的整体影响，这通常是合理的。这就是为什么在加入之前制定商业案例很重要的原因。例如，在邓禄普的案例中，该公司首先确定了一些可以降低成本并在短期内产生明确财务回报的快速胜利。
当成功时，速赢将吸引注意力并创造动力感，最终产生可以投资于更雄心勃勃的长期项目的资源。
工作流程和集成挑战
9.脱节的 AM 生态系统
“整个 AM 生态系统是支离破碎的：您必须将许多小型解决方案和公司拼凑在一起，以创建工作流程和端到端解决方案。”
Dave Conover，Ansys 增材制造首席技术专家
为了在工业层面扩大增材制造工艺，从产品的概念到生产和后处理的增材制造价值链需要更加整合。
目前，市场上充斥着许多不同的解决方案，理想情况下可以将这些解决方案集成在一起以创建全面的产品，从而简化技术的采用。
因此，希望采用 AM 的公司面临着购买不同解决方案，然后尝试让它们协同工作的需求。 AM 价值链中缺乏集成导致工作流程效率低下。
一些公司正在通过合作克服这一挑战。许多 AM 硬件制造商正在与软件提供商合作以改善用户体验。
一个例子包括工业桌面 3D 打印机开发商 RIZE 和软件公司 Dassault Systèmes 之间的合作伙伴关系。通过此次合作，达索的 SOLIDWORKS 和 RIZE 将协同工作，以实现 SOLIDWORKS 设计软件和 RIZE 打印机之间的无缝集成。
其他公司正在通过扩大其在价值链中的作用来巩固增材制造生态系统。例如，化学品制造商和配方专家汉高在整个价值链上开发了多种产品。
这些包括生产定制材料配方、销售 Loctite 品牌的打印机以及转售 HP 和 Carbon 制造的打印设备。汉高还提供零件打印和后处理服务。
“创建生态系统和协作可以成为进一步加速 [3D 打印] 采用的重要力量倍增器。”
Avi Reichental，XponentialWorks 创始人
最终，优化增材制造价值链中所有要素之间的互连将是打造更强大行业的关键。
10.缺乏数字基础设施
为了能够在生产中使用 3D 打印，公司需要合适的数字基础设施来有效管理其 3D 打印操作。
许多公司正在通过使用现成的 IT 解决方案来建立这样的基础架构。在许多情况下，这些解决方案的开发考虑到了传统制造的要求，通常并未针对 3D 打印工作流程进行优化。
为了克服这个问题，业界一直在开发专门用于 3D 打印的工作流管理软件。此类软件有助于管理整个工作流程，从请求管理、印刷适性分析和机器分析到生产调度、后处理管理和与供应商的沟通。
因此，公司可以拥有一个集中的生产计划和监控系统，使其能够跟踪零件和查看项目，从而实现更大的可追溯性。
工作流程管理软件正迅速成为为 AM 生产创建数字基础设施所需的关键解决方案之一。通过协调人与人之间的任务，它使日常业务流程更加高效。最后，它有助于在系统之间同步数据，使 AM 与数字制造环境的集成变得更加简单。
不断发展的行业
作为一项年轻的技术，3D 打印面临许多挑战，但好在业界急于克服这些挑战。在过去十年中，该行业通过开发更好更快的系统、创造更多的材料和自动化解决方案以及扩大批准的标准清单，取得了巨大的进步。
此外，我们已经看到为弥合知识差距和培养新一代 AM 专业人员所做的大量努力。最后，行业本身正在变得更加整合，因为公司正在寻求合作，以创建全面的解决方案。
所有这些活动都预示着一个蓬勃发展的行业，该行业将在未来几年继续发展壮大。
看看我们之前的专家综述讨论 工业 3D 打印的未来 .
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