攻克2020增材制造量产十大挑战：专家深度洞见

2020年更新

设计灵活性、材料效率和小批量生产让增材制造(AM)成为诸多企业吸引之选。然而，要在生产环境充分发挥AM价值，必须直面若干障碍。

技术层面挑战

1. 生产速度偏慢

速度仍是关键因素，特别是汽车、消费品等大批量行业。传统3D打印机吞吐量常落后于传统制造。

“终局是吞吐率或机器速度。[汽车]生产量与航空航天医疗截然不同。我们需要能在分钟甚至秒级而非天小时级出件的系统。任何能推动技术加速构建的举措都将助力我们。”

Harold Sears，福特增材制造技术技术主管

制造商大举投资高速方案。EOS开发Laser Pro Fusion，单台SLS系统将集成多达100万二极管激光，有望大幅压缩构建时间。金属打印领域，Aurora Labs多层并发打印(MCP™)实现多层同步沉积——单次通过30层，明年目标100层。其PMP1打印机达350公斤/天，较去年提速2000%。

虽技术仍在开发中，但轨迹表明增材制造将在近未来满足生产速度需求。

2. 材料开发与性能不一致

“增材制造行业绝对需要更多材料方案。3D打印理论上能生产高复杂度、高功能性零件，无论机械、生物、电学。但能否实现取决于材料选择是否充足。”

Simon Fried，Nano Dimension联合创始人

增材制造在聚合物和复合材料取得显著进展。Arkema、BASF、DuPont等化工巨头开发碳增强聚合物，强度媲美金属。Markforged推出Onyx FR，首款增材制造阻燃复合材料。金属原料也在进步，但周期更长。尽管增长，行业仍缺综合材料数据库，导致性能不一、重现性难。

ISO、ASTM等标准机构正制定镍、钛、不锈钢等金属粉末规格。America Makes与Stratasys、NIAR合作产出FDM用ULTEM 9085数据库。这些努力将帮助企业可靠采购、认证材料。

3. 手工作业后处理

原型可容忍手工精加工，但生产要求自动化。金属增材零件需除粉、应力消除热处理、去支撑、CNC精加工、有时热等静压消除气孔。

“金属增材制造涉及许多步骤确保质量。含妥善除粉、应力消除加热循环防止零件因构建板残余热应力翘曲变形。切磨支撑结构常耗费大量时间。其他步骤含CNC精加工、表面处理、热等静压消除气孔。”

Terry Wohlers，Wohlers Associates创始人兼总裁

自动化后处理方案涌现——DyeMansion清洗设备、AMT表面抛光系统、PostProcess Technologies去支撑设备。金属端，Digital Metal全自动产线演示机器人如何处理构建箱、后处理、零件搬运，消除人工。

虽进展渐进，自动化工作流扩展对大批量增材生产至关重要。

软件层面挑战

4. 数据准备能力受限

“设计和数据准备仍是行业瓶颈，重点放在高产硬件系统上，智能软件方案被排除在等式之外。”

Yves Hagedorn，Aconity3D董事总经理

传统CAD工具非为增材制造独特需求设计——梯度材料、晶格结构、孔隙建模。设计师常导出STL、导入Netfabb、再发送机器，形成数据孤岛和错误。

“我们听许多客户反映工作流极度割裂。他们在CAD工具设计，再转STL导入构建处理器如Netfabb。随后发送机器、机器采集数据。最终形成连接不良的数据孤岛。”

Robert Yancey，Autodesk制造与生产行业战略总监

头部CAD厂商正集成增材功能——PTC Creo 6.0支持单环境设计与打印制备，并收购生成式设计公司Frustum。Stratasys GrabCAD和3D Systems 3DXpert也简化数据转换。目标让设计师在CAD系统内迭代，无繁琐文件交换。

质量保证层面挑战

5. 零件间差异

“行业需解决的另一大事是零件间差异[…] 原因是系统产出材料一致性不一定如愿。你必须为可能出现的最弱零件设计，意味着无法充分发挥增材制造某些能力。”

Zachary Murphree，VELO3D技术合作伙伴副总裁

差异源于材料化学——颗粒尺寸、形状、污染——和过程控制。闭环控制系统，嵌入传感器和相机，可实时检测偏差并调整参数，减少粉末夹杂、微裂纹、未熔合等缺陷。

“我认为这是增材制造圣杯，因为过程内控制能让你近乎即时对工艺缺陷反应。”

Yves Hagedorn，Aconity3D董事总经理

目前仅小比例打印机具备闭环控制，但随增材制造进军生产环境，趋势在增长。

6. 缺乏行业通用标准

“若行业拥有更好整体标准、被普遍理解接受，将对所有利益相关方极有益。有了标准，企业能比较苹果对苹果，在供应商、制造商、用户的综合生态系统中做智能决策并落地。”

Avi Reichental，XponentialWorks创始人

标准对确保材料、工艺、产品质量至关重要。ISO和ASTM截至2018年已发布28项增材制造标准，更多在途。协作努力——如Oerlikon-Boeing钛零件合作、ASTM增材制造卓越中心——加速设计、原料、工艺、后处理、测试、认证全链条标准化。

人才层面挑战

7. 认知与专业知识匮乏

“[劳动力]要素当前极关键。缺乏真正理解技术、能制定策略并榨取所需价值的工程师、管理者、高管。”

John Barnes，The Barnes Group Advisors创始人

弥合知识鸿沟至关重要。许多企业现提供培训项目、在线课程、卓越中心提升工程师技能。咨询公司和行业会议传播最佳实践。关键是将正确技术匹配正确应用，避免将传统设计强行套用增材工艺的陷阱。

财务层面挑战

8. 初始投资门槛

采用增材制造不止买打印机；需软件、材料、培训、后处理设备、认证、设施升级。前期成本令人却步。

“设备成本需下降以向更广市场释放技术。”

Armin Wiedenegger，voestalpine High Performance Metals GmbH增材制造战略与业务发展

经济型入门系统涌现。Markforged复合打印机约1.5万美元，为Dunlop Systems六个月回本、年省4万英镑。Desktop Metal、Markforged、Xact Metal金属打印机最高15万美元，仅大型系统一小部分。围绕快速胜出——降本、缩短交期、减重——建立商业案例，可吸引投资、验证ROI。

工作流与集成挑战

9. 割裂的增材制造生态系统

“整个增材制造生态系统碎片化：许多小方案和公司需拼凑成工作流和端到端解决方案。”

Dave Conover，Ansys增材制造首席技术专家

跨设计、构建、后处理、供应链的集成对规模化至关重要。合作伙伴关系——如RIZE与达索系统SOLIDWORKS集成、Henkel全价值链方案(定制材料、Loctite打印机、打印服务)——简化工作流。生态协作驱动整合加速采用。

10. 缺乏数字化基础设施

高效增材生产需要针对其独特工作流定制的数字化骨干。传统制造IT方案常不足。专用增材工作流管理软件追踪请求、可打印性、机器分析、排程、后处理、供应商沟通。

集中式系统提供追溯性、生产规划、数据同步，实现无缝融入数字制造环境。

演进中的行业

过去十年，增材制造从原型工具演进为可行生产技术。速度、材料科学、自动化、标准、人才发展创新驱动此转变。随企业协作、标准化、战略投资，增材制造将持续成熟、跨行业拓展。

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