增材制造创新应用：重塑高科技产业版图

增材制造软件组件在高科技行业应用日益增长。市场研究机构MarketsandMarkets(M&M)数据显示，2017年3D打印机生产与增材制造产出价值达35亿美元。主力采用者为医疗器械、航空航天、汽车三大行业。

这不足为奇。增材制造中，小批量生产时复杂形状打印成本与简单设计持平。

医疗器械与手术

增材制造优势为医疗行业赋能。利用增材制造，医疗界构建高度定制的牙科和骨科植入体。增材制造移除了减材制造所需的工装和建置成本，医生为患者提议定制植入体和假肢时无需顾虑规模经济。

此外，增材制造使制造极复杂精细设计成为可能，如与人骨连接的关节。打印机须制造微米级分形晶格结构供骨组织长入融合，从而实现植入体与骨的强力连接。无其他工艺能生产此类形状。

同样，牙科植入涉及极高定制化和复杂设计以实现精准贴合。过程精度极高：始于口腔X光检查骨骼，次为植入体钻孔，但医生必须保证植入体(如种植体螺钉)与牙齿排列完美对齐。得益于3D打印，牙医现能获取定制植入体。这些植入体及相关钻孔导板在专用3D打印CAD软件中定制设计，高度自动化制造。

脑部手术中，医生依患者CT扫描构建定制固定装置。同牙科骨科一样，涉及精准贴合患者颅骨并引导手术器械的植入体制造。专用3D软件自动化设计这些手术辅助器械。

航空航天是增材制造采用先锋。近期成果包括用于商用涡扇发动机的3D打印零件。

通用电气(GE)与萨夫兰航空发动机合资的LEAP涡扇发动机，装配3D打印燃油喷嘴。美国联邦航空局2015年批准其商用飞机适用。该件不比上一代发动机同类件轻25%，据GE称耐用性提升5倍。

除为装配LEAP发动机的飞机带来显著燃油经济性和碳减排收益，3D打印件还精简生产供应链。3D打印让GE以单一单元替代20个不同零件。不仅简化制造流程，更降低全生命周期维护成本。

3D CAD与计算机辅助工程(CAE)软件是航天设计开发的关键拼图。GE借助CAD/CAE开展必要设计研究、仿真分析，在原型阶段前评估新喷嘴可行性。

设想运营数十架此类飞机的航空公司，尤其跨20年周期的成本节约。这是增材制造直接红利，可见其向其他分系统和组件延伸将为制造商、供应商、消费者多维度延伸收益。

除成本优化，3D打印还使极复杂制造成可能。考虑换热器：大量管道、翅片、输入口分流热流体/冷流体。但装配需焊接冷却翅片并装入密封盒——繁琐耗时、故障率高。

3D打印可一次性整体制造换热器。单件制造虽耗时相对较长，但成品可靠性大幅提升。同LEAP一样，目标是整合装配零件数并赋予显著性能提升。

增材制造技术能力上升、价格下降。新应用不断涌现。但工艺控制与工艺可预测性仍存重大障碍。

工艺控制层面，增材制造缺乏管辖原材料至成品制造过程的行业标准。传统制造(含减材)受益于此类标准(如加工/冲压/锻造时冶金行为)。工程师有行业标准参考。

但增材制造尚未建立这些标准。如GE等航企为增材制造建立专有控制体系，而个别3D打印供应商完全缺乏控制体系和行业标准。标准机构制定通用合规认证供所有人(尤其是中小制造商)使用，可最好解决此问题。

最后，工艺可预测性仍是3D打印用户重大挑战。优化零件朝向、支撑材料、工艺参数需大量试错。但这也为开发3D打印软件工具者带来巨大机遇。基于物理的仿真将是重大进步。将此仿真要素与3D打印机制造商的机器专用工艺信息结合，将帮助制造商降低废品率和错误率。

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