当供应链在大流行初期严重中断时，增材制造供应商介入，展示了该技术的响应能力和价值
正在生产量产金属增材制造零件劳斯莱斯幽灵。它是 Wohlers Report 2021 中讨论的应用之一。在过去十年中，增材制造 (AM)，也称为 3D 打印，持续发展并巩固了其在私营企业、学术界和政府中的地位。
增材制造行业从 2010 年到 2019 年经历了强劲的两位数增长。根据 Wohlers 报告进行的广泛研究，在此期间平均每年增长 27.4%。在批量生产和模具应用中采用增材制造促进了这一增长。由于 COVID-19 大流行，2020 年是充满挑战的一年 f或许多产品开发和制造。即便如此，Wohlers Associates 估计全球增材制造行业今年的增长率在 7-9% 之间。到 2022 年，行业增长预计将回升至 COVID 之前的水平。
在 2020 年初 COVID-19 大流行开始时，全球供应链崩溃，但 AM 提供了快速响应能力。例如，组织使用 3D 打印来帮助生产面罩和口罩、鼻拭子以及呼吸机的更换部件。这以增材制造行业前所未见的方式引起了人们对这项技术的关注。这种快速而敏捷的反应改善了医疗保健提供者的条件，并可能挽救了生命。
马萨诸塞州沃特敦的 Markforged 正在密歇根州安装 300 多台材料挤出 3D 打印机，作为 DIAMOnD 项目的一部分。该计划是 Automation Alley 为响应 COVID-19 而创建的，旨在提高制造灵活性。 [编者按：Automation Alley 是一个 Michigan 非营利组织，致力于通过自动化推动经济发展。] 来自 Markforged 的 3D 打印机形成了一个网络，可以远程启动，根据需要制造个人防护设备 (PPE) 和其他用品。
CGX 快速-20r 脑电图耳机包括 19 个“吊舱”，其中装有脑电图传感器并接触人的头部以捕捉大脑活动。借助 AM，CGX 可以使吊舱具有三个自由度。大流行造成的中断对许多 AM 服务提供商以及机器、材料和软件的生产商产生了不利影响。该行业有望反弹，因为疫苗可以让旅行更安全，并改善对产品开发和制造的支持。对 AM 产品和服务的压抑需求可以帮助脆弱的公司继续经营。
从概念到生产
甚至在大流行中，公司继续使用工业 3D 打印机进行严格的原型制作和制造。在这两项活动中使用相同的流程和材料会对产品的开发和推向市场的方式产生深远的影响。在过去的 25 多年里，3D 打印已发展成为一种极具吸引力的迭代设计流程。它已经取代了许多公司制作原型的昂贵且耗时的方法。然而，增材制造通常涉及使用与批量生产不同的机器和材料。在产品开发和制造中使用相同的机器和材料可以带来好处和一种新的思维方式。
一个例子来自增材制造服务提供商科罗拉多州拉夫兰的 Avid Product Development 和CGX，圣地亚哥。 CGX 生产用于研究和临床用途的脑电图 (EEG) 设备。脑电图耳机记录大脑的电活动。传统耳机是挑战设置和佩戴不舒服。这些复杂的设备非常适合 CGX 的增材制造，因为每年的产量不到 1,000 件，而且单位成本相对较高（20,000 美元或以上）。
劳斯莱斯古斯特通过增材制造打印的零件。 对于 CGX Quick-20r 耳机，开发和测试了许多设计迭代。最终设计将 80 个独特的部件合并为 30 个。该设备包括 19 个“吊舱”，其中装有 EEG 传感器并与人的头部接触以捕捉大脑活动。借助 AM，CGX 可以使吊舱具有三个自由度，否则需要组装才能实现这一功能。相反，它们是通过数字方式预组装和 3D 打印的。
来自加利福尼亚州帕洛阿尔托的惠普公司的 Jet Fusion 系统用于产品开发和制造 PA11（尼龙）零件。艾拉弗里德曼，新闻CGX 的 ident 表示，如果他们使用注塑成型，该产品将需要 200 个单独的零件。这些零件的工具需要大量的前期资金，而使用增材制造则避免了这种情况。
增材制造产品指向未来
事实证明，3D 打印是复杂结构、替换件的理想选择零件、按需制造和大规模定制。三个不同的鞋类公司正在追求这一目标：FitMyFoot，圣地亚哥； Superfeet，芬代尔，华盛顿；和 iOrthotics，温莎，澳大利亚。这些公司使用客户足部的 3D 扫描来制作定制鞋垫。鞋垫的形状经过数字化调整，以打造完美贴合。在更大范围内，旧金山的 Supertrata 使用增材制造制造适合客户尺寸和骑行风格的自行车。消费者天生并不适合标准尺寸，因此 3D 打印有助于提供更好的尺寸，从而增加产品的价值。
宝马集团旗下的伦敦劳斯莱斯汽车有限公司是嘛为其 Ghost 汽车制造金属零件。大多数金属 AM 生产运行远低于 100,000 个零件，但该公司表示将为 Ghost 模型生产数十万个 AM 零件。 2020 年 6 月，宝马集团在慕尼黑郊外的德国 Oberschleissheim 开设了增材制造园区，迄今为止已生产了超过 300,000 个精密增材制造零件。
在航空航天工业中，丹佛的 Boom Supersonic，正在使用金属增材制造为 XB-1 超音速飞机制造飞行关键部件。增材制造是理想的选择，因为零件很复杂并且产量很小。 Boom Supersonic 与 Velo3D 合作设计了 21 个部件，用于发动机硬件、环境控制系统，甚至一些本质上是结构性的部件。复杂的部件必须能够承受极端环境，并且使用传统制造方法生产是具有挑战性的。
2020 年，位于菲尼克斯的霍尼韦尔航空航天公司的首飞获得了 FAA 认证-通过 AM 制造的关键发动机部件。该零件是达索猎鹰 20G 海上巡逻机上的 ATF3-6 涡轮风扇发动机的轴承座。该发动机最初是在 1960 年设计的，只有大约十几台仍在服役。由于缺少更换零件，维护可能具有挑战性。 AM 是该发动机部件的理想选择，因为它难以制造，而且小批量生产极其昂贵。
Sierra Turbines 的 Aurelius Mk1 微型涡轮机，使用 Velo3D 打印机在 Hastelloy X 中打印。Sierra Turbines , San Jose, Calif. 正在使用 AM 来制造一种更高效的微型涡轮机，用于无人机的推进系统。借助 AM，Aurelius Mk1 微型涡轮机将 61 个部件整合为一个部件，可在 50 小时内打印出来。在未来，希望 Sierra Turbines 能够将设计扩展到商用客机。
在燃气涡轮机中使用金属增材制造正变得越来越普遍，因为它可以实现设计自由度、轻量化和更好的性能。 Aurelius Mk1 旨在通过利用 Velo3D 在哈氏合金 X 中的金属 3D 打印工艺，将大修间隔时间提高 40 倍，将功率重量比提高 10 倍。
ArcelorMittal，卢森堡市，卢森堡，一家钢铁和采矿公司，与荷兰埃因霍温的 Additive Industries 合作，在需要的地方附近制造按需更换零件。在 2017 年合作之前，安赛乐米塔尔生产小型替换零件。它现在可以制造尺寸最大为 420 × 420 × 400 毫米（16.5 × 16.5 × 15.75"）的零件。
在电力和能源领域，挪威特隆赫姆的 SINTEF 和挪威斯塔万格的 Equinor , 合作创建 Weldar，一种用于修复应用的定向能量沉积系统。Weldar 用于海上钻井，其中腐蚀来自海水的 sion 可以停止生产。该系统使用 3D 扫描来帮助设计和现场维修零件。这减少了停机时间和现场库存更换零件的需要。
GE Renewable Energy、COBOD 和 LafargeHolcim 通过增材制造合作建造了这个原型风力涡轮机塔。因为它可以在现场制造，所以该塔可以比使用传统方法制造并运输到现场的风力涡轮机更高。巴黎的 GE 可再生能源公司、丹麦哥本哈根的 COBOD 和瑞士楚格的 LafargeHolcim 已经合作，建造一个更高的风力涡轮机塔。由于道路限制，大多数商用风力涡轮机塔架不能超过 100 m (328')。使用 AM，可以通过现场制造来建造高度超过 150 m（492'）的商业塔。能源输出预计将增加多达 30% 使用更高的塔这是一个关于混凝土 3D 打印如何不仅仅用于建筑物墙壁的视图。
投资比比皆是
增材制造行业的投资已从数百万美元增长到过去几年数千万甚至数亿，代表着行业的创新潜力。一个例子是位于马里兰州盖瑟斯堡的 Xometry，这是一个工业零件按需市场。自 2013 年成立以来，它已筹集了超过 1.93 亿美元，其中包括 2020 年用于开发公司软件平台的 7500 万美元。 Xometry 网络拥有 5,000 多个合作伙伴，包括增材制造和其他制造工艺。
以色列 Ness Ziona 的 Nano Dimension 于 2021 年 1 月在特拉维夫证券交易所和纳斯达克公开发售，筹集了 3.33 亿美元。该公司的机器生产电子产品，包括印刷电路板。这使公司自 2020 年第四季度初以来筹集的资金总额达到近 10 亿美元。
Nano Dimension 生产专为增材工艺设计的 Hi-PED（高性能电子设备）。这使 Hi-PED 具有更好的性能，并允许传统电子制造无法实现的外形尺寸。此处显示的 Hi-PED 展示了集成电路的 3D 垂直堆叠。2020 年 12 月，马萨诸塞州伯灵顿的 Desktop Metal 完成了与纽约市 Trine Acquisition Corp. 的合并。合并后，Desktop Metal 进行了首次公开募股，股票在纽约证券交易所上市交易。作为交易的一部分，Desktop Metal 从 Trine 和其他投资者那里获得了额外的 5.75 亿美元。更令人印象深刻的是，该公司的市值在 2021 年 2 月达到 76 亿美元。Desktop Metal 提供用于金属和复合零件的 3D 打印机。
此外在投资和公开募股方面，该行业正在发生数起并购。例如，Desktop Metal 在 1 月份宣布以 3 亿美元收购德国 Gladbeck 的 EnvisionTEC。同月，明尼苏达州 Maple Plain 的 Protolabs 同意以 2.8 亿美元收购荷兰阿姆斯特丹的 3D Hubs。
增材制造设计 (DfAM) 涉及一系列用于最大化价值的技术用于生产应用的增材制造。在围绕增材制造技术的使用构建业务案例时，它可以发挥重要作用。使用 AM 进行生产最成功的公司了解 DfAM 的价值。他们认识到需要通过使用拓扑优化和晶格结构整合零件并减少材料和重量来设计产品。使用 DfAM 减少支撑材料的使用可以减少构建和后处理 AM 部件的时间和成本。然而，大多数公司并没有很好地理解 DfAM。
与 th 相关的调查e Wohlers Report 是一份发布了 26 年的增材制造行业研究报告，它表明增材制造零件的预处理和后处理可能占其总成本的 40% 以上。通过应用 DfAM 和后处理自动化方法，这些成本可以显着降低。德国 Planegg 的 DyeMansion 和德国奥格斯堡的 Solukon 等公司正在创建自动化解决方案，以减少昂贵的劳动力。然而，大多数公司尚未采用这些技术。
即使是最大的公司，增材制造工业机器的成本仍然是一个挑战。根据我们为 Wohlers Report 2020 所做的研究，生产金属零件的 AM 机器的价格在 100,000 美元到 500 万美元之间，平均售价为 467,635 美元。这正在减缓广泛采用。一种解决方案是显着提高机器的速度。
在考虑增材制造进行相对大批量生产时，材料价格也是一个因素。增材制造材料的成本可能是其 10 到 100 倍不仅仅是用于常规制造的类似材料。随着越来越多的公司将 AM 投入生产，总产量将增加，价格可能会下降。然而，这可能需要数年时间。对于许多应用，材料成本并不会阻止使用 AM 进行原型设计和小批量生产。
用于 3D 打印的新材料不断商业化，但与可用材料相比，它们的数量仍然相形见绌用于常规制造。对于每个 AM 系统，通常只有少数几种材料可用。这会使为特定生产应用采用 AM 更具挑战性。
3D 打印不是一个按钮过程。对于 AM 在航空航天、汽车、医疗和其他领域的发展，过程可重复性对于机器和操作员至关重要。要获得广泛采用，必须克服这一质量挑战，以便组织可以在世界各地的机器上生产相同的零件。
在 th在过去的 12 个月里，世界受到了 COVID-19 的挑战。无数具有增材制造能力的组织帮助填补了供应链缺口，这可能挽救了生命。大流行减缓了开发、支持和使用 AM 产品和服务的公司的业务，并导致一些公司倒闭。即便如此，其他人也做得很好，同时帮助推动增材制造的发展和接受，尤其是在生产方面。由于搁置了如此多的产品开发计划，对增材制造的被压抑需求可能有助于弥补损失。
本文包含 Wohlers Associates 每年制作的 Wohlers Report 2021 的要点。有关信息，请访问 wohlersassociates.com
