2024年的增材制造行业：进步、潜力和不足

　　增材制造在其相对较短的历史中，尤其是在过去十年中，已经取得了许多令人瞠目的成就。因此，人们很容易忘记上世纪80年代末迈出的第一步。即使是最乐观的行业观察家也无法想象，今天的飞机、火箭、汽车和人体中会经常出现增材制造部件。

　　如今，增材制造已经从一个由顽固的幻想家领导的家庭作坊式产业，发展成为一个合法的、多样化的制造工艺生态系统，并提供各种支持工具和服务。即便如此，增材制造部件在制造业中仍只占一小部分。从事产品开发和制造的人员仍在努力探索如何生产、生产什么以及何时生产才有意义。

　　尽管近年来，增材制造的发展突飞猛进，而且很可能会继续发展下去，但仍然存在着巨大的挑战。随着各公司努力降低成本并实现盈利，该行业正准备进行整合和转型。

　　材料（和工艺）的进步

　　增材制造在生产一系列性能更好的材料方面取得了重大进展。金属领域的主流技术仍然是激光粉末床熔融技术（PBF-LB）。新材料和改良材料不断推向市场。配备多个激光器的系统越来越常见。由于成本较高，它们最适用于大型部件或同时制造多个部件。

　　带有电子束能量源（PBF-EB）的PBF系统已问世多年，但市场占有率较低。与PBF-LB相比，它们具有一定的单件成本优势，但特征细节较弱。此外，由于高温可能导致部分烧结，金属粉末可能永久性地滞留在细孔和内部通道中。在过去的两年中，PBF-EB系统的制造商在行业中不断增加。

　　另一个有趣的发展领域是定向能沉积（DED）。目前，市场上已有多种DED系统并开始销售。它们在很大程度上以机器人和焊接等成熟技术为基础。与PBF-LB和PBF-EB相比，它们的机器设计、制造和商业化更加容易。其主要缺点是，大多数部件都需要大量的精加工，才能形成最终形状。

　　三维聚合物的性能也在不断改善。三维聚合物的加工系统包括PBF、材料挤出 (MEX)、粘合剂喷射 (BJT)、材料喷射 (MJT) 和大桶光聚合 (VPP)。

　　应用

　　Materialise公司的创始人兼前首席执行官Fried Vancraen曾谈到增材制造应用的重要性。他说，这些应用将推动该行业未来的发展。事实上，增材制造的巨大成功都是围绕应用展开的。早期的一个成功例子是耳内式助听器的定制外壳，另一个例子是牙齿矫正器，还有骨科植入物，如一些医疗设备制造商生产的髋臼髋杯和脊柱笼。航空航天领域，尤其是火箭领域的增材制造应用在过去两年中取得了令人瞩目的发展。这些应用为商业化和行业增长提供了关注点。

　　汽车行业

　　使用3D打印技术制造终端汽车零部件的发展还不成熟。尽管如此，主要的原始设备制造商已开始使用增材制造技术为高端车型生产零部件，年产量高达数千件。这一发展可能会成为未来更大规模生产的垫脚石。

　　通用汽车公司正在为其起价34万美元的凯迪拉克Celestiq电动轿车打印115种不同的铝、不锈钢和聚合物部件。方向盘中心是通用汽车打印的最大的生产型金属零件，而可调节安全带导向环则是其首个与安全相关的增材制造零件。该公司正在使用金属BJT、金属PBF 和惠普Multi Jet Fusion制造这些零件。

　　Divergent Technologies公司也是在汽车行业使用增材制造技术的先驱。这家总部位于洛杉矶的公司正在为阿斯顿-马丁、法拉利和梅赛德斯-AMG等8个高端汽车品牌生产一系列零件，如拓扑优化的制动和悬挂系统。然而，机器、材料及其他产品和服务的费用很可能会阻碍汽车增材制造应用的进一步发展，直到价格降低。

　　新思路

　　热交换器因其设计的复杂性而成为一个具有巨大潜力的领域。最近的一些计算设计软件工具可以生成陀螺仪，从而提高系统效率。这些设计具有较大的表面积，并能产生明显的湍流，从而改善散热效果。使用金属增材制造时，它们具有自支撑的明显优势，这意味着不需要加工和拆卸额外的金属。目前，这些高效热交换器正被用于生产重要产品。例如，一种设计已通过认证，可用于F-35战斗机。

　　我们看到越来越多的设计软件可以帮助用户自动创建产品。这种软件正被用于制造航空航天零件、整形外科植入物、砂铸工具和其他类型的产品。这类软件的例子有nTop、Hyperganic、Altair的Gen3D和Leap 71的PicoGK。工作流程大多由每个用户创建，这可能是一个耗时而复杂的过程。随着软件、应用程序和工作流程的发展，它们将变得更加易于使用。

　　PBF-LB的一个最新趋势是制作支撑结构最小的零件，该趋势最初由Velo3D开发并商业化。现在，一些金属增材制造机器制造商提供了减少对这些结构需求的解决方案，这些结构用于将零件的特征固定在构建板上。对这些结构的要求取决于多个因素，包括生产特征的类型和方向。随着这种减少支撑结构的趋势继续下去，将减少生产、后处理时间和成本，并将有助于提高金属增材制造的采用率。

　　低成本增材制造系统

　　最近，一系列使用液晶显示屏而不是激光的低成本VPP设备已经面世。当显影部件一层一层逐渐向上抬起时，它们会在大桶下面固化光聚合物。LCD的成本只是激光器和振镜的一小部分，因此系统价格从小型设备的几百美元到大型设备的几千美元不等。目前，这些低成本机器的打印分辨率和表面质量令人印象深刻。即便如此，低成本系统仍主要用于产品开发，并没有取代工业系统。

　　在法兰克福举办的前两届Formnext展会上，我们注意到了一种趋势，即一些公司生产的机器人和龙门式 MEX系统可以将聚合物颗粒作为打印大型部件的原料。用于注塑成型的颗粒成本比长丝低得多。使用颗粒还可以生产出更有趣、更可持续的产品。

　　进入正题

　　Wohlers Associates报告追踪了生产工业增材制造系统的制造商数量。2013年，全球仅有34家公司。10年后，这一数字是286。增材制造的广阔前景吸引了数以百计的企业家，并推动了新公司的大幅增长。

　　初创公司的增长造成了分化，从而导致了整合的趋势。老牌增材制造企业纷纷收购初创公司，以获得知识产权，使其产品多样化，并扩大市场份额。即便如此，迄今为止的整合并不显著，数百家小公司中的许多都在苦苦挣扎。

　　Stratasys和3D Systems是最大的两家纯做3D打印的公司，每家公司的年销售额都超过5亿美元，但两家公司都未能盈利。Stratasys近年来实现了小幅增长，而3D Systems的销售额则持平。股价处于多年来的最低水平。2021年和2022年通过特殊目的收购公司融资上市的公司股价也处于历史最低点。一些公司正在积极寻求战略选择，如与一家或多家公司合并。

　　2021-2022年，对增材制造相关公司的风险投资大幅增长，但去年有所下降。即便如此，增材制造风险投资依然强劲。在增材制造发展的早期，其重点是新工艺，时间跨度长，风险高。如今，投资者关注的是更广泛的解决方案，包括增材制造的应用，在这些应用中，企业家可以利用开发的材料、工艺和软件展示商业潜力。

　　挑战依然存在

　　在全球所有制造活动中，增材制造市场的总规模仅占极小的一部分。事实上，根据Wohlers Associates报告，在全球14万亿美元的制造业经济中，增材制造所占比例不到0.13%。即便如此，数十年来，增材制造的发展轨迹基本保持一致，并且在整个增材制造领域都有重大创新。在过去10年（2013-2022年）中，许多行业的年平均增长率达到23.3%，这正是增材制造所享有的，这让许多行业都感到兴奋不已。

　　尽管取得了令人瞩目的成就，增材制造行业仍面临着一些挑战，这些挑战影响了该技术在生产应用中的采用。其中一些挑战不仅仅是技术性的，因为它们往往遵循一个发展时间表。相反，它们是商业和资源选择的问题，影响着更广泛地应用增材制造技术。建设性地关注这些挑战是有助于推动行业发展的进程的一部分。

　　关于开发可充分利用增材制造独特优势的应用的必要性，人们已经说了很多。一个很好的例子就是高度复杂的形状和设计，其尺寸和特征都是客户指定的。最近的一次会议显示，许多制造公司的首席执行官并不了解增材制造的最新进展。因此，即使较低的管理层认为增材制造技术很重要，但一般也不会自上而下地推动采用增材制造技术。

　　释放增材制造潜力的一个关键因素是了解增材制造设计（DfAM）及其重要性。在教育工程界如何设计更充分受益于增材制造的零件方面已经取得了进展。然而，要将这种思想融入公司文化，还有更多工作要做。要实现更广泛的应用，高级工程经理需要对DfAM进行投资，同时表现出自上而下的承诺。

　　尽管在推进和改进增材制造流程方面已经做出了巨大努力，但许多系统制造商尚未开发出包括后处理在内的端到端流程和解决方案。客户只能依靠自己的力量来减少去除辅助材料和精加工零件的时间和成本。这项工作可能涉及多种步骤，在零件总成本中占很大比例。如果不考虑后处理和一些隐性成本，往往会导致项目在经济上变得不可行。