3D打印迎来大批量生产时代

　　工业3D打印技术正在从原型设计向大批量生产转变。使用3D打印进行大规模生产能通过消除传统加工方法，缩短原型和零部件的交货时间，从而大大加快上市时间。据MarketsandMarkets报告显示，到2026年，全球工业3D打印市场规模预计将达52亿美元，预测期内复合年增长率为20.0%。

　　大批量生产时代的到来

　　目前，3D打印被认为是一种适合中小批量生产的技术，然而，利用3D打印进行大批量生产的机会预计将在未来出现。大批量增材制造（AM）是指使用3D打印系统和工艺进行产量低于100万件的生产，其优势在于它能够支持大量的产品组合。通过消除模具，单个3D打印系统和工艺能够批量制造出大量不同设计的产品。在竞争激烈的行业中，上市时间是决定品牌成功的决定性因素，使用3D打印的大规模生产可以通过消除传统的加工方法，缩短原型和零部件的交货时间，从而大大缩短上市时间。

　　从技术角度而言，用于3D打印批量制造的关键技术之一是金属粘结剂喷射。该技术具有独特的优势，能实现高打印速度并利用低成本的注塑金属开发高精度组件。自2019年以来，伴随着金属研发的进步，粘结剂喷射3D打印机已经转变为具有生产能力的机器。

　　例如，ExOne在2019年推出了新的X1 160PRO金属3D打印机，用于大批量生产，并在2020年底投入商业使用。同期，Desktop Metal也推出了Shop System，这是其生产系统的一个机器车间友好版本。此外，作为增材制造的粉末材料用户，GE提供了适合大批量，低成本零件生产的beta粘结剂喷射机。这台机器当前正被部署在其战略合作伙伴⸺大型发电设备制造商康明斯的工厂车间。

　　目前在行业中，部分大企业使用3D打印技术来提高产量的案例有GE（喷气发动机、医疗设备和家用电器部件）、洛克希德马丁（Lockheed Martin）和波音公司（飞机和国防部件）、Aurora Flight Sciences（无人机）、Invisalign公司（牙科工具）、谷歌公司（消费电子产品）以及LUXeXcel公司（发光二极管透镜）等。

　　此外，通过使用聚合物3D打印，还能够以更快的速度实现大批量生产。例如，立体光刻（SLA）3D打印技术被越来越多地采用，因为它能够通过各种先进材料生产具有高精度、各向同性和水密性的原型和零件，且具有出色的功能和光滑的表面处理。SLA 3D打印机的能力不仅仅是原型设计，通过适当的管理和执行，价格合理的内部桌面打印机也可用于大规模生产。2019年，惠普（HP）展示了由牙科公司Smile Direct Club 3D打印的超过100万个零件的使用案例。同样，3D Systems公司的机器也在为AlignTechnology公司生产大量零件。预计未来几年，其他行业还会出现更多类似的案例。

　　同时，不可忽视的是，3D打印机还是工业4.0的重要组成部分之一。随着智能制造技术在世界范围内的蔓延，全球领先的企业和咨询公司正加大投入以获取3D打印知识，并增强在工业4.0趋势中为客户提供建议和加入工业4.0的能力，彻底改变供应链、产品组合和商业模式。由此，3D打印和工业4.0正在全球范围内通过多项举措得到推广，例如DFactory BCN是由巴塞罗那自由贸易区联盟（CZFB）发起的一项倡议，旨在成为南欧最大的工业4.0中心，而3D打印是其中重要内容；欧洲首家3D打印高科技孵化器3D Factory Incubator，已经拥有50多家专注于增材制造的企业；美国密歇根州的DIAMOnD项目旨在帮助制造业企业引入工业4.0。

　　技术的成熟，3D打印提供的广泛可能性以及各机构的高度重视下，增材制造有望在未来成为多个领域的领先技术。

　　高昂的环境成本劣势

　　既然3D打印如此有用，为什么还没有在工业中被广泛部署呢？因为购买工业3D打印机对一家公司而言，可能是一笔高额支出。例如，一台金属熔融沉积成型（FDM）打印机的成本约为10万美元，而一台SLM打印机的成本约为20万美元。此外，它往往还涉及投资雇用人员来安装软件、提供维护以及购买和安装材料等方面的费用。其固定成本，如与3D打印机、服务合同、安装和维护相关的成本，共同增加了总设备使用成本。无论3D打印机是闲置还是每周生产几十个零件，这些费用都会产生。

　　制造零件所需的原始3D打印材料和其他耗材的价格也各不相同。3D打印机中使用的金属粉末价格昂贵，成本高昂，尤其是用于制造大型物品时。此外，增材制造的设置可能需要重新配置整体操作，终端用户也关注与3D打印物品的预处理和后处理相关的成本。根据3D打印工艺的不同，后处理工作流程也有所不同，但在大多数情况下包括清洁零件和去除支撑或多余材料。例如，FDM零件需要长时间的手动后处理，以提高质量和去除层线。

　　除了成本以外，环境和能源也是不可忽略的因素。塑料长丝是一种广泛用于3D打印的材料，虽然它成本相对较低，但其产生的废料最终会被填埋。3D打印的广泛使用可能会产生大量废料，从而影响环境。能源使用方面，在制作相同重量的物品时，3D打印机消耗的电能大约是传统注塑成型的50-100倍左右。此外，直接激光金属沉积法的用电量是传统铸造机的100多倍。这也要求工业应用的3D打印机必须配备排气通风或过滤配件，并在通风良好的环境中使用。

　　3D打印工业市场应用

　　尽管3D打印的应用存在诸多瓶颈，但是仍有众多领域孜孜不倦地攻克技术壁垒，其中尤以航空航天工业为盛。航空航天和国防领域中的工业3D打印主要用于商业、工业和军事应用，该领域在制造零件和原型设计的3D打印技术的发展中发挥着重要作用。该行业人士更喜欢3D打印的原因，是因为它有助于减少供应链约束和材料浪费，并且所需的仓库空间有限。3D打印技术能够快速生产飞机零部件，为飞机制造企业节省大量的空间、时间和资金。

　　美国国家航空航天局（NASA）、波音（Boeing）和空中客车（Airbus）是利用3D打印来解决复杂工程问题和制造专用零件的主要企业。据预测，随着金属3D打印技术的进步，国内飞机和飞船制造商，将来也会使用定制合金和高端轻量化热塑性塑料的增材制造方法来进行相关部件的制造。

　　从MarketsandMarkets报告数据来看，目前北美市场占据着全球工业3D打印市场的主要份额。这主要得益于一些成熟的市场参与者，如Stratasys、3D Systems、GEAdditive、ExOne、Protolabs和惠普（HP）等为该地区市场的增长做出了贡献。其次，还包括一些关键行业选择3D打印技术来使用新的材料、形状和结构组合开发创新产品；降低小批量制造的生产成本；实现快速生产并减少材料浪费等因素的影响。最后，航空航天和国防以及汽车行业是该地区工业3D打印的主要终端应用行业。航空航天和国防工业对高强度和轻量化零件的需求以及电动汽车产量的增加进一步推动了对3D打印金属零件的需求。

　　对高性能金属的需求不断增长，3D打印金属零件的应用不断增加，以及基于3D打印技术的产品被大量使用和制造，推动了北美工业3D打印市场的增长。