增材制造的优势与劣势

增材制造（AM）技术在过去二十年中取得了长足的进步，从一种主要用于原型设计的利基技术发展成为一种制造工艺，具有改变多种商业模式和价值主张的潜力。然而，尽管增材制造的潜力巨大，但它在某些应用领域表现出色，但在另一些应用领域却裹足不前。

 

造成这种矛盾的原因并不是技术本身存在任何固有缺陷，而是材料要求、生产规模、设计自由度和经济可行性等因素之间复杂的相互作用。让我们来看看，为什么增材制造技术在某些情况下表现出色，而在另一些情况下却举步维艰。

 

 

增材制造的优势
增材制造的主要优势在于能够生产高度复杂的定制零件，而无需昂贵的模具、工具或复杂的设置。这种设计自由度与小批量生产能力相结合，使增材制造技术特别适合传统制造方法难以实现的应用领域。其主要优势在于：

 

 

1.定制化和复杂性
增材制造可以生产几何结构复杂的产品，而使用注塑成型或机械加工等传统方法几乎不可能制造出这种产品，或者制造这种产品的成本过于昂贵。这一点在航空航天、医疗器械和汽车等行业非常明显。这些行业通常需要性能要求很高的复杂零件。

 

 

以航空航天业为例。2017年，通用电气（GE）利用3D打印技术为LEAP发动机成功开发了一种燃料喷嘴。在传统制造工艺中，该喷嘴由20个独立零件组成，而通过增材制造技术，该喷嘴只需一个零件，从而提高了性能和成本。该部件的内部几何结构复杂，可实现更好的燃料流动和冷却，而传统方法很难实现这一点。

 

同样，在医疗领域，增材制造技术也为定制假肢、植入物和手术导板的制造，带来了革命性变化。以CT扫描或核磁共振成像为蓝本，根据病人独特的解剖结构定制设备的能力，实现了传统制造无法提供的个性化水平。

 

 

2.增材制造和迭代
增材制造的迭代特性也使其成为快速原型制作的绝佳工具。这对于产品设计发展迅速或需要不断改进的行业尤为重要，例如消费电子产品的产品开发或汽车设计。

 

增材制造缩短了从概念到物理原型的时间，从而可以更快地进行测试、反馈和修改。它还无需昂贵的工具或模具，大大降低了尝试新设计的门槛。例如，福特和宝马等汽车公司使用3D打印技术快速制作汽车零部件原型，缩短了开发时间，提高了新车型的上市速度。

 

 

3.供应链灵活性
在供应链中断的情况下，增材制造提供了宝贵的灵活性。在COVID-19大流行期间，当传统制造来源无法满足需求时，许多制造商转而使用3D打印技术生产面罩、呼吸机部件和个人防护设备等关键医疗用品。

 

 

此外，增材制造可以支持分布式制造，在终端用户的附近实现按需生产。这对于面临交货期长和运输成本高的行业来说，可以改变游戏规则。例如，航空航天公司利用增材制造为偏远地区或军事行动现场生产备件，减少了对全球供应链的依赖和相关风险。

 

 

增材制造的弱点
尽管增材制造具有这些引人注目的优势，但它并不是一个放之四海而皆准的解决方案。它存在一些局限性，无法成为广泛应用的理想选择，尤其是在大批量生产环境中或对于需要特定材料特性的零件而言。增材制造面临的一些关键问题包括：

 

 

1.材料限制
虽然增材制造在材料科学方面取得了巨大进步，但与传统制造工艺相比，它仍然面临着很大的局限性。例如，增材制造通常使用钛和铝等金属，但其材料特性不一定能达到通过铸造或锻造等传统方法生产的材料的性能特征。

 

 

在关键应用中，3D打印金属零件的热性能、强度、抗疲劳性和表面光洁度往往达不到要求。这就是为什么增材制造不太常用于重工业的原因，如大批量生产汽车发动机缸体或土木工程的大型结构部件。在这些情况下，压铸或机械加工等传统方法仍占主导地位，因为它们能使用更多具有优异机械性能的材料。

 

 

2.规模化生产的速度和成本
虽然增材制造在生产小批量、复杂零件方面表现出色，但在扩大规模进行大批量生产时却很困难。与注塑或冲压等传统方法相比，增材制造制造工艺尤其是金属3D打印，往往速度较慢，单件成本较高。

 

例如，塑料零件在模具制作完成后可以高速、低成本地注塑成型，而根据零件的大小和复杂程度，3D打印同样的零件可能需要数小时甚至数天的时间。传统方法的单件成本会随着产量的增加而降低，而增材制造的单件成本在超过一定的低产量阈值后会保持相对稳定。因此，对于规模经济至关重要的应用领域来说，增材制造不是一个好选择。

 

以汽车行业为例，该行业需要数以万计的相同部件。增材制造的设置成本高、速度慢，这意味着除非设计非常复杂或需要定制，否则传统制造方法通常更具成本效益。

 

 

3.表面处理和后处理
虽然增材制造可以制造复杂的几何形状，但零件的表面处理通常需要后处理。根据所使用技术的不同，无论是DED、SLS还是FDM，零件通常会有明显的层线、粗糙的纹理，或需要额外的表面处理步骤，如去除支撑、打磨、抛光或涂层。

 

 

对于消费电子或医疗设备等对表面光滑度要求极高的行业来说，这个问题尤为关键，因为在这些行业中，即使是微小的瑕疵也会影响产品的功能或美观。在这种情况下，需要进行后处理可能会抵消增材制造的一些优势，尤其是在时间和成本方面。

 

 

不同商业模式中的价值主张
增材制造的成败，往往取决于它与所应用行业的业务模式的匹配程度。在某些行业，增材制造的优势如定制、设计自由度和快速原型制作，完全符合业务需求。而在其他行业，以大规模生产和规模经济为基础的传统制造模式仍占主导地位。

 

 

1.大规模定制和小批量制造
对于小批量生产或定制至关重要的行业，增材制造提供了引人注目的价值主张。例如，在医疗设备制造领域，增材制造可以制造出针对病人的植入物和假肢，非常符合个性化医疗的发展趋势。航空航天和国防工业也是如此，因为这些行业经常需要独一无二的零件或小批量生产。

 

这些行业受益于增材制造所提供的灵活性和设计自由度，即使该工艺比传统的大规模制造更为昂贵。定制化、功能性和性能带来的附加值，往往能证明单个零件成本较高是合理的。

 

 

2.供应链中断和按需生产
对于面临供应链中断或物流挑战的行业来说，增材制造能够实现本地化生产并按需制造零件，因此是一种强大的工具。采用这种模式的公司正在摒弃及时库存方法，转而选择更加分散的模式。

 

 

例如，航空航天或军事应用中的备件可以使用3D打印技术在现场生产，从而减少对大量库存的需求，并最大限度地减少因零件短缺而导致的停机时间。对于拥有广泛全球供应链的企业来说，这种按需生产关键零部件的能力在降低成本和减少供应链风险方面，具有显著优势。

 

 

3.简单、大批量零件的批量生产
在需要大量生产简单、相同零件的行业中，增材制造很难提供任何实际的好处。在大批量生产中，随着生产规模的扩大，单位成本通常会降低，因此增材制造的经济性变得不那么有利。

 

 

以消费品行业的注塑部件生产为例。对于宝洁或联合利华这样的公司来说，数百万个简单塑料瓶或瓶盖的批量生产非常适合注塑成型。注塑成型的模具最初可能比较昂贵，但一旦模具制作完成，生产速度和单位成本就会大大低于3D打印。一个模具可以快速生产成百上千个零件，而单位成本只是使用增材制造打印相同零件的一小部分。

 

此外，模塑零件的表面光洁度和一致性通常超过3D打印，而3D打印的后处理要求通常会增加额外的时间和成本。在大规模生产中，增材制造的速度相对较慢，材料成本较高，因此传统方法在成本和产量方面都具有更高的价值。

 

4.低精度工业部件
在某些精度要求不高的工业应用中，增材制造技术可能无法以具有竞争力的成本提供必要的性能。当需要高精度或零件的几何形状过于复杂而无法采用传统制造方法时，增材制造技术就会大显身手，但对于只需满足基本机械要求的简单零件，该技术就会显得力不从心。

 

一个典型的例子是低精度工业部件的制造，例如建筑机械或农业设备中使用的某些结构部件。这些部件可能需要满足强度和耐用性的基本标准，但它们不需要增材制造所能提供的复杂设计或定制。

 

对于这些部件，锻造、冲压或铸造等传统制造方法更具成本效益。这些工艺使能够以3D打印成本的一小部分生产出耐用、简单的零件。就铸造部件而言，材料成本和生产时间通常较低，而且能够大批量生产部件，因此对于要求坚固耐用但不复杂的行业来说，这种工艺要经济得多。

 

 

结论：战略方法
要理解为什么增材制造技术在某些应用中表现出色，而在另一些应用中却不尽如人意，关键在于将该技术与企业的具体需求相结合。

 

增材制造不是一种通用的解决方案，而是一种高度专业化的工具，在某些情况下具有独特的优势。需要定制化、复杂性和快速原型的行业非常适合增材制造，而那些专注于大批量、成本敏感型生产的行业仍然依赖于传统制造技术。它将始终与传统制造技术共存，并对其进行有效补充。