18位增材制造专家：应对未来十年3D打印量产最大的工程挑战
2023-01-28浏览量：323评论数：
2023年3D打印行业高管调查扩大了范围，并向3D打印业内人士提出了两个问题。 未来十年3D打印量产最大的工程挑战是什么？ 需要什么技术来解决这个问题？
回答这个问题的方法各不相同，有些人选择解决未来十年推进增材制造的具体挑战。 高管们最关心的是降低单件成本、确保质量的方法，以及增材制造如何充分利用其核心优势？ 涵盖过程自动化和 AI 方法与增材生态系统的结合，包括智能生产管理系统、零件设计和物理信息神经网络。 摩尔定律与 3D 打印有何关系，哪些技术正在兴起？ 将一切联系在一起，一个反复出现的词：生产。
其他受访者采取了另一种方法。 更大的前景是什么？如何部署技术来解决脱碳、交通电气化、绿色能源生产和工业 4.0 等关键的全球问题？ 将 3D 打印与计算材料发现、合成生物学或机器人技术等新兴技术相结合会产生什么？
我们来看看以下全球十八位增材制造专家的见解：
3D Systems首席技术官 Brent Stucker 博士
我相信未来十年最大的工程挑战将是交通电气化。 这是因为车辆电气化面临着与能源生成、电网稳定性、车辆分布式充电、电池技术以及用于电力推进而非内燃推进的车辆部件优化相关的重大挑战。 我们已经看到增材制造 (AM) 在这些领域中发挥作用，但我认为增材制造在加速车辆生产和性能以及发电、传输和存储方面仍有更大的作用。
为了让 AM 产生更大的影响，有必要在技术、材料和工艺方面取得重大进步。 我认为在一个系统中使用多种材料以更高的精度和生产率构建复杂的多材料形状的能力将是一个关键的推动因素。
在考虑能源生产和电网时，目标是捕获更高比例的输入能源，无论是太阳能、风能、化石燃料、水电还是核能。 为了实现更有效的能量捕获，我们需要由高温材料制成的复杂金属部件。 AM 促进了这一点，同时还通过零件整合提高了效率。 这对于电网中的关键组件（如开关和变压器）也很有用。
我们现在产生和分配的所有电力都需要存储在电池中，并有效地用于为车辆提供动力。 我预见增材制造将在下一代电池和电动机的生产中发挥关键作用。 当前的电池设计涉及多种材料的复杂层； 因此，在电池相关特征分辨率下与电池相关材料兼容的多材料增材制造方法可能会颠覆电池设计。 同样，电动机可以从近乎整体式的设计转变为将线圈集成到结构元件或其他组件中。 这可以带来更好的热管理并减轻重量，进而有助于提高效率和性能。 能够在同一台3D打印机中处理多种材料，将电池和电动机的零件整合和效率提升到一个全新的水平。 此外，AM 对其他行业的标准优势，包括能够以更少的组装和体力劳动更快地将新产品推向市场的能力，可以随着需求的增加帮助加速电动汽车的转型。
Stratasys 首席技术官 Guy Menchick
随着全球制造商继续感受到整个供应链成本增加的压力，几乎普遍需要克服的最大挑战是能够降低成本以保持竞争力。 特别是对于3D打印，情况也是如此：继续降低每个零件的成本至关重要，这样我们才能在更多应用中继续用增材制造取代传统制造。 同时，我们必须保持和改进对性能至关重要的基本特性，例如精度、表面光洁度和机械特性。 这主要取决于两个关键因素：系统和材料。
为了降低系统成本，我们需要打破喷墨和 DLP 技术在分辨率、吞吐量和价格之间的紧密关联。 提高分辨率意味着更小的液滴。 小滴会降低吞吐量。 为了补偿，通常会添加更多的打印头，这会增加价格。 幸运的是，这些3D打印技术一直遵循“摩尔定律”，这实质上意味着系统速度和功能大约每两年翻一番，而不会增加原始价格。 简而言之，这意味着目前支持工业零件生产的许多 Stratasys 解决方案——从 P3 到 SAF 等等——都将在未来几年获得显着的性能提升，而这不一定反映在基本成本中。
EOS首席商务官兼董事总经理 Nikolai Zaepernick
一个很大的挑战在于成本方面。 充分利用增材制造进行大规模生产和可持续性的可能性需要注意底线问题。 面临的挑战是在保持质量承诺的同时降低整个价值链的每个零件成本。
首先，通过减少金属3D打印的支撑，在降低单件成本和开辟新应用方面具有巨大潜力。 通过转向无支持，我们正在经济、环境和时间方面改进增材制造工艺。 （在构建过程中不需要构建支撑意味着粉末床中的材料熔化较少，这会增加构建速度和支撑移除成本。）
未来，新的支持免费软件工具将有助于创建更好的参数和曝光策略，以进一步优化生产过程。 这将包括更短的曝光时间、更少的材料消耗和节省后处理资源。
HZG Group 创始人兼董事总经理 Frank Carsten Herzog
最大的工程挑战将是将3D打印过程转移到工业生产中。 这涉及在 AM 生产中实现高水平的可靠性、可定制性、可重复性和速度，同时降低成本，使其可用于零件和产品的大批量制造。 艰巨的任务！
在3D打印机方面，我们将看到更多机器成功地结合了迄今为止在单独解决方案中运行的既定系统的优势。 精度与速度、稳健性与对材料的开放性——这些点将不再相互排斥，从而使技术对更广泛的客户具有吸引力。
软件也有很大的潜力。 例如，智能软件将减少大量的手动设计工作。 用户和生产都将从中受益，因为可以更有效地控制机器。
惠普个性化和3D打印全球市场推广主管Wayne Davey
我们不仅在未来几年，而且在未来几个月都将面临的最明显的挑战之一就是气候变化。 随着我们进入新的一年，可持续发展将继续成为品牌和企业的首要议程，这将从一种趋势转变为一种要求。 因此，随着组织加速实施可持续发展计划，制造商、品牌和其他组织必须从整体上审视其业务和工作流程，以确保他们提供的端到端解决方案对环境的影响较小。 这包括一切，从他们提供的材料、材料的来源、他们如何回收或再利用这些材料，一直到他们使用的制造技术以及他们如何处理废物。
3D打印是帮助公司转型为更具可持续性的业务的可行选择。 根据惠普的数字制造趋势报告，全球约 50% 的数字制造和3D打印决策者有兴趣进一步探索该技术对促进循环经济的影响，从而减少生产中使用的材料数量，简化和创造更多生产系统的价值。
增材制造正在证明其在包装行业的能力。它提供了一种选择，可以帮助企业做出更明智的决策，同时利用更可持续的解决方案。 模塑纤维被广泛认为是传统塑料包装的环保和可生物降解替代品，并且无需采用有害材料处理方法。
3D打印技术将需要继续发展，为更多行业和更广泛的产品提供使用机会。 从目前3D打印行业的发展轨迹来看，技术似乎很可能会继续创新和升级，从而出现更多令人兴奋的用例。
Polymaker CEO 罗小帆
对于大多数增材制造技术，我认为工艺复杂性仍然是最大的技术挑战。 与大多数传统制造技术不同，3D打印有很多工艺变量，工艺、材料和几何结构之间存在高度耦合关系； 传统的工艺开发和优化范式已经不能适应3D打印高度复杂的工艺特点。 这也导致了3D打印行业目前仍面临的一系列挑战：工艺开发和优化耗时长、打印过程控制困难、质量一致性低、性能不可预测等。
要解决这个问题，这需要很多技术的协同。 首先，我们需要改进打印过程物理模型的构建。 学术界这几年做了大量的工作，应该说打下了很好的基础。 接下来需要的是基于这些经过精确验证的物理模型开发仿真软件，作为研究3D打印过程的主要工具，同时建立配套的、标准化的设备、材料和工艺数据库。 有了这个基础，就可以根据具体的技术和应用需求，构建过程开发、优化和控制的应用； 这里的技术可能性比较丰富，可以结合人工智能和数据科学实现高效的流程优化，也可以结合硬件的在线监控实现印刷过程的闭环控制，也可以是 与设计软件对接，形成从设计到生产的完整闭环。
上述技术的实现需要大量的投入和多学科的努力，但这也是增材制造进一步发挥其潜力，真正成为主流制造技术所必须攻克的技术门槛。 我们在过去的几年里也做了很多的投入，和很多合作伙伴一起取得了很多的进步。 2023年，我们将有更深刻的解决方案面向市场，在这里也可以期待。
Carbon软件副总裁 Hardik Kabaria
设计和制造领域存在某些痛点，需要在未来几年内通过集成工程解决方案加以解决。 例如，当工程师设计产品时，在使用 CAD 和 CAE 软件包进行机械和电气组件的设计过程中，可能会重复进行大量的体力劳动。 就在最近几年，在自动化设计过程方面取得了重大进展以抵消这一点，物理知识神经网络等工具被应用于 CAD 和 CAE 领域的问题。
工程师们还面临着碎片化流程的挑战。 设计阶段使用的原型制作过程与实际制造过程无关，尤其是围绕开发时间表和每个零件的预估成本。 这种脱节会导致摩擦、创新受限和上市时间延迟。 然而，增材制造行业正在取得进步，使原型制作和制造过程更加协调一致，我预计这将在未来几年内变得更加精简。 例如，Carbon 创建了一个软件解决方案 Design Engine，它统一了产品设计、开发和制造流程，以帮助设计师和工程师从构思无缝过渡到设计和最终生产。
同样，工程师目前需要处理制造零件的计量与非自动化或成熟的预期设计之间的反馈回路。 我们整个行业正在重塑产品物理组件制造商的设计流程——从印刷电路板和芯片到大型机械部件，如涡轮叶片和飞机机翼——因此这些反馈回路会变得更好，但这需要时间。 随着时间的推移，随着系统和流程的发展和成熟，产品开发周期将变得更加高效、先进和精简，这将有助于公司创造更好的产品并更快地将它们推向市场。
Raise3D创始人兼CEO 封华
3D打印市场经过近三十年的发展，未来十年面临哪些挑战？ 我想用TOE概念总结一下：T表示技术，O表示组织结构，E表示环境系统。 未来，从这三个方面来看，能否将3D打印应用于具体的商业应用，将是市场面临的最大挑战。
在技术方面，包括技术路线的选择，技术可能的迭代，自动化能否支持，如何与传统CNC相结合，或者部分替代传统制造方式。 在商业层面，企业的组织结构需要与发展步伐相适应，吸收3D打印等新技术，衡量是否对创新失败有一定的容忍度，是否从中获利是很重要的。 再创新是否符合预期或成本降低是否值得采用3D打印技术的努力。 此外，在环境方面，欧洲、美国和中国之间存在文化差异。 此外，领域、行业和企业的差异将是未来十年实施3D打印的最大挑战。
Formlabs首席运营官 Jason Fullmer
未来十年最大的工程挑战是支持日益增长的大规模定制需求，以及为更快、更灵活且与当今系统同样具有成本效益的新技术设计供应链。 3D打印支持这两个挑战，实现高效、具有成本效益的陆上生产，并提供在不增加材料或人工成本的情况下大规模定制消费者指南的能力。
例如，Formlabs Automation Ecosystem 将生产率提高了三倍，同时节省了高达 80% 的劳动力，将每个零件的成本降低了 40%，并将包装浪费减少了高达 96%。 凭借管理多用户、多材料打印机机群的能力，Automation Ecosystem 可实现连续生产，因此用户可以发送多份打印件以在夜间和周末运行，从而使大规模生产成为现实。
Creality CEO 敖丹军
最大的挑战是如何在平衡打印质量和保证成功率的同时，实现比现有打印速度提高5-10倍的打印速度。 此外，高速3D打印机的打印材料范围，尤其是工业级3D打印材料也有待拓展。 3D打印是一项涉及多方面努力的多学科技术。 我们将携手各领域合作伙伴，发挥3D打印的力量，形成合力，为工业4.0赋能。
Markforged 软件产品管理总监 Doug Kenik
当我们审视过去几年的制造业格局和需求演变时，我们看到该行业正朝着令人兴奋的方向发展。 两个新兴趋势将影响该行业：供应链中断和本地化以提高效率，以及数字世界的发展速度——这在现实世界中尚未达到。
这两种趋势的碰撞将带来制造和工程方面的挑战，要求进一步破坏制造以提高效率并在更短的时间内弥合物理和数字之间的差距。 这是大规模定制需求的体现，也是快速迭代和抑制昂贵开销的业务驱动因素。
克服这一挑战将需要成熟的本地化制造（例如增材制造）来增强传统流程，并通过数据和软件将其与数字自动化相结合，以提高传统和新兴制造的效率。 通过自动化提高效率将很快实现，但只能通过数据和软件的正确组合来利用。
Sculpteo首席执行官 Alexandre d’Orsetti
未来十年的最大挑战将是3D模型的设计和可用性。 我们在过去看到了巨大的硬件扩展，但3D模型的制作仍然有些复杂。 尽管如此，我们开始看到3D文件建模的一些自动化，以及说服市场和提供零件可靠性所需的强大仿真工具。
机器制造商、材料开发商和服务提供商面临的主要挑战是不断改进技术以满足客户要求的可重复性、质量、性能和每个零件的成本，以解锁新的应用程序，尤其是更大的系列。
AM-Flow 首席商务官 Carlos Zwikker
未来十年最大的工程挑战将是创建智能增材制造工厂。过去，我们关注的主要信息是，增材制造市场增长的关键驱动因素是降低每个零件的成本。我们相信现在仍然如此，并且很可能在未来几年继续成为相关信息。尽管市场不断增长，但扩大增材制造产量受到体力劳动的阻碍。体力劳动成本是扩大 AM 生产产量的一个抑制因素。 工作流程自动化是降低每个零件成本的先决条件，也是创建智能 AM 工厂的基础。 每个零件的成本降低使我们能够获得更多具有可行业务案例的应用程序，而这些可行的业务案例正是推动进一步增长的动力。
未来十年的工程挑战将是从非通信垂直领域——MES 平台、打印机、后处理工作站等——转变为贯穿增材制造生产设施的完全连接的端到端数字线程。
我们才刚刚开始这段旅程，因为这段旅程与印刷技术和增材制造工艺的成熟同步进行。 AM-Flow 将自己视为未来智能 AM 工厂的驱动力和硬件和软件工作流程自动化解决方案的提供商，我们积极寻求与所有其他公司合作，为智能 AM 工厂的数字事件链做出贡献 明天的。 我们认为所有公司之间将进行更密切的合作，以解决自动化 3D 打印工厂的难题。 对于最终客户而言，构建智能 AM 工厂不仅仅是购买更多打印机、多个后处理单元、工作流程自动化等。
联泰科技总经理 马劲松
主要挑战是通过生产需求实现产品性能，即高效率、高一致性、高稳定性和低成本，从中长期来看，实现分布式制造。
解决方案包括：
1.设计：采用新的设计平台，DfAM等。
2、材料突破：3D打印材料作为3D打印产业发展的原动力，一直对产业发展起到举足轻重的作用。 因此，3D打印材料是发展3D打印技术的重要基础。 在一定程度上，材料的发展是决定3D打印能否有更广泛应用的主要因素之一。
我们预计在 2023 年及未来，材料特性、渐变材料的实现和多材料打印将得到进一步发展。
3、3D打印成本将进一步降低，以适应更大产量的趋势。
4. 后处理技术将进一步发展：目前后处理复杂且成本高
5、数字化制造流程链将进一步完善，以纳入对3D打印塑造的敏捷商业模式的需求。
6、随着工艺链的集成，需要设备相互通信的趋势，以及参数集。
先临三维董事长兼CEO李涛
工程挑战是“准确性”和“速度”。 主要体现在实现快速、稳定、一致的制造能力的挑战。 如何实现产品质量的一致性，提高制造过程的标准化程度，也是先临三维在将每一款产品和解决方案推向市场时所关注的价值所在。 特别是与减材制造和模具制造工艺相比，3D打印工艺在控制打印产品质量方面具有更多变数。如何对整个过程的质量进行监控和追溯，将是一个系统工程的挑战，这涉及到各种传感器、内部结构和外观的3D测量等工程技术的综合应用，以及软件算法和AI提供的分析能力。
3D打印的自然之美在于制造更复杂的有机结构。 随着对打印件质量控制的要求越来越严格，这也对二维成像仪和三坐标尺寸测量技术提出了更高的挑战。 因此，Shining 3D高精度3D扫描和检测解决方案也越来越多地应用于增材制造零件的全尺寸测量。为了满足价值链的快速发展，相信与质量控制相关的各种工程技术的系统集成至关重要。
HeyGears CEO 桂培炎
数字链的开发和应用是增材制造发展必须面对的重大挑战，因为数据是贯穿智能生产的关键要素。
应对挑战，有两个问题密切相关。 一方面，数字链需要3D打印硬件与软件有效衔接，形成基于实际应用需求的一体化数字化解决方案。 因此，数字素材、人工智能、软件、大数据处理等专业技术值得关注和投资。
另一方面，应考虑消费者的心态。中长期来看，消费者消费方式的增加和消费习惯的改变将对3D打印应用产生更高层次的需求。 这将促进高科技3D打印商品和优质服务商的发展壮大。 技术的普及路径是有迹可循的，随着数字化应用在更多领域的落地和推广，3D打印将在我们的生活中发挥更大的作用，带来更多的便利和收益。
要通过技术研发投入应对挑战，吸引人才、储备人才、持续投入人才。 科技的发展可以给人们的生活带来美好的改变。 关键是始终从应用需求出发，将产业能力与底层3D打印数字技术相结合，将数据采集、数据管理、模型设计、3D打印设备、3D打印材料、后处理等生产流程智能化整合。
降低3D打印技术应用门槛的普及与针对高端智能制造市场的研发力度将并存。 随着3D打印产品不断开发出新的应用，相信未来3D打印行业会给人们带来更多的福祉。
LulzBot总裁 John Olhoft
弥合3D设计和物理对象创建之间的差距。 就目前而言，有大量杰出的创新者和工程师要么被 3D 设计吓倒了，要么没有时间投资 3D 设计。 我相信，更直观的软件，加上 3D 打印带来的速效，将有助于在未来十年内减少 3D 设计的障碍。
Repkord LLC创始人 Alan “Pooch” Puccinelli
我们正在使用过时的制造模式，并且经常依赖海外供应商以经济的方式生产我们需要的零件。 随着时间的推移、政治因素以及能源和运输成本的增加使得这种吸引力越来越小。 与其依赖大型制造中心，我们需要开发更小的分布式制造系统，使我们能够最大限度地降低运输成本，并更多地转向可以根据区域需求轻松调整的按需制造。在我看来，问题不是技术问题，而是物流和商业头脑。 社区需要获得更大的权力来生产自己的商品，以此作为实现独立和支持当地经济的手段。
