2018 Gartner預測：3D打印和增材制造的5大趨勢

數字化3D打印硬件平臺、軟件和材料以及相關技術不僅給精密零件制造帶來突破，也將改變組織的業(yè)務模式。具體來看，航天工業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、創(chuàng)業(yè)者們因為3D打印和增材制造獲益不淺，同時也模糊了零售商和制造商之間的界線。實踐告訴我們，3D打印使用不會危及組織的核心制造能力或現有產品線。

本文主要觀點：

1. 到2021年，75%的新型商用和軍用飛機將使用3D打印部件飛行；

2. 到2021年，25%的外科醫(yī)生術前將在3D打印的解剖模型上練習；

3. 到2021年，20%的消費品公司將使用3D打印來制作定制產品；

4. 到2021年，20%的企業(yè)將成立內部創(chuàng)業(yè)公司，開發(fā)基于3D打印的新產品和服務；

5. 到2021年，40%的制造企業(yè)將建立3D打印中心。

3D打印和增材制造使用設備從數字模型創(chuàng)建物理對象，其輸出可以是原型、工具、夾具或成品。3D打印和增材制造由7項制造技術組成，使用范圍廣泛，包括塑料、陶瓷、玻璃、金屬等。目前，其重要趨勢是將3D打印集成到高級的硬件、軟件、材料制造平臺，促使傳統(tǒng)制造得到改造，擴展價值鏈，從而獲得更高的伸縮性等先進制造的現代屬性。

1、到2021年，75%的新型商用和軍用飛機將使用3D打印部件飛行

30年前，航空航天行業(yè)是首批采用3D打印的行業(yè)之一。由于產品設計和開發(fā)時間過長，航空航天制造軍品商擁有飛機模型和部件的早期測試平臺。今天，蔓延到多個業(yè)界，多數正在建立基礎設施，以支持其組織和供應鏈中的多個3D打印業(yè)務。雖然在所有行業(yè)中，原型機制造仍然是3D打印的主要用例，但航空航天顯然已經積極地跨出了一步，即實戰(zhàn)。軌道發(fā)射器領域已經成功地進行了70次3D打印的Aeon 1發(fā)動機的測試。Aeon 1使用氧氣和甲烷作為推進劑，其材料也將是火星上最容易制造的材料。空客320的“仿生分區(qū)（bionic partition）”無法使用傳統(tǒng)的制造和加工技術建造，使用3D打印，比目前的設計每年可以節(jié)省465000噸的二氧化碳排放量。波音公司已經在四個國家設立20個增材制造網站。超過50000個3D打印部件在商業(yè)和國防領域得到應用。GE航空渦輪螺旋槳發(fā)動機設計的855個常規(guī)制造部分，被劃分為12個3D打印板塊，產生10%馬力，節(jié)省20%燃料，導致更短的開發(fā)周期和更低的開發(fā)成本（下圖）。

3D打印的附加制造過程可以使其幾何形狀（甚至材料的同分異構體）成為可能，這在任何其他技術中都是不可想象的。其結果是3D打印的部分達到或超過了常規(guī)版本的性能要求，顯著降低燃油消耗和二氧化碳排放。

從市場來看，75%的飛機（商業(yè)、軍用和無人駕駛飛機（UAV））將用3D打印組件飛行的想法聽起來很牽強，尤其是如果你只考慮復雜的發(fā)動機等等。事實是，有限的發(fā)動機、機身和其他3D打印部件將在未來幾年內增加，將驅動整個航空工業(yè)使用3D打印的競爭壓力，在相關供應鏈的驅使下，這種壓力將進一步加劇，因為3D打印的使用將導致重復供應鏈——一個用于常規(guī)制造，一個用于增材制造，從而導致對備件的重復需求。由于服務機構(內部和供應商)需要在3D打印機中購買3D打印替換部件，情況將變得更加復雜。例如，軍用飛機承包商會找到更多的軍品商，就像今天美國軍方的每一個分支一樣，他們正在開發(fā)3D打印的替代設備，以取代昂貴的原始部件和無人機。

2、到2021年，25%的外科醫(yī)生術前將在3D打印的解剖模型上練習

國際頂級醫(yī)院結合醫(yī)學影像軟件和服務，不斷提升3D打印硬件水平，培訓外科醫(yī)生及新員工3D打印水平。目前，近3%的大型醫(yī)院和醫(yī)療研究機構在現場都有3D打印技術能力。手術和術前準備的三維模型已通過以下方式得到改進：一是設計，即改進用戶體驗設計；二是計算機斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)和其他醫(yī)學成像技術；三是得益于基于云的CAD和建模軟件。

在美國，隨著3D打印技術的進步和其他技術的進一步完善，3D打印將從醫(yī)院教學和專科中心擴展到更廣泛的醫(yī)院系統(tǒng)。例如，波士頓兒童醫(yī)院結合3D打印進行團隊訓練和術前計劃，臨床醫(yī)生、工業(yè)工程師、設計師、模擬專家、插圖師和病人護理團隊都參與其中。在組織架構上，3D打印部門獨立于個別部門，如外科或放射科，以防止所謂“草坪問題”的出現。

3D打印已經被用來制作真實的解剖模型和外科訓練輔助工具。越來越多地，3D打印被作為單獨使用輔助工具，具有個性化的元素(既包括病人，也包括外科醫(yī)生對方法和工具的選擇)。估計到2021年，這將是一個十億到二十億美元的市場；到目前為止，3D打印在術前計劃階段使用最頻繁。國際上一些研究人員發(fā)表了關于使用3D打印植入物的研究數據和研究報告(例如，脊柱手術，78%的脊柱病例的結果改善，而并發(fā)癥發(fā)生率和臨床結果與其他一些手術相比沒有變化)。在醫(yī)療領域，3D打印將從模糊的后臺實驗室更多地移動到最前線，作為術前準備和模擬方案的重要組成部分。長遠來看，新技術，如增強現實、虛擬現實、混合現實技術將與3D打印技術協作融合，將提升動態(tài)解剖建模并產生和發(fā)揮特殊功能。

3、到2021年，20%的消費品公司將使用3D打印來制作定制產品

3D打印可能對消費品公司供應鏈產生重大影響。尤其是滿足特定定制需求的類別中，減少庫存，成本和生產可以更接近最終客戶。這種向本地生產轉移以供當地消費的做法將迫使商業(yè)公司重新考慮其商業(yè)模式。例如，消費者或完全不相關的第三方可以成為完整產品的最終生產者或產品一部分的提供者而參與實際的產品交付。例如美國一家名為raceware的公司使用3D打印制作所定制的自行車部件，而美國一家零售初創(chuàng)公司則在當地生產3D打印服裝。阿迪達斯等體育用品生產商都是圍繞鞋底、鞋墊的3D打印，甚至是個性化的鞋墊圖案來提升高端品牌的。這些產品有更高的價格，而且是定制的，旨在提高運動員的個人表現。

總的來看，3D打印不太可能完全取代任何消費品市場的大規(guī)模生產。與傳統(tǒng)制造技術相比，企業(yè)必須學會在何時何地進行成本效益權衡。這一評估延伸到供應鏈，并確定當地3D打印能力何時何地比庫存大量備件更具成本效益。3D打印在消費品中的關鍵影響因素之一是潛在的大型產品責任訴訟，圍繞著哪一方對導致財產損害或損害的產品失效負責。玩具、電器和性能運動設備等產品都必須經過安全測試。與傳統(tǒng)的大規(guī)模生產不同，3D打印產品的失敗可能是設計的錯誤、用于打印對象的材料、3D打印設備，而每一個部分都可以由不同的實體擁有或生產，法院必須決定誰是責任方，因而裁決是復雜的。3D打印產品將進一步模糊零售商和制造商之間的界限。

4、到2021年，20%的企業(yè)將成立內部創(chuàng)業(yè)公司，開發(fā)基于3D打印的新產品和服務

現在，商業(yè)以閃電般的速度發(fā)展，而技術的發(fā)展則更快。技術破壞一夜之間改變公司或整個行業(yè)。老牌企業(yè)不斷面臨來自全球一半地區(qū)的初創(chuàng)企業(yè)和新興公司的競爭。即使是大公司也必須集成3D打印技術進入他們的研發(fā)、工程和制造集團，并建立一個內部推進3D打印和其他創(chuàng)新技術進入公司整體流程的業(yè)務部門。這些初創(chuàng)公司通常有獨立于公司運營的自由，但具有利用企業(yè)設施的能力，如物理設施、財務、人事和采購，以降低成本。一旦成功，一家內部初創(chuàng)企業(yè)就會發(fā)展其研發(fā)和制造，工藝和產品進入主流制造業(yè)務，或主流業(yè)務。在過去的幾年里，一些大型的企業(yè)工程組織，如空客、巴斯夫和通用電氣，已經建立了工業(yè)規(guī)模的3D打印內部創(chuàng)業(yè)公司。這些公司能夠加快將3D打印集成到他們自己的制造過程中，因為這些零件使用傳統(tǒng)的制造方法，要么太困難，要么成本太高，它們還能夠繞過大公司中已建立的管理鏈，它們往往扼殺、而不是鼓勵創(chuàng)新和冒險。除了加速創(chuàng)新之外，這些內部初創(chuàng)企業(yè)還有助于在公司內部識別企業(yè)家，并吸引外部工程人才，特別是那些永遠不會考慮在這么大的公司工作的人才。

內部初創(chuàng)企業(yè)并非沒有問題。與大多數真正的初創(chuàng)公司不同，內部初創(chuàng)企業(yè)的員工有工資保障，當然高風險與高收益并存，單談收益可能不如真正初創(chuàng)公司，也許創(chuàng)業(yè)公司的員工在真正的創(chuàng)業(yè)公司里幾乎沒有工作崗位。擁有內部初創(chuàng)企業(yè)的公司必須找到既能吸引員工又能成功回報員工的薪酬公式。

5、到2021年，40%的制造企業(yè)將建立3D打印中心

到2021年，40%的制造企業(yè)將建立3D打印中心（例如，波音、GE、Johnson、RollsRoyce和Siemens）。這些企業(yè)將3D打印相關工作流集成到關鍵業(yè)務流程中。3D打印中心以專注于改進設計創(chuàng)新、標準化等關鍵流程，重點關注質量和檢查流程的改進。3D打印中心還可作為培訓機構或供應鏈合作伙伴的經驗交流中心。

中型企業(yè)制造商正開始效仿建立3D打印中心，但投資較小。這些公司傾向于將3D打印服務外包，因為所需的資本成本和專門的勞動力通常都太大，無法維持。

3D打印技術的主要增長動力在新興市場，在巴西，南非和土耳其等幾個在新興市場上，3D打印發(fā)展神速。事實上，南非的研究更深入了一步，aeroswift 3D打印機打印速度是現有的粉床融合設備速度的10倍，建造面積是2000毫米x 600毫米x 600毫米，是世界上最大和最快的打印機。

高德納曾經估計，3D打印將導致全球每年至少一千億美元的知識產權損失，2017年全球制造業(yè)產出將達到十二萬三千億美元。根據沃勒斯合伙人的數據，2016年，全球制造業(yè)產出中只有不到0.05%是3D打印的，如果2018年這一比例上升到0.075%，3D打印將產生九十二億美元的全球制造業(yè)產出，這九十二億美元的3D打印產品總產量遠低于2014年預計的一千億美元。2017年，各種制造手段生產的所有假冒偽劣零部件和產品的價值范圍很高，預計2017年為一萬三千七百六十億美元，這一估計不包括盜版軟件、音樂和視頻內容。假設價值九十二億美元的3D打印產品中有11.2%是偽造的，那么3D印刷產品導致的知識產權盜竊估計為十億三千萬美元。即使這個估計值也很高，因為它包括了一些非3D打印的產品類別，如飲料、化學品和液態(tài)石油產品。因此，假冒3D印刷產品的價值不到十億三千萬美元，遠低于一千億美元的預測值。雖然高德納的預測大為減少，但知識產權盜竊仍然是一個跨國問題，因此知識產權這一潛在的關鍵問題，會影響3D打印技術及使用設備的普及。

本文由上海市科學學研究所產業(yè)創(chuàng)新研究室副研究員孟海華根據Gartner相關報告翻譯撰寫。