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此文，我们将聚焦制造业，阐明增材制造对制造、运输、包装和 STEAM 的影响。
虽然许多人并不常考虑他们使用的产品是如何制造出来的，但从牙刷到汽车，几乎我们使用的每件物品或系统的背后都是制造世界--负责将原材料转化为产品。
随着 3D 打印（又称增材制造）等新型制造工艺越来越普遍，人们对它们将如何改变和颠覆制造业产生了疑问。如今，虽然3D 打印不会完全取代现有的制造工艺，但它正在其中找到自己的角色，既能提高制造效率，又能填补小批量和定制零件的生产空白。
本文是 UltiMaker 支持的 "增材制造在制造业、交通运输、包装与自动化以及 STEAM 领域的广泛影响 "系列文章的第二篇。在这篇文章中，我们将特别关注工业制造这一垂直领域，以了解 3D 打印技术不仅如何融入现有的生产工作流程，而且如何帮助改变生产链，更广泛地说，如何制造零部件。
3D打印在制造业应用中的优势
制造商对增材制造技术的兴趣与日俱增。但是，在制造业中使用 3D 打印技术究竟有哪些优势呢？让我们一起来看看。
更快的交货时间
可以说，采用3D打印技术制造产品的最大好处是可以加快交付周期。在制造业，3D打印最早用于原型设计，以加快产品开发。在3D打印之前，由于模具和工具的周转时间较长，原型制作可能需要数周甚至数月的时间。现在，产品开发人员可以轻松地打印一次性原型，对其进行评估，然后在 CAD 软件中实施更改，直至设计得到验证。更快的交付周期也扩展到其他制造应用，如模具和备件。在这些情况下，快速打印制造部件可以提高产量，最大限度地减少机器停机时间。
按需生产
除了更快的交付周期外，3D打印技术还是最灵活的生产技术之一。该技术无需工具或模具就能直接生产出各种零件，这意味着制造商可以即时制造零件。注塑成型需要特定的生产设备和大批量生产才具有经济可行性，而3D打印则不同，它可以按需生产小批量零件。这种能力还能减少库存和存储需求（及其相关成本）。
客户定制
与3D打印技术所带来的灵活性相一致，该技术也非常适合生产定制化产品和零件。只需调整3D模型或从头开始设计一次性部件（例如使用逆向工程），3D打印机就能以经济高效的方式制造出个性化或独一无二的部件。这种能力使制造商生产出独特的机器零件或夹具，并使其生产能力多样化。
数字化设计文件和 3D 模型库存使分布式制造成为可能
设计自由
设计自由一直是3D打印的最大卖点之一，这是有道理的。这项技术能够创造出以前不可能实现的几何形状，包括复杂的有机形状和内部晶格。这种优势本身就有许多连锁优势，包括创造更高性能的零件、零件整合（最大限度地缩短装配时间）和更高的材料效率。换句话说，零件的设计既能满足性能要求，又能最大限度地减少材料用量。这可以降低制造商的材料成本。
分布式制造
为了降低供应链风险，分布式制造的概念在制造业中越来越流行。简而言之，分布式制造要求产品产地点多样化，通常着眼于本地化生产。利用3D打印技术，企业只需将设计文件发送给不同地点的制造商，就能实现更高效的本地化生产。这种方法不仅具有供应链优势（当其他制造商无法完成生产时，可更换制造商），还具有潜在的环境效益，因为它最大限度地减少了产品运输的需要。
制造业工作流程中使用3D打印的方式
既然我们已经看到了增材制造技术在工业制造领域的诸多优势，我们想重点介绍一下该技术目前在垂直行业的一些具体应用方式。
快速原型制作
如今，3D打印是快速原型制造的主要方法之一。事实上，这种应用仍是AM应用最普遍的领域之一，72%的制造商使用这种技术来创建原型。AM不仅可以快速制作原型，如果需要更改，无论是全面设计还是小幅调整，用户都可以通过数字方式进行更改，然后重新打印以进一步验证。这种方法不仅能加快产品开发速度（从而缩短整体生产周期），还能改进整体产品设计，因为可以在不增加大量时间或成本的情况下进行多次迭代。
在Rosti创新实验室使用的 Ultimaker S5 3D 打印机
模具和夹具
模具市场价值超过736亿美元，是传统制造业的重要组成部分，越来越多的制造商开始采用3D打印技术制造模具镶件、装配辅助工具和夹具，以简化生产工作流程。
3D 打印装配工具
与传统生产方法相比，3D打印技术能够快速按需生产这些重要的制造部件。例如，注塑成型公司Rosti Group已成功使用 UltiMaker S5 Pro 套装来快速、低成本地生产装配夹具。与更传统的 CNC 加工相比，该公司将交货时间从一周缩短到仅 7 小时，成本从每个零件 450 美元降低到仅 15 美元，而所有这一切都不会影响质量或强度。
在桌面式FFF 3D打印机上高效、经济地生产出复杂不锈钢零件
此外，3D打印定制夹具和装配夹具不仅能提高生产效率，还能增强操作员和工厂车间的安全性。工业服务提供商 ERIKS 广泛使用 UltiMaker 的 3D 打印解决方案来提高现场安全性。例如，这家荷兰公司经常使用一种 3D 打印工具，只需一个人就能安全地更换一大卷包装膜。由于使用了这种工具和其他辅助工具，该公司表示，通过消除安全隐患和提高产量，其生产设施节省了 35 万欧元。
3D 打印工具使操作员能够快速、安全地更换一卷包装膜
备件
任何制造商的一项重要工作就是确保生产线上的每台机器和流程都能顺利运行。在某些情况下，哪怕是一台机器出现故障，生产运行都会大大延迟。3D打印技术可以帮助克服这一难题，制造出所需的备件，最大限度地减少机器停机时间。德国3D打印服务公司 3D Point 使用 UltiMaker S 系列打印机为许多不同的客户提供备件。这些打印部件是成批打印的（通常每个订单打印 300 至 5000 件），可帮助从运输到消费品等各行各业的客户保持生产和运营的顺利进行。
有了3D打印技术，制造商就可以建立数字化库存，并快速打印出机器的临时替换零件，在等待 "正式 "零件到来的同时保证机器正常运转。在某些情况下，由于碳纤维复合材料等工程级材料的兴起，还可以直接打印出备用零件。对于传统系统，可以对过时的部件进行逆向工程，延长机器的使用寿命，否则这些机器将无法使用。从 2017 年到 2021 年，AM 在维修和维护方面的应用增长了超过了30% 。
最终产品
当然，3D打印不仅用于支持传统的制造工作流程，它本身也可以作为一种生产技术。如今，各行各业的制造商都在利用增材制造技术生产最终零件和产品。这一应用领域的发展部分归功于材料的多样性，从高温热塑性塑料到复合丝，再到金属不锈钢，不一而足。
值得一提的是，这项技术并不是要与注塑成型等大规模生产工艺竞争。相反，它有助于填补生产能力上的空白，特别是对于定制产品、小批量生产以及具有复杂几何形状的精密零件，使用其他工艺是无法生产的。
未来创新的机遇
尽管增材制造在工业制造应用中的使用率显著增长，但仍存在尚未开发的机遇。具体到制造辅助设备，传统制造工艺仍占市场价值的主导地位（84%），而3D打印技术正以 16% 的份额（价值 10 亿美元）取得进展。
快速成型制造在工业制造应用中具有巨大潜力
人们对 AM 现有功能的进一步认识，以及硬件、软件和材料进步带来的新机遇，将推动人们继续采用这种技术。在技术层面上，随着打印硬件和软件变得越来越复杂和自动化，3D 打印将变得更加节省成本和时间，从而在制造领域得到更广泛的应用。我们可以以大尺寸增材制造（LFAM）为例来说明这一点：随着这项技术的发展，将有机会制造出更大的制造部件，如汽车和建筑行业的模具。
材料供应曾一度成为制约 AM 应用的瓶颈，但现在材料供应却在不断增长。工程级热塑性塑料和重型复合材料已经有可能取代终端应用中成本较高的金属零件，从而进一步提高生产线的效率。例如，UltiMaker Method 系列包括纯聚合物和重型复合材料，专为制造应用而设计，已经为工业制造商创造了价值。
最后，3D打印技术通过分布式制造、数字化库存、按需打印和更高的材料效率，创造出更加灵活的生产链，从而有可能加强全球供应链。总之，它赋予制造商更大的自主权，实际上缩短了供应链并提高应变能力。
接下来……
3D打印技术对工业制造的影响是毋庸置疑的：从原型设计到模具制造，再到最终使用部件，该技术带来了显著的优势和各种变革性应用。在本系列的下一篇中，我们将转向交通运输业，探讨快速成型工艺如何推动汽车、飞机、火车等产品的生产。
