案例洞见3D打印生态系统发展的驱动因素和成功因素

　　根据3D科学谷的市场观察，增材制造-3D打印作为典型的数字化制造技术，从设计到生产再到质量保证（QA）的整个工作流程中都运转着海量的数据。增材制造设计的复杂性与材料、生产参数、质量要求等众多因素相互依存，面对巨大的复杂性，如何激发增材制造技术的潜能，使之成为一种用于生产的制造技术？

　　本期，3D科学谷“谷透视”行业观察系列，将结合业界专家的视角来与谷友一起来感受3D打印从制造原型迈向增材制造用途的过程中，所需要的生态系统发展的驱动因素和成功因素。

　　根据ACAM亚琛增材制造中心，ACAM亚琛增材制造中心对增材制造在多功能材料方面的愿景为无限组合的材料与技术，而最终的目标是点击即生产。ACAM亚琛增材制造中心定义达到这个愿景的进阶过程包括5个梯度，当前的世界范围内的发展大多还处在Level 0的水平，Level 0为功能化增材制造过程，Level 1为可预测的增材制造过程，Level 2为自动化的增材制造过程，Level 3为全自动化的增材制造包括前处理与后处理，Level 4为集成化的全自动化不同制造工艺的组合。

　　早期我们看到很多3D打印设备，都会选择封闭的生态系统，包括其专用材料和专有软件等，这种排他性一方面似乎为用户带来了制造的便捷性（无需反复试错），但另一方面似乎又遏制了应用端的活力和自主空间。

　　业界一个普遍的共识是早期的3D打印市场虽然存在一定的生态圈合作，但由独家合作伙伴关系掌握着话语权，并且用于生产操作的材料是有限的，通常只能通过机器制造商公司获得。

　　一方面，这更加开放的生态系统增加了增材制造行业价值链上所有参与者的竞争，另一方面，也加速了整个行业向增材制造产业化的方向发展。3D打印行业的生态发展呈现出一种小溪流入大海的开阔感。

　　虽然封闭带来一定程度的安全感，但业界的共识是“接入大海”的开阔才能激发整个行业朝向产业化方向发展的活力，这其中，开放为3D打印生态系统发展注入新的驱动因素，并造就成功因素。

　　在这方面，一个典型的例子是西门子。对西门子而言，软件或自动化领域的解决方案是开放的，并在必要时与许多解决方案兼容。西门子在这方面致力于开放和标准化的连接协议，如 OPC-UA 或与 3MF 联盟合作的通用文件格式。

　　如何理解开放所注入的产业化活力呢？在这里，鞋类的3D打印产业化发展是理解这一话题的最佳案例。

　　鞋类中底或鞋垫被视为全球增材制造的一大应用，然而，大多数鞋业公司都是设计和营销驱动的，内部没有自己的增材制造工艺专业知识。

　　通过开放生态系统中的合作，开发可持续、高性能和具有成本效益的中底解决方案，从而通过3D 打印扩展到大规模定制市场。仅 6 个月后，两家公司就成功开发和生产了一款完整的鞋，该鞋采用 100% 可回收材料，展示了更加可持续的制造解决方案，并由于独特的点阵中底设计使得更加节约材料。

　　同样，该团队还基于选区激光烧结 (SLS) 技术开发了全数字化生产双胞胎，以证明与传统制鞋技术相比，新型增材制造“iAMfootwear”生产解决方案的成本效益。

　　开放式的合作不仅直接带来了产业化的活力，加速产业化的发展，还在基础研究方面为产业化发展铺垫更多的基石。

　　一个典型的例子是，在定向能量沉积技术 (DED) 中，下一波DED技术突破增长的主要瓶颈是3D打印产品质量的可追溯性、加工过程的可靠性。为了突破这一瓶颈，工业公司的生态系统项目团队与汉堡的弗劳恩霍夫Fraunhofer IAPT 研究所合作。在该项目中，Fraunhofer IAPT 和 Siemens AG 与 BeAM/AddUP、MT Aerospace、赛峰、Ariane、Precitec和 New Infrared Technologies合作，将激光金属沉积 (LMD) 的质量保证数字化。

　　这种非常国际化的合作伙伴关系的目标是通过为利用新传感器技术的西门子工业物联网平台 (IIoT) Mind-Sphere 开发整体质量保证工具，来提高 LMD 过程的过程稳定性。

　　Fraunhofer IAPT 在 LMD 过程和数据分析方面拥有多年的专业知识，而 Siemens作为自动化和数字化领域的领先公司，引入其在机器和数据分析方面的专业知识。Precitec、NIT 和 BeAM 公司为 Fraunhofer IAPT 的 BeAM Modulo 400 LMD 机器配备特殊的传感器功能，这增强了当前最先进技术的数据收集能力。此外，MT航空、赛峰和 Ariane 利用他们的 LMD 领域的实践经验为该项目做出贡献，并帮助指导该项目，从而使基础研究获得切实利益。

　　增材制造走向工业化生产所面的障碍之一，是在制造设备硬件端与设计数据端存在着众多互不连接的过程链，在数据端从零件的设计，到仿真模拟，再到打印前的准备，以及后续的与后处理加工设备的衔接中，存在着多种文件格式转换步骤，打断了从设计到制造过程中的数据主线，让CAD、CAE和CAM的数据之间没有办法进行相互验证和更新。同时，流程中众多硬件与软件让整个工艺流程断裂，没有办法对整个过程中的操作进行追溯，容易发生工作过程的失控。

　　3D打印行业开放的生态发展趋势也在催生兼容并蓄的端到端的解决方案，在这方面，国际上的案例是西门子提出了”提供集成的端到端单一系统，实现增材制造工业化应用” 的愿景，面向产品开发和生产提供端到端集成软件系统，助力生产制造企业实现增材制造零件生产。西门子NX 软件的增材制造功能通过无缝集成促进了从设计模型和打印零件的整个过程，无需在应用之间转换零件，也无需对零件重新建模。制造企业中的多个生产团队能够用一个综合性系统并行处理同一个零件。

　　在此过程中，用一个智能模型就能驱动整个过程，消除不同应用程序之间的数据转换，从而实现无缝的“设计到 3D 打印”工作流程。对于航空航天与国防领域的制造商来说，西门子NX 端到端增材制造软件，尤为有意义的是，由于消除了数据在多步骤之间的转换，转换中可能出现的错误也得到避免，提高3D打印零件的可追溯性。

　　知之既深，行之则远，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察，敬请持续关注3D科学谷“谷透视”行业观察系列。