增材製造（AM）在給傳(chuan) 統製造策略帶來越來越大的顛覆性變化。鑄造或銑削等常規工藝流程將被取代。AM除了不受特定形式約束的工藝流程所帶來的諸如幾何自由度、重構和資源保護等優(you) 勢外，還具有巨大的經濟優(you) 勢和良好的可用性。但最根本的優(you) 勢在於(yu) ，它不隻是對傳(chuan) 統部件的複製，更是全新的設計與(yu) 仿生設計方法。加快產(chan) 品上市時間、快速供貨及減少閑置時間，都在其中得到了體(ti) 現。至於(yu) 有關(guan) 作為(wei) 全球化副作用的供應鏈過長的爭(zheng) 論，AM也提供了本地化生產(chan) 的可行途徑。本地生產(chan) 意味著價(jia) 值創造、產(chan) 品開發、產(chan) 品製造將離客戶更近。而減少物流開支則有助於(yu) 實現氣候目標。

為(wei) 了提高脊柱的活動能力，這個(ge) 椎間盤假體(ti) 的上下兩(liang) 隻外殼上連接著一個(ge) 鈦製雙彈簧。其 內(nei) 芯還含有緩衝(chong) 矽膠填充物。可以根據患者的解剖結構使用激光切割工藝製造假體(ti) © Tsunami

經典的材料類別包括金屬、陶瓷和塑料。就金屬和激光切割工藝來說，由德國ConceptLaserGmbH公司創始人之一FrankCarstenHerzog開發的基於(yu) 粉末床的金屬激光熔融工藝（市場份額約占全球所有金屬AM係統的80%），因為(wei) 總是能夠使用經認證的粉狀原材料，所以很早就可以應用於(yu) 醫療器械。類似的方法也適用於(yu) 陶瓷基解決(jue) 方案。由於(yu) 聚合物材料的多樣性及材料特性，工藝上稍微複雜一些。這就是為(wei) 什麽(me) 金屬應用取得了5到10年的先機。

在對醫療行業(ye) 有所了解時，我們(men) 可以看到許多獨立的應用類型：髖關(guan) 節、關(guan) 節或脊柱植入物、顱骨或牙科用假牙。醫療設備、實驗室設備或高科技藥物中使用的組件也在這一陣列內(nei) （圖1）。目前，最主要應用包括複蘇和呼吸機用閥門。即使是獸(shou) 醫也知道一係列3D打印植入物應用實例。

3D打印供應商及用戶的市場發展概況

根據WohlersReport2020（《沃勒報告2020》）介紹，增材製造產(chan) 品和服務的總價(jia) 值估計為(wei) 119億(yi) 美元，其中，醫療市場約為(wei) 17億(yi) 美元。預計到2024年，醫用增材製造設備、材料、軟件和服務的總價(jia) 值將達到22億(yi) 美元。沃勒報告認為(wei) ，如此驚人的增長，想要跟上發展的步伐會(hui) 是一項挑戰。

圖1 在一塊構建板上同時製造心髒手術自動縫合裝置中的幾個(ge) 部件(© Sutrue)

SmarTechAnalysis公司預計，2029年全球市場規模約為(wei) 550億(yi) 美元。更為(wei) 保守的分析機構（如3DHubs）預計年增長率介於(yu) 18%-27%之間。但即便如此，這也比迄今為(wei) 止其它許多行業(ye) 的增長更為(wei) 突出。英國市場分析企業(ye) Context預測，未來數年，3D金屬打印機（表1）和聚合物打印機（表2）將以兩(liang) 位數的速度增長。但工業(ye) 化量產(chan) 和中等規模的係列化生產(chan) 是增材製造領域銷售額增長最快的部門。而這隻是一部分醫療技術類型。

                                                                                                   表1 金屬打印前5強（係統價(jia) 值在20000美元 以上）

在全球市場層麵，安永研究報告稱，2019年，有722家AM公司來自歐洲，421家來自美洲，168家來自亞(ya) 洲，但業(ye) 內(nei) 的AM供應商目前正處於(yu) 整合階段。特別是，過去十年的巨大增長，來自眾(zhong) 多創新的推動，以及價(jia) 格的整合正發揮作用。雖然主要參與(yu) 者可能會(hui) 感受到強烈的影響，但小型初創企業(ye) 仍在加快進入這一充滿活力、還遠未飽和或在為(wei) 生存而戰的市場。

                                                                                                   表2 聚合物打印前5強（係統價(jia) 值在20000美元 以上）

另一方麵，對醫療行業(ye) 和其它各個(ge) 行業(ye) 的用戶而言，情況看上去非常好，對於(yu) 眾(zhong) 多以AM專(zhuan) 業(ye) 知識和製造能力引導眾(zhong) 多行業(ye) 進入3D打印世界的3D打印服務提供商，同樣如此。用AM改進現有產(chan) 品的可能性實在太誘人了。熱門的關(guan) 鍵詞包括仿生設計、輕量化結構、針對患者的個(ge) 性化部件、無需任何裝配、可大幅減少裝配件中組件數量、可以分散製造和快速交付的一次性使用器械等。

鈦應用示例：髖臼植入物

基於(yu) 西方嬰兒(er) 潮一代的人口統計學，用於(yu) 人類肌肉骨骼係統的矯形植入物扮演著越來越重要的角色。髖關(guan) 節、膝關(guan) 節和脊柱植入物被認為(wei) 是一個(ge) 與(yu) 之相關(guan) 的新興(xing) 醫療技術市場。因此，來自愛爾蘭(lan) 科克的斯特萊克公司（Stryker）利用電子束熔化（EBM）技術開發了一種新的三維鈦髖臼係統（圖2）。該係統於(yu) 2016年獲得美國食品藥物監督管理局（FDA）的批準。Stryker將此產(chan) 品命名為(wei) TridentII髖臼係統，並強調這是一種非膠結解決(jue) 方案，從(cong) 而大大提高了它在體(ti) 內(nei) 的壽命。

圖2 3D打印鈦髖臼係統(© Stryker)

3D打印工藝可以生成傳(chuan) 統方法無法實現的高度複雜的幾何結構。整個(ge) 植入物，包含鈦髖臼係統、球頭和由金屬、陶瓷、聚乙烯或鋁-陶瓷複合材料在內(nei) 的殼形嵌體(ti) ，具有持久的運動學機械性能，具體(ti) 取決(jue) 於(yu) 材料的相容性、負荷以及鎖定機製。當然，這類3D解決(jue) 方案供應商有很多家，如B.Braun、Surgival、SurgTech、Implan-Tech、Imeco、Medacta、link、Rentec等。

聚酰胺應用示例：用於(yu) 心肺複蘇機的文丘裏閥

早在2020年3月，歐盟就對SARSCoV-2大流行作出了回應，並向歐洲AM行業(ye) 伸出了援手。該計劃旨在利用3D打印等策略，解決(jue) 醫用防護設備如N95呼吸裝置、口罩、麵罩、麵屏或手術服，以及醫療保健用複蘇和呼吸設備的短缺，和對全球供應鏈的強烈依賴。主要供應商如德國呂貝克的Draeger，以及來自各個(ge) 行業(ye) 的工廠和設備安裝商、加工商都響應了求助的呼聲。其中的許多企業(ye) 以前從(cong) 未生產(chan) 過類似產(chan) 品。

用於(yu) 複蘇和呼吸裝置的文丘裏管閥就是一個(ge) 很好的例子（圖3）。其難度在於(yu) ，要在很短的時間內(nei) 3D打印出原先采用傳(chuan) 統工藝製造的消耗性部件。這正是發生在意大利布雷西亞(ya) 醫院的故事：總部位於(yu) 米蘭(lan) 的FabLab公司在該醫院安裝了一台聚合物3D打印機。先是掃描了原來使用過的閥門，再3D打印出新的閥門，心肺複蘇機因此從(cong) 未停止運行。後來，LonatiSpa使用聚合物激光粉末床熔融工藝進行了係列生產(chan) ，以打印聚酰胺零件並供應給意大利醫院。

圖3 呼吸機用三維打印聚酰胺文丘裏閥(© Lonati)

這在業(ye) 內(nei) 被稱為(wei) “按需製造備件”：當無法為(wei) 特定形式的解決(jue) 方案提供部件或采購時間過長時，做到這點十分重要。同時，在這種情況下，再製造也非常值得一提。如果您的首要任務是重新設計一個(ge) 備件，很可能會(hui) 用不需要一次性組裝的3D打印組件來替代包含多個(ge) 組件的部件。

門診用口鼻防護麵罩

新冠肺炎疫情爆發之際，專(zhuan) 業(ye) 醫護人員用防護設備成為(wei) 全球性的重大挑戰。首先，隻有緊急儲(chu) 備；其次，大部分不在歐洲地區生產(chan) 。供應鏈和交貨時間太長。價(jia) 格飛漲到不可想象的水平，質量也令人懷疑。如果更多的專(zhuan) 業(ye) 醫護人員無法工作，危機可能會(hui) 像我們(men) 在其它國家看到的那樣演變成一場災難。

圖4 可重複使用的口罩，濾芯插在兩(liang) 個(ge) 軟塑料半殼之間(© Innocept.)

在這種不確定的情況下，德國Bamberg診所的急診室詢問是否有一種麵屏3D打印解決(jue) 方案。這是包括一條頭帶和一片亞(ya) 克力玻璃的非常簡單的設計。不可能再創建任何認證模型，隻是生產(chan) 包括麵罩、防護服和口罩等臨(lin) 時防護器械。另一點也非常清楚，即：這隻能在適當的網絡中工作，因為(wei) 3D打印永遠隻能是解決(jue) 方案的一部分，而不是解決(jue) 方案本身。

本例中，這一網絡是目前正在開發中的下一代數字技術研究與(yu) 應用中心（Forschungs-undAnwendungszentrumfürdigitaleZukunftstechnologien,FADZ），它匯集了該地區的眾(zhong) 多企業(ye) 。德國Neuses的Innocept公司開發了一種新型口罩：可重複使用，佩戴舒適，由兩(liang) 個(ge) 軟聚合物半殼組成，不同過濾器可以插入其中（圖4）。優(you) 點是口罩的呼吸過濾器不直接貼在臉上，與(yu) 臨(lin) 時使用的口罩相比，呼吸更順暢。此外，口罩的大批量生產(chan) 使得製造商給予的價(jia) 格更優(you) 惠，且不用拋棄整隻口罩，因而更加環保。

圖5 高精度配合：增材製造的顱麵，針對 特定患者的定製植入物(© Karl Leibinger Medizintechnik)

為(wei) 了加快開發過程，在德國利希滕費爾斯的Hofmann–IhrMöglichmacher公司使用HPMultiJetFusion技術，一夜之間打印了五個(ge) 原型。兩(liang) 周半後，產(chan) 品就成熟了。Innocept提交了專(zhuan) 利申請。該數字化加工技術還有另一項重要優(you) 點：STL打印文件可以在許多打印機上通用，不用考慮製造商。

以顱骨植入物為(wei) 例的最新進展

人工智能、數字化和自動化是工業(ye) 4.0戰略的支柱。它們(men) 也為(wei) 增材製造業(ye) 帶來了靈感，並將塑造3D打印的未來，同時加速、創新、並促進AM得到更廣泛的傳(chuan) 播。對於(yu) 需要依據患者確定解決(jue) 方案的醫療技術而言，這並不十分重要，但數字化產(chan) 品仍有巨大的發展空間。如，一名手術外科醫生可以根據X光圖像及轉換成的STL文件定製完美的顱骨植入物（圖5）。

一個(ge) 按照要求生產(chan) 的多孔表麵可確保植入物能理想地與(yu) 人體(ti) 組織結構相容。但是，真正讓經驗豐(feng) 富的醫生們(men) 讚歎的是植入物與(yu) 頭蓋骨接合處的設計。有了這種設計，該組件可以更快地植入體(ti) 內(nei) ，降低手術風險。更快的愈合對患者有利，同時也提高了他們(men) 的生活質量。這兩(liang) 方麵都是醫用AM技術的主要任務。

軟硬件的協同

AM工廠和設備充分利用了設計、數字工藝鏈以及軟硬件協同的潛力。在硬件方麵，安裝空間和施工速度（裝配速度）在過去曾經發揮了較大的作用。現在，粉末床金屬打印機所需的安裝空間約為(wei) 800cm3。如果采用多激光器係統，標準安裝空間為(wei) 187cm3或125cm3。這些安裝空間的大小對於(yu) 當今任何醫療應用都絕對足夠。由於(yu) 使用了多激光器係統，裝配速度也顯著提高。今天，如果采用幾台1000W的激光器，打印部件的速度可高達50cm3/h。

未來，粘合劑噴射技術有望提高這一速率。這項由麻省理工學院（MIT）開發的技術，會(hui) 越來越適合於(yu) 某些特定工況下的簡單應用。在粘合劑噴射3D打印，即“粉床和噴墨”3D打印中，部件被層層堆積成“綠色實體(ti) ”。三維數據用於(yu) 計算每個(ge) 截麵或層的幾何參數。在3D打印過程中，在高度可調的桌麵上鋪上一層粉末或顆粒，然後加上一層粘合劑，從(cong) 而將零部件粘合在構成部件一部分的地方。

過去十年的發展也導致了批量的大幅增加。質量保證和自動化日益重要。質量保證是軟件主要但並非唯一的任務。軟件用於(yu) 控製3D打印部件的構建。它控製零部件的數據準備，以及與(yu) 設計相關(guan) 的任務，並提出顯露策略和參數選擇，以及零部件的表麵或密度建議。軟件還可以優(you) 化安裝空間中零部件的方向以及必要的支撐結構。

出於(yu) 質量保證的目的，軟件還有有助於(yu) 基於(yu) 零件密度或強度的熱特性模擬（熱模擬）和翹曲模擬（機械模擬）。最後，很重要的一點是，該軟件提供了“數字孿生兄弟”，所記錄的零部件優(you) 化工藝參數可以一一保存。這意味著最大程度的再現性，這是數字化零部件才能提供的。

作為(wei) 整體(ti) 製造戰略的增材製造

自動化和數字化供應鏈促進了增材製造的發展。自動化意味著消除盡可能多的幹擾值，使製造過程在保護氣體(ti) 環境中安全進行，並使其設計快速和自動化。其範圍覆蓋容器中準備、3D打印機實際設置，到自動化後處理，如移除支撐結構、熱後處理或表麵處理。最大限度的自動化意味著從(cong) 粉末到成品的整個(ge) 過程都無需人工操作。

從(cong) 一開始，數字化流程鏈既是一項挑戰，也是工廠和機械安裝人員充分挖掘AM潛力必要條件，現在已經得到進一步的發展。如今可以使用掃描儀(yi) 直接捕獲文件。這可以在病床邊完成，也可以用於(yu) 現在使用AM生產(chan) 的常規零部件。但數字化流程鏈還在另一個(ge) 維度上進行。這裏的關(guan) 鍵詞是現代化AM工廠，具有用於(yu) 生產(chan) 和過程控製的連續數字化流程鏈（圖6）。這種現代化方式要求數據在備料、材料準備、零部件生產(chan) 、後處理和工廠內(nei) 部物流，甚至包括自動運輸係統（自動引導車輛係統，AGV）等各個(ge) 環節中流動。

FrankCarstenHerzog

德國ConceptLaserGmbH的創始人和合作夥(huo) 伴之一，擁有300多項專(zhuan) 利，被認為(wei) 是當今工業(ye) 金屬3D打印領域的先驅之一。作為(wei) 德國科堡HZG集團的董事總經理，他支持初創企業(ye) ，特別是在數字化技術領域的初創企業(ye) 。

需要數字化熱點，而非病毒性熱點

即使現階段增材製造技術的發展某種程度上比十年或二十年前更為(wei) 平緩，但它仍將逐步變得更加有用而高效。我們(men) 肯定會(hui) 看到新的仿生產(chan) 品、新設計、新材料、更可持續的產(chan) 品，以及更廣泛的應用。

人類現在開始將技術作為(wei) 設計的重要因素。雖然許多企業(ye) 成為(wei) 了先行者，但主流環境仍然比較謹慎：2019年，71%的企業(ye) 表示，在選擇可替代的生產(chan) 方法時，缺乏專(zhuan) 業(ye) 知識是阻礙3D打印的最大因素。但與(yu) 此相矛盾的是，79%的企業(ye) 表示，在未來3到5年內(nei) ，通過3D打印技術製造的零部件數量至少會(hui) 翻一番（來源：Jabilsurvey2019）。實際上，這種矛盾意味著我們(men) 可能不知道3D打印是如何實現的，但我們(men) 確實知道它變得越來越重要。

許多企業(ye) 意識到某些事情正在發生，但他們(men) 仍不願采取行動。為(wei) 了更具體(ti) 地推動轉型，未來，“數字化”一定會(hui) 成為(wei) 一種優(you) 勢，從(cong) 而以更具體(ti) 的方式塑造這種轉變。培育和發展“3D打印時代”將是未來的關(guan) 鍵。培訓和開發將使世界上任何地方的任何人都能擁有現場優(you) 勢，因為(wei) AM是在本地開發和製造產(chan) 品的關(guan) 鍵方法。這也包含人們(men) 一直在討論的通往中國的長供應鏈。AM允許我們(men) 在當地生產(chan) ，以靠近需求。不需要長的運輸路線或依賴運輸。世界各地的數字化增材製造廠的成本結構都比較類似。

圖6 未來的工廠需要從(cong) 材料供應（左）、 部件生產(chan) 到後處理（右）的數據流，包括無人駕駛運輸係統的運行數據(© GE Additive / Concept Laser)

所以，我們(men) 需要本地化的AM中心的“數字化熱點”。為(wei) 了實現這一目標，我們(men) 必須為(wei) 了解並能夠使用3D打印的開發人員、繪圖人員、設計師和操作人員提供這一技術。這是我們(men) 唯一能夠將傳(chuan) 統製造戰略轉化為(wei) 3D打印的新可能性、並充分利用未來創新機遇的唯一途徑。3D打印將成為(wei) 眾(zhong) 多企業(ye) 和行業(ye) 的賴以競爭(zheng) 的因素。

最後的思考

在結束對AM未來的展望時，不得不提及3D消費市場。像其它硬件一樣，工業(ye) 和民用3D打印機永遠都有市場。英國市場分析公司Context稱，兩(liang) 者的市場容量比為(wei) 70:30。市場確實發生了巨大的飛躍：目前，一台最先進的民用3D打印機的價(jia) 格約為(wei) 1000歐元。我敢說，大約15年前，一台零部件質量類似的工業(ye) 3D打印機的價(jia) 格在10萬(wan) 到20萬(wan) 歐元之間。這意味著3D打印現在是水平而非垂直擴張。

家用3D打印機（目前最流行的是惠普多射流熔融技術）將與(yu) 辦公室激光打印機一樣成為(wei) 未來的主流。因此可以相信，許多基於(yu) 圖形許可的實用產(chan) 品可以由“像我們(men) 這樣的人”在家生產(chan) 。我認為(wei) ，在像SARS-CoV-2這樣的大流行病期間，渴望在不出門的情況下打印自己的防護麵罩或口罩這一前景也不算太糟糕。可以使用從(cong) 網上找到數據。