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此前据报道，《财富》杂志消息，美国人工智能公司Kneron使用高质量的3D面具在世界各地成功骗过了人脸识别系统。在亚洲，Kneron团队在人脸识别技术广泛应用的商店内使用特质的3D面具，骗过了支付宝（AliPay）与微信支付系统来进行购买。据看看新闻报道，对此，支付宝团队回应，此前试图联系这家企业获取详细信息，但是对方将该新闻及视频下架，没有提供更多信息。微信方面称，目前已采用了多项技术，可以有效抵御视频、纸片、面具等攻击。支付宝和微信均表示，如果出现刷脸支付导致盗刷可申请全额赔付。[图片]针对近期受关注的3D头套突破人脸识别的问题，深圳电视台做了价值10万元的3D头套进行了现场测试，结果发现，2D门锁、手机2D摄像头被轻松突破，但在试图突破3D的刷脸支付时失败了。深圳电视台联系了生物识别技术工程师来做这个实验，该3D打印头模由硅胶制成，形象非常逼真，造价约10万人民币。工程师先用自己的真身面部信息录入了门禁系统，据测验，很容易攻破了2D系统。而手机的2D面部识别也轻松击破。不过在刷脸支付环节，通过扫描3D头模后刷脸支付系统没有一次性支付，而是发起了二次验证，输入手机联系方式后，系统最终显示刷脸支付失败。那么哪些情况下，3D打印头模可以解锁呢？哪些又不可以呢？在门锁和手机的基于2D的人脸识别时，在面对高精度的道具时很容易被破解。而刷脸支付采用的3D人脸识别，可以通过综合手段避免身份冒用。国内生物识别技术工程师表示，国外团队可能做了更加精密且昂贵的设备，比如电子眼、完整模拟人体的整个设备，但该成本很昂贵。第二点，在金融支付的行业，拥有多道防线，冗余的操作，类似于密钥，以及支付的限额，不用担心金钱的丢失。

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代尔夫特理工大学的研究人员不仅开发了一种优化结构及其制造顺序的新方法，而且主要作者还因其令人印象深刻的“空间”而获得了国际结构与多学科优化协会（ISSMO）的ISSMO / Springer奖。增材制造的时间拓扑优化：结构布局和制造顺序的并发优化，最近发表在《结构和多学科优化》杂志上。王为民博士的研究获奖，他于2019年5月在北京举行的第13届世界结构与多学科优化大会（WCSMO）上做了演讲。他将在2021年WCSMO-14大会上正式获得ISSMO / Springer奖。机器人辅助增材制造工艺在这项新工作中起着重要作用，涉及两个设计变量：定义布局的密度场和用于生成中间结构的时间场。需要优化的结构可能非常复杂，需要“附加约束”才能进行制造和建造。但是，这些限制实际上会危及结构。研究人员指出，在这些领域已经取得了很大的进步，但是直到现在，还没有同时进行优化和结构制造。“所提出的方法与增材制造的最新进展形成了完美的匹配，增材制造使柔性制造能够超越连续的平面层。”时空拓扑优化包括对整体结构的评估，但包括过程的“不完整”部分以及中间阶段。为了使用这种新系统，研究人员提出了用机器人技术建造桥梁的想法。随着“重型机器人”的发展，它们不仅可以确保桥梁坚固，而且能够在制造过程中承受机器人的重量。[图片]离散密度场（a），连续时间场（b）以及在T = 0.2（c）和T = 0.4（d）处产生的中间结构的示意图。为了便于说明，在（c）和（d）中以灰色示出了整个结构。设计域的外部轮廓由橙色虚线表示。[图片]密度场（底部），时间场（顶部）以及用于指定中间结构的相应过滤和投影操作的图示（右）为了防止形成孤立的材料补丁，研究人员集中于改进增量增材制造加工，在该过程中，其中一层将要被沉积到下一层。研究人员解释说：“在制造过程中，隔离的材料补丁可以与时间字段中的局部最小值相关联；它所有相邻的元素都具有较大的时间值，因此将在以后制造。”以不同的制造起点（蓝色区域）生成的时间字段和结构。从上到下：初始时间字段（由与起点对应的距离字段构成），优化时间字段和优化结构。黑色曲线表示在不同制造阶段制造的相邻部件之间的边界。在该测试中，阶段数为8，不是设计变量，而是规定的。因此，确定Ti，用于分割时间字段的值。右侧的色条指示时间值。（此色标在本文中也始终用于其他图形）[图片]平台的自重会随着其增长而对结构产生影响，并且在增材制造过程中，诸如热塑性聚氨酯之类的材料可能会产生很大的变形。[图片]由机器人平台制造的桥梁。在建桥梁应在所有中间阶段支撑可移动机器人平台。图片由MX3D提供（www.mx3d.com） 优化中使用了四个不同的加权因子（αi= 0.001、0.1、0.4和0.6），研究人员指出：“随着自重的增加，溶液的特征在于附近的固体元素数量增加设计域被分为12个部分，研究团队需要找出每个子域的实体元素数量。机器人应该以连续的动作工作，从左上角开始，然后向右移动，将每个区域的物料放置在其范围内。如果过程顺利进行，则应在每个区域中以相同的速度沉积相同数量的材料，并使用与时间有关的材料来施加与过程有关的负载。[图片]左：机器人打印机平台在顶部（左）上沿结构从左向右移动。中：制造时间的上限和下限。右图：优化的时间字段，并且优化的密度字段带有时间字段的颜色。制造阶段数为8，αi= 0.5。最终结构的合规性在底部列出显然，这些例子绝不是关于配方潜力的穷举。研究人员总结说：“一些关键参数的收敛性和影响力通过广泛的参数研究得到了评估。”“拟议的配方为拓扑优化和先进制造技术的集成开辟了新的方向。将此公式从2D扩展到3D很简单。在将来的工作中，我们特别希望考虑高度依赖于制造顺序的制造引起的失真。”尽管这个新颖的概念极富创新性，但当今的研究人员正在将机器人技术纳入他们的大部分工作，从将制造提升到4D的新高度，再到集成软机械材料，传感器等。

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现在3D打印技术已经遍及整个工业制造领域，该技术的价值已不仅仅是快速原型制作工具而变得越来越明显。即使不使用增材制造（AM）生产终端零件，企业仍在学习可以将其用于制造其传统生产过程的工具。特别是，由于AM在制造定制，按需和复杂零件方面提供的各种好处，用于注塑成型和压铸的3D打印模具和模具具有很大的潜力。 3D打印模具对于批量生产塑料零件而言，最常见的注塑方法是在高压下将液态塑料注入模具中。填充模具的所有型腔，塑料变硬，然后去除成品零件。通常，所使用的聚合物是热塑性塑料，它们在高温下熔化并在进入模具后冷却。螺杆注塑成型的四个阶段。通常，模具是由铝或钢精密加工而成，其成本可能高达数千到数十万美元。因此，大批量生产数以万计的零件时，注塑成型是最具成本效益的。对于50至100个零件的小批量注塑成型，3D打印可以是一种更具成本效益的选择。可能选择3D打印进行模具生产的其他原因包括周转时间短。印刷模具可以在几天或几周内完成，而用CNC机器制造的模具则需要五到七周的交货时间。[图片] 用于制造传感器的3D打印塑料模具。图片由Promolding提供。根据零件的确切要求，选择的AM技术不一定是金属。相反，可以使用材料喷射和SLA来制造具有高精度和良好表面光洁度的模具。对于尺寸小于150毫米的较小零件尤其如此。[图片]具有铝框的3D打印模具。图片由Formlabs提供。正如3D Hubs在3D打印注塑模具的特别有用的设计指南中解释的那样，铝框架通常用于为3D打印的塑料模具插件提供支撑，以抵抗注塑过程中的压力和热量。如果没有这样的框架，模具很可能会因连续使用而弯曲，但是保形的冷却通道可以更容易地集成到塑料模具中。但是，如果您首先用金属3D打印模具，则不必担心。 3D打印模具压铸是一个与注射成型非常相似的过程，只是将熔融塑料替换为熔融金属。液态金属在高压下注入到金属模具中（在这种情况下，与模具相同），该金属模具填充模具的型腔并变硬以形成金属零件。压铸通常用于大量的中小型零件。您会发现压铸件用于皮带扣和汽车发动机等组件。[图片] 由Exco Engineering打印的具有集成冷却通道3D的压铸插件。图片由Exco Engineering提供。3D打印模具与使用AM生产用于注模的模具具有许多相同的优点：快速周转和产生复杂几何形状的能力。当模具用于小批量生产时，3D打印可以更具成本效益。通常，模具必须由金属制成，以承受压铸过程中的高温和高压，对于某些熔模铸造技术而言，并不一定如此。专门从事3D打印模具和嵌件（用于修改模具和模具）的公司报告说，很难选择合适的材料。加拿大公司Exco Engineering有时会选择马氏体时效钢，而不是H13工具钢（后者通常用于传统压铸），因为它们具有H13制成的3D打印模具，因此具有高孔隙率和开裂性。但是，正如我们将在以后的文章中讨论的那样，有些技术为使用3D打印模具使用多种金属实现某些结果提供了可能性。在本系列的后续文章中，我们将介绍用于注塑成型和压铸的3D打印模具和模具的一些优势，以及所使用的某些特定AM工艺和某些特定应用。在本系列的第一部分中，我们概述了如何使用3D打印来制造用于注塑和压铸的模具。特别是对于小批量零件，增材制造（AM）更具成本效益。但是，在某些情况下，无论批次大小如何，该技术都可以提供3D打印独有的一些优势。 3D打印的金属模具和模具的使用寿命比第一部分中讨论的塑料模具更长。无论批量大小如何，3D打印的模具所提供的最大好处是能够整合传统技术无法实现的共形冷却通道（遵循模具/型腔和型芯形状的空气通道）的集成能力。通道集成在模具中，因此它们可以更快地散热，从而减少了零件和工具所需的冷却时间。这样就可以打开模具或模具并注入更多材料以加快生产速度。 [图片]复杂冷却策略的传统方法就目前而言，模具通常是用CNC机器制造的，冷却通道通常在二次加工中钻出。结果，热量散发更加不均匀，从而导致内部应力和零件本身内部的翘曲。通过增加称为折流板，起泡器和等压线的功能，可以实现更复杂的冷却策略，这显然会增加零件的人工和成本。如有必要，可能必须分段制作工具才能合并更复杂的渠道。然后将模具/模具焊接在一起，这自然会缩短模具的寿命。使用增材制造（AM），与消减技术相比，可以将冷却通道打印成任何形状，并更靠近零件。反过来，这可以提高零件的一致性，同时还可以减少冷却时间，从而减少了制造新零件所需的时间（称为“循环时间”）。缺陷零件更少也意味着更少的废料，节省成本。3D打印模具改善了注塑工艺的例子很多。捷克工具制造商Innomia将周期时间减少了17％，最终还将产品上市时间从18天减少到13天。波兰模具和注塑公司FADO将周期时间减少了30％。密歇根州的线性模具公司报告说，其模具销售的20％至30％是3D打印刀片。 Oyonnax Cedex能够将其模具温度降低20°C，从而使冷却时间缩短20秒。 Laser Bearbeitungs中心可以将其周期时间减少60％，废品率从50％减少到零。[图片] 3D打印的工具刀片具有共形冷却功能，可将周期时间缩短17％，同时提高了用于制造的扶手部件的质量。图片由麦格纳Innomia提供。随形冷却通道的引入实际上仅仅是3D打印为模具制造带来好处的开始。使用仿真软件可以优化冷却路径，从而大大减少冷却时间和循环时间。可以进一步应用拓扑优化，生成设计和其他基于仿真的建模技术，以减少用于制造模具的材料，从而使零件更轻，更容易移动，并进一步缩短冷却时间。[图片] 使用Altair软件和PROTIQ打印的3D优化的模具。图片由Altair提供。像PROTIQ和NXCMFG这样的公司专门致力于3D打印模具，模具和镶件的仿真工具和拓扑优化。在一个用例中，PROTIQ能够将模具的重量减少75％。这样可以避免用手抬起工具，而保形冷却将冷却时间从9或10秒缩短到3.2，冷却时间缩短了三分之一。在上述情况下，使用的金属3D打印技术是金属粉末床熔合（PBF）。尽管不能具有相同的几何复杂度，但是定向能量沉积（DED）和混合制造系统（通常将DED与CNC结合使用）具有可以带到工具制造中的自身优势。特别是，DED和使用DED的混合系统能够将不同的金属结合或将金属沉积到现有零件上。对于模具，这意味着要利用多种材料的物理特性。[图片] DMG Mori的LASERTEC 3D混合机床可实现多种材料的应用和分级材料。混合动力机器制造商DMG Mori讨论了通过3D打印由铜制成的模芯来制造压铸模具的方法，该模芯会很快散发热量，然后从工具钢中打印出外部模具，模具钢因其耐腐蚀性能而选择。或者，可以制造一种模具，在其中将一种材料（例如钢）沉积到现有的基础材料块（例如铜）上。 由于铜的导热性，底座可以充当散热器，从而减少了冷却时间。 最后，与PBF不同，DED可随时间用于修复模具。

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为满足个性化定制的新消费需求和商业模式，需要建立服务型的制造业新业态。在整合和不断优化产业资源过程中，基于模型的数据和实体交互是关键，数字孪生体将发挥巨大作用。增材制造-3D打印技术不仅易于将数字资产实体化，提高了各种优化应用的可行性；而且其全数字化的制造过程，也大大丰富了数字孪生体的数据资产，促进数字孪生体价值的发挥。这同时也是信息化（向数字化和智能化的更高阶段）和工业化（增材制造工艺突破）的深度融合，促进产业的服务化转型。将通过“由虚向实” 与“由实向虚” 两个方向，剖析增材制造如何成为数字孪生体的完美搭档，并与数字孪生体共同促进产业的服务化转型，迎接个性化定制时代的到来。个性化定制时代到来在产品极大丰富的今天，消费者完全掌握了话语权。“我要与众不同”的理念已经逐渐成为了新时代消费观念的主流，个性化的消费时代已经悄然来临。以满足个性化小群体（如网红粉丝群）乃至个体（私人订制）的DTC（Direct To Consumer）品牌不断出现，DTC营销模式也将日益成为主流。然而要满足消费者的个性化需求并不容易。例如风靡电商行业的网红电商，拥有流量和用户入口，可以与顾客实时互动，挖掘和激发需求，甚至通过商品预发布让用户参与产品设计。但往往缺乏设计能力，也难以建立自己的供应链体系。而对制造商和供应商来说，网红经济的“快闪”特色也对供应链和生产的柔性化和及时性带来极高要求。今天还是流行时尚，一周后可能就是库存垃圾。[图片]▲DTC 产品营销特色和对供应链及数据的要求来源：飞马旅创投面对个性化定制的产业模式，需要依据精准营销和供应链模型，进行大量数据交互、销量预测和供应链优化决策，以及实现突破传统思维的产品设计、柔性化制造等需求，数字孪生体和增材制造等技术将提供重要支撑。数字孪生体在产业中的应用数字孪生体作为与实体世界对应的数字化表达方式，相对于数字孪生，其“体”的含义突出了系统和体系。比如一台复杂装备、一条产业链或者一个经济体，都可以认为是系统或体系的实体，需要有一个“数字孪生体”与之对应。数字孪生体在产业中的应用领域由点及面，包含以下三个主要的层面：-构建产品全生命周期的数字孪生体：加快产品研发和迭代升级这方面已经有很多成熟应用和案例，不再赘述。-构建全产业链的数字孪生体：促进产业向“服务型制造”转型服务型制造是制造与服务融合发展的新型数字化产业形态，是未来制造业数字化转型升级的重要方向。定制化生产是“服务型制造”的典型方式之一，主动将顾客引进产品设计、制造、应用服务过程，主动发现顾客需求，展开针对性服务。企业间基于平台合作，主动实现为上下游客户提供生产性服务和服务性生产，协同创造价值。构建从顾客、市场需求、供应链和物流体系、维护保障等全产业链的数字孪生体，基于各领域数字模型的系统工程整合，有助于促进传统产业向定制化生产模式转变，实现更为敏捷和柔性（JIT）的商业模式。例如在消费品行业，Adidas等制鞋领军企业实现DTC定制化生产运动鞋，从卖鞋子延伸至运动产业和大健康产业。[图片]▲《发展服务型制造专项行动指南》来源：中国工控网-构建实体经济的数字孪生体：促进数字经济发展数字经济在推动产业经济发展、提高劳动生产率、培育新市场和产业新增长点、实现包容性增长和可持续增长等诸多方面，都发挥着重要作用。数据经济的核心在于“数据驱动发展”，而不像工业经济是“石油”和“机械”驱动发展。通过建立实体经济的数字孪生体，对“数据”和“数字”进行资产化，并建立一整套金融服务体系。模拟决策，引导、实现资源的快速优化配置与再生，可以极大地降低社会交易成本，提高资源优化配置效率，提高产品、企业、产业附加值，推动社会生产力快速发展。例如阿里巴巴构建了聚集消费者、供应链和制造商的网络电商平台，成为一个超过世界80%国家GDP的经济体，同时也是一个完全数字化的数字孪生体。每个个体都是一个数字孪生子体，精准画像，并以此建立信用和个性化金融服务等服务产品。增材制造是数字孪生体 在实双向转化上的完美搭档 增材制造是近30年发展起来的一种微积分式的制造方式，在设计阶段将数模切片微分，制造阶段则在微米级通过精确控制材料积分成型。因此可实现全新的产品设计，使设计师突破传统制造工艺的束缚。[图片]▲增材制造突破传统产品设计的限制来源：卢秉恒院士从而在实现产品减重（如航天领域）、私人定制（如医疗和制鞋领域）以及全新产品设计（如混合梯度材料设计、嵌入传感器的智能产品）等领域，为设计师拓展了无穷的空间。[图片]▲增材制造突破传统产品设计的限制来源：网络资料-由虚向实，快速简便实现数字资产的实体制造增材制造由于不用开模，实现单件生产和批量生产，成本上相差无几，特别适合个性化定制的生产模式。基于增材思维的产品设计，极大的简化了供应链、制造过程和运维保障。例如整体化设计，减少了供应商和库存，原材料也变得更简单（粉末或丝材）；增减材一体化的制造设备，有助于实现基于网络的分布式制造，以及支撑设计工作室的蓬勃发展；对于大型装备的现场修复以及通过现场制造，简化备件保障服务也极具价值。因此，增材制造是实现定制化生产柔性和及时性（JIT）的重要支撑。[图片]▲增材制造技术对产业的影响来源：安世亚太-由实向虚，全数字化制造为数字孪生体提供宝贵的过程数据资产增材制造是一个全数字化的制造过程，数字化是增材制造技术的天然属性，没有数字化就无法实现增材制造。而且增材制造的数据链是全过程的，从产品设计、仿真优化、工艺参数、加工制造、包装检测及全生命周期的维护保障是全数字化过程实现。因此，每一个增材制造的产品，天然就是一个数据孪生体，包含全生命周期信息。[图片]▲全数字化的增材制造全过程来源：安世亚太和德勤增材制造全过程产生的数据和算法是核心的数据资产，如在线积累的增材工艺数据包、基于材料在线优化的增材工控算法等。增材工艺仿真优化算法与设备可以相对分离，新的增材工艺数据和基于材料的优化算法，通过在线升级可使工艺水平和产品质量得到持续优化和提升。由于产品是在工艺参数包的控制下积分制造出来的，因而可以严格控制和记录产品的成型过程和质量，而这些数据对于运维保障及产品迭代升级都极具价值。—作者—丁杰安世亚太战略合作部副总经理，数字孪生体实验室顾问。六西格玛黑带、TOGAF高级认证（2015），美国质量协会ASQ和企业架构联盟AEA会员;二十余年制造业管理咨询和信息化规划，三年增材制造生态圈BD合作经验。

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全球数十亿人依赖石油和天然气工业，据报道，在2018年，全球原油需求量就超过每天9900万桶，与2006年相比增加了16％，如果再往前追溯到1980年代，则增加了62％。OPEC（石油输出国组织，简称"欧佩克"）将石油天然气称为"世界经济的引擎"，而沙特阿拉伯则声称他们需要"结束对石油的依赖"。而页岩气开采正转向拉丁美洲，寻找新的油田以增加产量。对这类商品的高需求使得市场不断寻求降低成本和提高效率的方法。在过去几年中，技术已经成为Shell（壳牌）、BP和埃克森美孚等公司研发的重要组成部分，尤其是3D打印可在工业加工和制造领域产生巨大的效益。据SmarTech Publishing估，到2021年，石油行业的3D打印市场将达到4.5亿美元，到2025年将增长到约14亿美元，3D打印可以帮助该行业简化石油和天然气产品制造的复杂结构、减少昂贵的停机时间并消除长时间等待零件等。特别是，使用增材制造技术在偏远地区打印替换零件，比如对全球1,470个海上石油钻井平台来说，这将是一次重大升级。[图片] 英国石油公司将3D打印列为未来几年将显著影响能源行业的六项技术之一（其余五项为人工智能、区块链、自动驾驶和替代能源）。根据该公司的说法，在努力减少碳排放的同时，满足发展中国家不断增长的能源需求的双重挑战正在创造源源不断的想法，这有可能改变世界生产和消耗能源的方式。几年前，荷兰皇家壳牌公司开始使用3D打印技术，使石油和天然气生产设备的设计和建造更快、更高效。3D打印技术使公司能够在塑料等材料中创建精确的比例原型，并对其进行测试和使用，以改进设计和施工过程。位于荷兰阿姆斯特丹的壳牌技术中心此类工作的关键场所，该中心由机械仪表工程师Joost Kroon领导。由Kroon设计和制造的连接器，是用来将炼油厂副产品分解为更高价值化学产品的构件，是构成了从气体中去除液态雾的仪器的一部分--雾气会导致系统堵塞并损坏气体分析仪。通过使用3D打印，Kroon创造了一种设计，通过连接器内部的通道提供热量，而不是通过外部加热元件。"新的3D打印解决方案比其前代产品更加高效，并且省去了耗时的维护程序。一旦设计完成，打印需要60个小时，而传统方法可能需要数周时间。"Kroon说。壳牌最深的石油和天然气项目位于美国墨西哥湾之外的水下2,900米处。该团队在项目的设计阶段使用3D打印，开发可拆卸系统的原型，将卸载船（FPSO）连接到海底的管道，以确保安全并防止进度延误。另一个热衷于3D打印的是GE石油天然气公司。他们已经开始将3D打印机集成到制造供应链中，将其用于意大利Talamona最新工厂之一的燃气轮机燃烧室的3D打印端燃烧器，以及用于其石油和天然气的各种金属部件操作。GE发现使用3D打印机可将开发和验证周期缩短50％。而油田服务公司Halliburton正在探索用3D打印来成成型井下设备。埃克森美孚与Milk Lab实验室合作开发3D打印SmARt引擎，这是一种3D打印引擎，在转动钥匙时启动和移动，作为一种创新方法，可以让销售人员足够长时间地抓住机械师的注意力来解释他们的明星机油Mobil1的优点。中国石化是中国最大的石油和天然气生产商，2015年投资开发3D打印材料，两年后，它为惠普的Multi Jet Fusion技术推出了一种新型聚烯烃材料。与其他行业相比，石油和天然气行业需要更长的时间来开发3D打印项目。然而，这个技术占据市场主要制造工艺的日子似乎并不遥远，毕竟，火星上的3D打印正在进行中，为什么钻机不能拥有自己的3D打印机？[图片] BP和GE宣布3D打印在石油和天然气行业持续取得了重大进展。根据SmarTech发布的“油气市场的添加制造机会：十年预测”报告显示，3D打印行业将在哪里创造收入和损失金钱。据悉，整个市场在2025年将达到约14亿美元。SmarTech的新报告是3DP／AM在石油和天然气行业中唯一的综合市场研究，包括：1、对石油和天然气行业及其当前运营结构的综合分析，特别是与采用各种3DP技术、软件和服务相关分析。该分析利用了SmarTech专有的3DP模型，旨在衡量石油和天然气工业当前和未来3DP的使用。报告还显示了该领域的挑战，即3D打印零件模型如何与潜在的工具的相匹配。2、该行业的10年预测。这些预测包括所有相关技术、材料和印刷零件体积的估计。报告中的数据将提高石油和天然气行业对3DP的真正能力的理解，以及对潜在应用领域的详细探索，以便快速开展行业内部的研究和开发活动。3、案例研究公司已经实现在石油和天然气行业部署3D打印。本报告的读者还将更好地了解石油和天然气行业如何向3DP过渡，以及行业将如何使用3DP印刷金属部件，并增加大量印刷量的机会。本报告详细介绍了3DP在特定石油和天然气设备系统以及从上游到中游及其以外地区的勘探领域的最全面的集合。GE已经在打印各种金属部件以用于其石油和天然气操作，而像Halliburton这样的油田服务公司正在积极探索用于快速原型和现场部件生产的用例。这些公司的AM倡导者认为，3D打印有潜力从根本上改变石油勘探和钻井作业的成本结构。本报告面向正在寻找新业务收入的3DP硬件和材料公司。该报告还适合石油和天然气工业的专业人士阅读，以帮助其更好地了解AM可为行业带来的机会。此外，SmarTech还认为，这份报告将对那些积极参与石油和天然气工业，以及3DP或两者投资的公司提供。在石油和天然气工业中，增材制造或3D打印的使用正在逐渐增加。目前，3D打印市场在全球制造业市场中所占的份额还不到0.1%(目前的市值为12.7万亿美元)。根据最新的《石油天然气3D打印—主题研究》报告，估计到2025年，3D打印市场的价值将达到320亿美元，到2030年，3D打印市场的价值将超过600亿美元。3D打印技术已经成为推动工业生产力发展的关键技术之一。多年来，3D打印技术在不同的行业中得到了广泛的应用，并对汽车和航空航天制造业产生了重大影响。在石油和天然气部门，这项技术的一些应用包括现场制造备件、测试新产品设计和简化库存管理以节省成本。近年来，石油和天然气行业显示出缓慢而稳定的3D打印应用。最初，这项技术在很大程度上局限于以聚合物为基础的产品。然而，最近金属基3D打印技术的进步使这项技术与石油和天然气工业更加相关。3D打印技术的关键好处在于减少了生产复杂原型所需的时间。3D打印机还可以减少生产用于操作的功能性产品所需的时间。由于更严格的环境规范、波动不定的油价和不断加剧的竞争，企业正被复杂的设备设计所吸引，以实现运营效率。生产复杂部件的能力，在其他方面是不可能用传统工艺制造的，正将3D打印变成一项必须具备的技术。获取备件的漫长采购过程往往迫使石油和天然气公司保持异常高的库存水平，从而导致仓储成本。3D打印技术可以通过使公司能够根据需要制造零件来解决这个问题。石油和天然气公司将通过使用3D打印作为主流制造技术，减少用于供应链管理的总成本，这将有助于它们提高运作效率和促进增长。“这是一个非常有意思的会议。关注石油天然气行业数字化转型的人们汇聚北京，交换意见，探讨趋势，了解行业热点。”——王同良 , 信息化部总经理 , 中国海洋石油集团有限公司

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数字技术正在推动向基于价值的医疗转变，这一转变基于患者护理的质量而不是数量来奖励医疗服务提供商。这一点在骨科领域尤为明显，在骨科领域，增材制造创新已导致护理效率和有效性的重大提高。使用钛、钴铬合金和不锈钢的3D打印金属植入物的开发是增材制造如何增强外科医生提高患者预后的典型例子。利用与传统植入物相同的材料和机械性能来利用增材制造，可以创建新的，复杂的几何形状和带有孔的植入物，结缔组织和骨骼可以迁移到这些孔中。这种称为骨整合的概念可加速术后愈合，同时使骨骼和植入物更好地融合。[图片] 这不仅改善了植入物的贴合性，而且简化了手术，传统上，这需要额外的步骤来应用特殊的水泥来连接骨骼和植入物。尽管此步骤仍是常规植入物的一部分，但与3D打印的植入物相比，通常会导致手术时间更长，恢复时间更长，植入失败的可能性更高。增材制造的持续成功已通过令人印象深刻的性能提升（比传统程序高出一个数量级）而得到增强。利用3D打印来生产一系列外科器械的机会为金属增材制造创造了条件。 产能需求激增根据行业消息来源，在不久的将来，将通过增材制造来生产越来越多的全球植入物。在2月11日至12日于波士顿举行的年度增材制造策略会议上，将分享SmarTech Analysis对骨科植入物行业增材制造技术的最新研究。最值得注意的是，SmarTech预计该市场将以每年27％的速度增长，这将为现有企业和初创企业创造机会。驱动需求的一个重要因素是全球人口的“增长”。人们的寿命更长，并且在以后的生活中保持活跃，因此，老年人越来越多地要求进行植入手术。另一个因素：初创企业可以轻松利用增材制造优势，通过破坏现有市场份额的解决方案加快产品上市时间。随着竞争的加剧和市场准入障碍的减少，传统的植入物制造商将不得不蚕食现有的产品线，以更快地将新的3D打印版本推向市场。对速度的需求正在创造新的市场动态，并具有迅速扩展的紧迫感。[图片] 然而，在部署金属3D打印机、后处理过程以及能够满足严格医疗法规的质量程序方面，扩展能力需要大量资金。当一些组织试图在内部扩大产能时，其他组织则通过与具有受监管行业经验的制造服务提供商合作，找到了一条更快的途径。与一家拥有内部专业知识的公司合作以应用严格的制造工艺来确保可重复的过程质量，可以消除快速扩展的最大障碍之一。另一个障碍是在整合增材制造材料、工艺和机器以使特定部件性能与应用需求相匹配方面拥有丰富的经验。消除这些障碍的能力是缩短上市时间，降低成本和降低风险的关键，同时还能生产出最高质量的部件。 拉松式的心态在制造业中加入3D打印并不是一个冲刺，而是长期规划、预测和规划个性化道路的高潮。它需要马拉松式的思维方式和“先走后跑”的方法论，才能将增材制造纳入医疗保健领域。 除骨科植入物外，手术器械还提供了另一个可行的切入点。它们代表了小批量、高混合的业务，非常适合增材制造。在一个植入过程中通常要使用两到三张手术工具表，因此采用增材制造技术来生产它们的商业案例非常引人注目。生产这些仪器通常会产生高昂的成本，因此植入设备的原始设备制造商通常会将过程外包。[图片]使用增材制造生产这些器械具有许多好处，其中最重要的一点就是为外科医生的手量身定制“贴合的感觉”。此外，仪器设计人员拥有更大的自由创造，与特定植入物完美匹配。 准 备，设置，打印最终，增材制造将推动整个行业朝着更具个性化的医疗保健方向发展，使其具有定制单个产品的能力，同时使生产单个产品在经济上可行。这可能是第二阶段的现实，因为骨科已扩展到医疗制造业的其他领域，以改变整个行业并将患者护理提升到新的水平。它不会在一夜之间发生，但比赛正在进行中。有趣的是，看看哪些公司领先于其他公司，引领潮流。

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2007年，意大利外科医生在植入物制造商Lima与EBM 3D打印设备制造商Arcam 的协助下，植入了世界上首个3D打印髋臼杯-Delta-TT。发展至今，仅通过Arcam 3D打印设备制造的髋臼杯就已超过10万个。在我国已获得3D打印植入物医疗器械注册证的两家骨科植入物制造商，也分别拥有3D打印髋臼杯产品。3D打印髋臼杯产品的产业化之路已打开。基于粉末床熔融工艺的金属3D打印技术能够制造具有不同特征和复杂多孔结构的髋臼杯植入物。无菌性松动是髋关节翻修手术失败的常见原因之一，3D打印髋臼杯的主要临床原理或优势是，与传统方式制造的髋臼杯相比提供增强的骨固定。来自英国伦敦大学骨科学与肌肉骨骼科学研究所等机构的研究团队，针对三种不同的3D打印钛合金髋臼杯进行了分析，为制造商和医疗器械监管机构提供有助于构建相关证据的研究方法。评估外表面特性与内部表面特征研究团队发表了题为Comparative analysis of current 3D printed acetabular titanium implants 的论文。论文中指出，目前现有3D打印髋臼杯植入物的研究限于早期至中期的临床结果，而用于评估3D打印植入物的独立分析方法较少。此项研究比较了三种不同的3D打印钛合金髋臼杯设计，研究目标包括髋臼杯的外表面特性与评估内部表面的特征。[图片]研究中使用的三种3D打印髋臼杯。来源：link.springer.com研究团队所对比的三种3D打印植入物为：Delta TT（意大利,Lima Corporate,图a）Mpact 3D Metal（瑞士,Medacta,图b）Trident II Tritanium（美国, Stryker,图c）以上3D打印植入物均为标准产品，不是患者匹配型产品，打印材料均为Ti6Al4V粉末，其中Stryker的Trident II Tritanium 产品采用的3D打印技术为选区激光熔化，直径54 mm，具有5个螺孔；其余两种髋臼杯采用的3D打印技术为电子束熔融（EBM），直径均为58 mm，分别具有3和17个螺孔。[图片]点阵结构与杯壁测量参数。来源：link.springer.com研究团队使用扫描电子显微镜（SEM）分析了3D打印髋臼杯的外表面，并使用微计算机断层扫描（micro-CT）评估了点阵结构的临床相关形态特征，还测量了与杯壁有关的尺寸（实心，晶格和总厚度），用坐标测量机（CMM）和光学轮廓仪分析杯内表面的圆度和粗糙度。[图片]三种植入物micro-CT 结果。来源：link.springer.com对3D打印髋臼杯植入物外表面的测量包括：多孔结构孔隙率，孔大小，支柱厚度。扫描电镜显示所有髋臼杯上的钛珠均部分熔化，在Trident II上明显较小（27μm70μm，p <0.0001）。研究团队发现进行对比的三种植入物孔径分布不同，Trident II，Delta TT和Mpact的中值分别为0.521、0.841和1.004 毫米。Trident II的多孔性（63％，p <0.0001）也明显少于其他（Delta TT 72.3％，Mpact 76.4％），并显示了杯壁最薄的点阵区域（1.038 mm，p <0.0001），而Mpact表现出较厚的实心区域（4.880 mm，p <0.0044）。研究团队发现杯的内部表面具有相似的圆度和粗糙度。有关此项研究的详细信息，请参考：https://link.springer.com/article/10.1186/s41205-019-0052-0

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水凝胶固有的致密微观孔隙网络，营养/氧气供应能力有限，需额外引入营养输送网络以提高营养输送效率，满足细胞生长发育的需求。目前常见的带宏观孔隙的水凝胶结构打印，即宏观孔隙网络（≥1mm）结构打印，由于水凝胶强度比较低，打印大孔隙结构时宏观多孔结构易坍塌，导致大尺寸组织打印后内部营养不良。本研究中，我们继续推进大尺寸组织的体外构建，提出在水凝胶材料内构造介观尺度孔隙概念，孔隙范围100 μm-1 mm，介观孔隙可同时发挥营养/氧气供应和强度支撑作用，能兼顾生物性能和可打印性的要求（图1）。[图片]图1A) 多尺度孔隙在组织工程中的功能 B) 目前采用的致密水凝胶网络用于结构支撑；期望的是兼顾结构支撑和营养输送的介观尺度孔隙网络我们设计了载牺牲微明胶生物墨水，实现了介观孔隙网络活性结构的高效打印。结构具有高保真度的同时，保持了较高的生物活性，细胞可在介观孔隙网络结构内发生类体内生长行为，如伸展、迁移、连接及组织新生等。载牺牲微明胶生物墨水具体制备过程分三步（图2），i)将明胶溶液通过低温冷却完全凝胶化；ii) 通过打印用的喷头，将低温凝胶化的明胶平稳匀速的挤碎成微明胶颗粒，挤碎的同时直接挤至载有相应细胞的GelMA生物墨水，随后混合均匀；iii)将载有牺牲微明胶和细胞的GelMA生物墨水装入打印用的注射器，并冷却成可打印的预凝胶化生物墨水。值得注意的是，在冷却制备可打印的预凝胶化生物墨水过程中，装墨水的注射器要每隔20秒翻转一次，以确保细胞和牺牲微明胶混合均匀。[图片]图2 载微明胶GelMA预凝胶化生物墨水制备过程利用载牺牲微明胶生物墨水，可实现介孔营养网络结构打印（图3）。[图片]图3 打印的介观孔隙网络结构通过调整不同挤出喷头制备不同尺寸的微明胶，可以实现具有不同尺寸孔隙结构的打印。此外，调整预凝胶生物墨水中的微明胶比例，可以实现不同孔隙率结构打印。（图4）[图片]图4 不同孔隙尺寸，不同孔隙率结构的打印此外，由于牺牲微明胶和GelMA相互协同工作，增强了整个生物墨水体系的可打印性，能够容易的实现复杂结构的打印，图5,6所示。[图片]图5 二维复杂介观孔隙网络结构打印[图片]图6 三维复杂介观孔隙网络结构打印为了模拟生物体内细胞或细胞外基质组成多样性，我们还模拟制造了多细胞或多材料组织结构。如图7所示，采用多合一喷头装置，可以切换多种载细胞材料进行打印。打印时，选择性的通入目标载细胞材料，可以打印出多组分介观孔隙网络结构。[图片]图7 多组分介观孔隙网络结构打印为了验证介观孔隙网络能有效的传输营养/氧气，促进细胞存活及组织的再生，我们打印了载细胞的介观孔隙网络结构(10 mm × 10 mm × 10 mm)，并观察结构体内的细胞生长状况，如图8所示，细胞在介观孔隙网络结构内逐渐伸展、迁移并连接，验证了介观孔隙网络传输营养/氧气的有效性。[图片]图8 细胞在多孔结构内自由伸展、迁移、连接形成活性组织结构体利用载牺牲微明胶生物墨水，直接打印高生物活性介观孔隙网络结构，能有效的促进细胞存活及活性组织形成。牺牲微凝胶可通过自适应的制造方式制备，微凝胶尺寸高度可控，打印时不会堵塞喷头，同时打印结构的孔隙尺寸、孔隙率等均可控。同时，由于牺牲微凝胶与载细胞墨水协同相互作用，增强了整个墨水体系的可打印性，利于结构的高效打印。此外，我们设计的多合一喷头用于打印多材料异质结构，使复杂异质组织结构的制造成为可能。

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瑞士创新型滑雪板公司NOW联手巴塞罗那的人工智能设计工作室ADDIT·ION，利用AI设计原型、3D打印制造滑雪板扣具，目标是通过新的设计和制造技术来提升滑雪板性能。[图片]AI设计3D打印制造 滑雪板扣具非同一般为了实现针对旋转的装备优化和响应，NOW希望以最小的质量为滑雪板提供最大的刚度。为了实现这一目标，ADDIT·ION 采用AI设计和惠普MultiJet Fusion3D打印技术。NOW公司凭借专利所有的Skate Tech技术做出了贡献，而母公司Nidecker Group也带来了对滑雪板扣具的广泛了解。两家公司共同构建了一个载荷工况，该载荷工况可模拟扣具在雕刻和车削过程中所承受的应力，然后使用Autodesk生成设计软件使用最小的Skate Tech机械算法，在其周围生成最终形状。从而比较多种不同的材料和技术能够得到的结果。最后，团队一致认为惠普的尼龙PA12材料足以满足概念模型的要求。[图片]ADDIT·ION联合创始人Saulo Armas说：“滑雪板的新型扣具是运动装备新范式的起点。在 这种制造方式之下，优化算法和大规模定制将为消费者的各种差异化需求，提供独特且量身定制的产品。最终制造出了人工智能创造的第一个单板滑雪板扣具，由于其设计，比传统的加工件要轻25％。”[图片]但是，选择3D打印作为产品的制造方法并非易事，Addit-ion人工智能专家Said Oriol Massanes解释说：“基于粉末的3D打印技术不需要任何支撑材料，并且可以打印几乎任何所需的形状，这为算法提供了绝对的自由度，从而让AI去思考没有任何制造限制的最佳结构。”

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世界上最大的3D打印建筑在迪拜正式竣工。这座6900平方英尺（641平方米）的两层建筑将被迪拜政府用作行政办公室使用。这座建筑是由波士顿3D打印和建筑公司Apis Cor与迪拜政府合作设计的。这座建筑并非世界上最高的3D打印建筑，中国苏州的一座公寓楼更高，而迪拜的这座建筑面积更大。[图片][图片] 该建筑建造在一个预制的混凝土地基上，3D打印机借助回收的建筑垃圾、水泥、石膏和其它混合物混合而成的速干混合物建造了空心墙。据称，这种3D打印材料比传统的混凝土轻约50%，而且更加耐用。[图片]3D打印机先用几层数厘米厚的建筑材料勾勒出墙壁的轮廓，然后慢慢向上建造，直到墙壁达到最高设计高度。当墙壁打印完成后，人类建筑工人就会接手，开始进行安装屋顶、为窗户留出空间、用绝缘材料填充墙壁等工作。[图片]对于500平方英尺（46平方米）以下的建筑，建筑商可以将3D打印机安装在预先设置的轨道上，让它自己运行。但在迪拜，由于建筑面积巨大，建筑商不得不安装一个大型起重机来移动3D打印机。对于迪拜市政当局来说，这个项目只是一个开始，他们希望能未来能够长期致力于3D打印建筑。迪拜政府官员表示，他们希望到2030年，城市新建筑中的3D打印建筑能够达到25%的比例。据他们估计，3D打印建筑将减少70%的建筑劳动力，并且将建筑成本降低90%。[图片]Apis Cor公司首席执行官Nikita Cheniuntai在公司网站发表声明称：“建筑行业的3D打印技术还处于早期发展阶段。我们做了大量的研发工作，使这项技术可以大规模使用。我们对有机会与迪拜政府合作表示感谢。这个项目让我们积累了独特的知识和宝贵的经验，这将帮助我们改进并该公司表示，它的下一批项目将在路易斯安那州和加利福尼亚州开始施行，它还在努力研发一种可以在24小时内3D打印完成的廉价房屋，这种房屋的面积只有500平方英尺（46平方米）。