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3D打印落地的关键:与终端制造业达成需求匹配

www.cechina.cn2017.04.12

  目前,3D打印技术还处于发展过渡阶段,尚未做到真正的大批量生产。但把3D打印技术发展成为工业化生产的一种主要手段,是行业的一个目标。有效地与终端制造业达成需求匹配将成为实现该目标的关键环节。突破了这一环,3D打印技术才有望迎来大规模生产时代。
  3D打印技术是一种增材制造技术,由ASTM定义为“基于三维模型,通过材料的逐渐累积,通常是逐层堆积,来制造物件的技术”。
  可以通过与传统制造业的减材制造对比来理解增材制造:减材制造先由一块大料(如木头、金属等),然后通过切削或其他手段,最终留下所要的形状。与之相反,增材制造技术则先从液体或粉末等原材料出发,利用不同的能量源,将原材料逐层打印成三维实体。3D打印也是一种数字化成型技术,在三维软件完成设计建模之后,直接转化为实体,过程中不需要任何模具。
  最早成立的三家3D打印公司也是目前全球最大的三家3D打印技术的供应商。1984年美国人查尔斯·胡尔发明了 SLA,即光固化成型技术。胡尔在1986年成立了3DSystems公司。1988年美国人斯科特克伦普发明了FDM,即熔融沉积成型技术。他在1989年成立了Stratasys公司。1989年美国德克萨斯大学奥斯汀分校的CarlDechard发明了SLS,即选择性激光烧结技术。同年,德国EOS公司成立。
  早期的3D打印局限于塑料打印。一个关键的技术转折点是在上世纪90年代中期,针对金属烧结或金属熔化技术的增材制造的出现。EOS在1995年推出了全球第一套商业化的金属3D打印设备,能够直接制造出金属件,使得3D打印技术的应用范围瞬间拓展。虽然当时可用的金属材料很少,但从那时起,3D打印技术开始慢慢拓展到不同行业。
  对前沿技术比较感兴趣的行业,比如航空航天,最早开始尝试这项技术。比如波音认为这项技术可以打破一些传统加工的限制,实现更复杂的设计。由于飞机的零部件材料需要耐高温,波音当时投资了一笔资金研发适用材料。


  这些年来,随着材料的多样化,打印速度、打印尺寸,精度等方面的提升,都在持续推动产业发展。现在看来,3D打印技术还在过渡中,没有做到真正的大批量生产。但把3D打印技术发展成为工业化生产的一种主要手段,是行业的一个目标。
  值得注意的是,由于3D打印技术还比较新,对于不同级别的3D打印技术的区分还没有一个统一标准。一些市场调研有一些初步区分,比如按设备价值金额。有一份报告将设备分为三类,消费级、专业级和工业级,超过5万美金是工业级。但这样的区分仍然粗略,售价超过5万美金的设备中,产品跨度也很大。比如EOS的设备售价就超过5万美金10倍以上,金属机平均是500万元人民币,塑料机也有不同尺寸,售价在300万-800万元人民币之间。
  航空航天、医疗、工业应用
  3D打印技术的应用领域目前集中在七大方面。除了最早期的快速原型打印应用之外,随着技术不断发展,该技术已经进入了航空航天、医疗、工业、消费品、汽车以及模具,而且是用于打印最终部件或产品。另外科研领域也会用到这项技术做新材料或前沿应用的开发。
  航空航天是应用比较快的一个行业,关键是由于其产业的特性,和目前3D打印技术所处的阶段有很多契合的方面:航空航天产品对复杂度有先天的需求,产品没有汽车或手机那样的大规模生产,产品单价相对高,所以行业对成本相对不是很敏感。
  在中国的3D打印客户中,航空航天业占25%的比重,集中在四大集团公司:中航工业、中国航天科技集团、中国航天科工集团和发动机集团公司。从全球来讲,航空航天也占据至少1/4的市场。
  另一个重要的应用领域就是医疗,主要在骨科和齿科两个领域,也有一些医疗设备的案例。医疗领域有很多3D打印应用不需要工业级3D打印就可以实现,比如一些协助医生在手术前做直观的术前模拟的模型。
  工业级则面向附加值更高的医疗产品,例如骨科植入体,以及一些重要的医疗设备。我们最近看到的一个例子,医疗上常用的CT断层扫描设备,里面有一个零部件叫作格栅,这种网格状的零部件是比较关键的部件,作用是阻隔放射线,不让它大面积泄露,在使用中不辐射人体。格栅用传统的方式很难加工,每一片分别制作,然后再拼接起来。
  格栅的结构对3D打印技术来讲轻而易举,但是它对材料有要求,必须是一种钨合金。钨的熔点是3000度以上,能量吸收率较低,属于典型的难熔金属。钨合金粉末烧结工艺让这个应用变得可行。目前飞利浦已经完成开发,并申请了专利。
  3D打印在工业的应用领域也很广。我们其中的一个关注领域是在工业自动化。一家工厂想要实现自动化升级,依靠机械手臂并不足够,过程中需要有很多配套的夹具、治具,去实现整个自动化的流水线。例如,很多行业都会用到的注塑成型这种传统加工方式中,注塑机完成注塑以后,传统模式是人工抓取,然后进行下一道工序。导入自动化之后,在注塑完成之后开模,机械手臂能完成自动夹取以及后续的动作。3D打印可以快速制作这些配套的夹治具,大幅提升自动化生产线的灵活性。
  随着工业生产模式不断地朝向少量多样化趋势发展,充分的利用3D打印的特点可以让整个生产线快速灵活地响应变化。自动化是智能制造和工业4.0很关键的手段之一,工厂要实现智能制造,自动化水平是很关键的基础。
  挑战:匹配需求


  在把工业级3D打印技术推向用于大规模生产制造的过程中,如何有效地和终端制造业达成需求匹配将成为重要挑战。
  企业关于引入增材制造的挑战通常是,特别是在开始阶段,它们仍然由传统制造工艺驱动。零部件一般以传统的思维设计,而这样的设计往往无法发挥3D打印的优势。因此,3D打印的价值无法被充分地体现。在这一点上,重要的是让企业放弃旧的设计思维。
  传统的商业模式是卖设备,后面卖服务、卖材料,这是种比较传统的模式。我们应该跳脱纯设备商的角色,更好地扮演咨询顾问的角色,协助目标用户完成从第一步的了解,进一步的探索,到应用的开发,然后实现用于批量生产,这样一个过程。
  过去这几年,我们看到越来越多的制造业都开始关注3D打印,关注怎么样能够更好地利用新的加工技术,来降低成本,提升产品附加值,或者缩短产品开发周期,得到更大的利润空间,不断提升自己在行业中的竞争力。
  在一个3D打印的行业展会TCT亚洲展上,我们观察到一个明显的现象,过去几年中国的参展商越来越多,特别是工业级设备供应商,去年有五六家,今年有十余家。这是一个合理的现象,也说明大家对未来市场发展前景的看好。
  WohlersAssociates2016年版的WohlersReport基于51家工业系统制造商、98家服务提供商、15家第三方材料厂商、各种3D打印机厂商以及来自全球33个国家的80多个打印专家所提供的信息,表示3D打印行业连续第二年增长达10亿美元,总市值已经接近51.65亿美元。相比2015年,2016年销售工业级增材制造系统(价值超过5万美元)的厂商要多出13家,该数量也是2011年的两倍有余。
  3D打印,或者增材制造技术,实际上给制造业的全生命周期都将带来改变。除了设计和生产环节,一些公司近几年将这个技术应用到交付,也就是供应链环节。一个案例是奔驰的卡车,卡车由德国生产并出口到全世界,零配件怎么供应?传统方式是在德国统一生产,通过全球售后渠道,还要在当地贮存一定的零配件库存,才能就近服务当地的客户,这是集中式生产和管理。通过3D打印技术,世界上任何地方只要有3D打印的设备,就可以把零配件的生产和库存分散到全世界各地,节约运输成本,对客户的服务更及时,可以降低库存需求,因为库存对企业运营来讲是成本。当然最大的潜在应用是在生产过程中,因为这个阶段的使用量最大,可创造出的潜在价值也最大。
  2015年国务院副总理马凯在德国汉诺威工业展参观期间,曾经到EOS总部参观并与创始人交流。当时的背景正是德国在2013年提出“工业4.0”概念,中国在2015年推出“中国制造2025”概念。3D打印技术所具备的自由成型、快速制造、订制化及小批量生产等特点,对制造业带来的冲击曾被英国《经济学人》认为将“与其他数字化生产模式一起推动、实现第三次工业革命”。这项技术接下来的挑战就是做好实现大规模生产的准备。