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手机穿越“芯片”围城!

www.cechina.cn2023.08.03阅读 10718

  当一个成熟市场陷入突破瓶颈,产品还可以怎么创新?
  2008年的乔布斯,从薄薄的信封中抽出一台最厚处仅有0.76英寸的MacBook Air,开辟了一个全新的超薄笔记本市场。
  那一年的苹果,没有M2芯片,更没有3万亿美元的市值。与国产品牌发家的过程无异,当时的苹果在消费电子产业链上只是一个组装厂,拿着现成的核心元器件,组装贴牌为一个个电脑或者手机

  组装厂也可以有创新。
  通过采用早已在原型机阶段应用多年的CNC制造工艺,并推动其进入大规模的工业生产阶段,苹果笔记本电脑以“一体化无缝、时尚金属材质”为卖点,成功在红海中造出一片自己的大陆。
  类似的工艺创新,正在手机市场中发生。新工艺、新材料的应用层出不穷,只是主角变成了国产品牌。
  月中发布的荣耀Magic V2,折叠屏设计上使用钛合金铰链,其结构件采用3D金属打印工艺。新工艺、新材料的加持,让折叠状态下的荣耀Magic V2厚度仅9.9mm,算是一个不小的行业突破。
  荣耀的产品落地证明了上游供应链的成熟,因此可以发现三星、华为、OPPO等公司,均计划在下一代产品中使用钛合金3D打印技术。巨头更不会落下。苹果分析师郭明錤近日发文称,最新调查显示,苹果正在积极引入3D打印技术,预计今年新款产品部分钛金属机构件将采用3D打印技术。
  下游传导到上游产业链侧,3D打印概念股近期表现活跃。7月17日泰尔股份、金橙子、爱司凯等多只个股涨停。据东方财富Choice数据显示,今年以来3D打印概念股平均涨幅为66%。
  郭明錤预测,一旦3D打印走向消费电子的工业化规模应用阶段,或将复制此前苹果在CNC制造工艺领域的成功。
  谁会是下一个苹果?
  改变规则的新工艺
  芯片发展的摩尔定律可以趋于极限,制造工艺的微型需求永无止境。移动设备厂商的替代方案,可能会转向电子3D打印技术。
  荣耀Magic V2折叠屏所能做到的极限轻薄,来自于其最核心的关键部件——铰链制造工艺的突破性进展。
  据悉,该款手机铰链的轴盖部分首次采用3D打印工艺,并使用钛合金材质,既可以保证铰链的精密性,又可以让轴盖更轻更薄,进一步让折叠屏的重量和厚度下降,同时又能兼顾手机的硬度,做到“既要又要”。
  不只是手机,有最新消息显示,下半年将要问世的第二代Apple Watch Ultra,也将采用3D打印技术。苹果计划利用这种新的制造工艺,来提高产量并降低成本。
  郭明祺表示,苹果正在“积极地将3D打印技术”纳入其制造过程中,Ultra 2的部分钛金属机械部件将采用3D打印。
  这是苹果公司第一次尝试将3D打印部件,整合到一款比手机产品线规模更小的设备上。“如果出货顺利,我相信更多的苹果产品将采用3D打印技术,这将有助于改善苹果供应链的生产成本和ESG绩效,而上述供应商也将受益于这种新的生产趋势。”
  十五年前的苹果,就曾利用制造工艺的创新,带来整个行业游戏规则的重大改变。
  MacBook Air挑战了工业设计先入为主的观念,并开创了超薄笔记本电脑的全新时代。苹果设计师艾夫曾评价称,这项工艺实现了“行业闻所未闻的精度”。
  作为当时高端制造业的一次重要突破,该工艺通过CNC机床实现。设计师通过机床可以方便地用3D图像文件创建结构复杂的零部件。其实这种机器已经出现了几十年,只不过每台价值超过50万美元,通常只用于少量制造产品原型。
  为了使 MacBook Air规模化量产,苹果对CNC基础设施进行大力投资。前苹果制造工程师称,为了实现乔布斯所说的这种“制造笔记本电脑的全新方式”,苹果买了一万多台CNC机床,还在全球范围内继续搜罗其他厂家的先进CNC机床。
  此后,笔记本电脑这一消费电子品类便突破了传统硬件规格的限制,市场上其他品牌均先后采用这种工艺进入超薄时代。
  又没多久,苹果开始在iPhone和iPad上采用同样的技术。这种一体化无缝、时尚的铝制机身,最终成为苹果设计美学的标志。直到今天,CNC工艺仍然是消费电子产品的主流选择。
  3D打印的三道关
  大多数的制造工艺,想要走出实验室变成工业化的生产力,往往需要迈过三个关键节点:规模化生产能力,工厂化流水性适配,良品率的质量控制。
  在3D打印的工艺流程中,这三个节点分别对应着:3D打印的吞吐量,3D打印工厂,3D打印质量控制。
  首先看吞吐量。3D打印起源于原型技术,设计时从未考虑过大规模生产,创建复杂形状的应用场景仅限于一次性零件或小批量制造。因此其大规模应用的第一步,是要开发尽可能快地制造许多零件的系统,这一概念可以称为吞吐量。
  目前的3D金属打印工艺,通常依赖于在昂贵的金属粉末上发射高功率激光束。提高吞吐量,主要通过添加更多的激光器来实现。比如钛合金轴盖的材料成本约为30元,加工成本却高达10倍。
  由于总成本相对较高,钛合金此前主要应用于航空航天、生物医学、化学工程、能源技术等领域。伴随着更低成本、更高吞吐量的3D打印技术应用,钛合金也将走出高精尖的关键零部件,开始逐步大规模应用于消费电子领域。
  惠普公司花了数年时间研究该技术,最终推出了能够快速生产塑料和金属的技术。这家 2D 打印巨头已将其在喷墨打印头方面的专业知识转移到了3D打印领域,采用了一种名为多喷射融合(MJF)的技术。MJF 已被用于生产大批量的聚合物零件,覆盖了从眼镜到杂货机器人等各种产品。
  同时该公司目前正在推出另一项名为Metal Jet的金属打印技术,将液体粘合剂沉积到金属粉末上,形成必须在熔炉中烧结的组件。大众汽车这样的大客户正在投资这项技术,计划每年为消费类汽车批量生产多达100000个金属部件。
  另外,通用电器也在开发自己的技术版本,致力于可以使用低成本金属粉末在一次作业中 3D 打印大量零件,从而改变金属3D打印的成本结构。
  吞吐量问题解决后,其次是3D打印工厂,主要指是否具备量产级的系统性生产力。虽然一组3D打印机或许能够批量生产,但这并不意味着它们一定适合现有的工厂运营,这很大程度上取决于是否具备量产级的系统管理软件。
  开发用于制造执行系统(MES)的增材制造专用软件,管理一组3D打印机并将其连接到公司现有的生产软件至关重要。
  目前这个环节的推动者主要是一些初创公司,利用人工智能在机器学习的帮助下开发,随着每个订单和每个机器作业的数据反馈到工作周期中,整个工作流程可以自动改进。
  最后是良品率的质量控制。CNC工艺是做减法,流程侧重切割的精度;3D打印则是做加法,零件是逐层构建的。
  构建平台上的每个点都可能略有不同,即使打印参数最微小的变化,也可能会改变打印物体的微观结构。一旦打印完成,就很难验证项目的内部几何形状。确保打印物体质量的唯一方法,是使用成本高昂的CT扫描来检查。
  不过,提前使用计算机进行模拟,在错误实际发生之前检测并作出反馈才是主流解决方案。采用这些工具将越来越多地实现主动反馈,以便机器能够快速纠正打印过程中的问题。
  只有手机还不够
  相对于手机已经应用3D打印工艺在追求折叠屏的轻薄,国外分析师更倾向于认为苹果最新推出的Vision Pro产品,或将成为推进3D打印工业化规模应用的主力。
  集合了苹果近十年技术结晶,售价3000美元的Vision Pro,通过增强现实和虚拟现实打造革命性的移动设备体验,代表了消费电子产品及其他领域的潜在范式转变。
  更关键的是,苹果Vision Pro虽然显著优化了眼球追踪交互方式,搭载性能更强大的芯片技术,但是在整机重量上并没有明显的减重。
  长期关注3D打印行业的人都清楚,这项技术的核心优势之一就是可以将电子产品压缩到狭小的物理空间中。
  通过3D打印,可以使用Optomec的Aerosol Jet技术将导电迹线喷涂到弯曲表面上,允许把电子功能整合到产品结构中,提高空间利用效率。此前,3D打印工艺已经应用到微型芯片互连、电路、电阻器等领域,实现整机更小更轻的外形尺寸。
  根据公开披露,头显产品Quest的厂商Meta,2016 年收购了一家名为Nascent Objects的初创公司。后者开发了一种3D打印消费电子产品内置模块的技术。
  虽然在不同的产品类型上尝试3D打印技术屡见不鲜,但是要想走向大规模应用,还需要更多受市场认可的新产品做下游需求的支撑。
  市场研究公司SmarTech Analysis最近发布了增材制造(AM)行业的数据显示,2021年3D打印行业的收入达到106亿美元,还不包括与硬件维护合同和后处理设备相关的收入。报告进一步预测,到2030年增材制造预计将增长到500亿美元以上。
  这与更多的消费电子产品越来越多地采用该技术进行大规模生产的趋势密切相关。不过正如上文所述,3D打印能否在产量、工厂集成和质量控制三个环节获得更多的突破性进展,才是决定消费电子卷向新制造进程快慢的关键。

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