3D打印的關鍵挑戰 吳承軒 815 2017-04-10 151 3D打印技術是壹種增材制造技術 （AddictiveManufacturing），由ASTM定義為“基於三維模型，通過材料的逐漸累積，通常是逐層堆積，來制造物件的技術”。3D列印 可以通過與傳統制造業的減材制造對比來理解增材制造：減材制造先由壹塊大料（如木頭、金屬等），然後通過切削或其他手段，最終留下所要的形狀。與之相反，增材制造技術則先從液體或粉末等原材料出發，利用不同的能量源，將原材料逐層打印成三維實體。3D打印也是壹種數字化成型技術，在三維軟件完成設計建模之後，直接轉化為實體，過程中不需要任何模具。3D印表機 最早成立的三家3D打印公司也是目前全球最大的三家3D打印技術的供應商。1984年美國人查爾斯·胡爾（CharlesW.Hull）發明了 SLA（StereoLithographyAppearance），即光固化成型技術。胡爾在1986年成立了3DSystems公司。1988年美國人斯科特克倫普（ScottCrump）發明了FDM（FusedDepositionModeling），即熔融沈積成型技術。他在第二年（1989年）成立了Stratasys公司。1989年美國德克薩斯大學奧斯汀分校的CarlDechard發明了SLS（SelectiveLaserSintering），即選擇性激光燒結技術。同年，德國EOS公司成立。 早期的3D打印局限於塑料打印。壹個關鍵的技術轉折點是在上世紀90年代中期，針對金屬燒結或金屬熔化技術的增材制造的出現。EOS在1995年推出了全球第壹套商業化的金屬3D打印設備，能夠直接制造出金屬件，使得3D打印技術的應用範圍瞬間拓展。雖然當時可用的金屬材料很少，但從那時起，3D打印技術開始慢慢拓展到不同行業。 對前沿技術比較感興趣的行業，比如航空航天，最早開始嘗試這項技術。比如波音認為這項技術可以打破壹些傳統加工的限制，實現更復雜的設計。由於飛機的零部件材料需要耐高溫，波音當時投資了壹筆資金，讓我們研發適用材料。 這些年來，隨著材料的多樣化，打印速度、打印尺寸，精度等方面的提升，都在持續推動產業發展。現在看來，3D打印技術還在過渡中，沒有做到真正的大批量生產。但把3D打印技術發展成為工業化生產的壹種主要手段，是行業的壹個目標。 值得註意的是，由於3D打印技術還比較新，對於不同級別的3D打印技術的區分還沒有壹個統壹標準。壹些市場調研有壹些初步區分，比如按設備價值金額。有壹份報告將設備分為三類，消費級、專業級和工業級，超過5萬美金是工業級。但這樣的區分仍然粗略，售價超過5萬美金的設備中，產品跨度也很大。比如EOS的設備售價就超過5萬美金10倍以上，金屬機平均是500萬元人民幣，塑料機也有不同尺寸，售價在300萬-800萬元人民幣之間。 航空航天、醫療、工業應用 3D打印技術的應用領域目前集中在七大方面。除了最早期的快速原型打印應用之外，隨著技術不斷發展，該技術已經進入了航空航天、醫療、工業、消費品、汽車以及模具，而且是用於打印最終部件或產品。另外科研領域也會用到這項技術做新材料或前沿應用的開發。 航空航天是應用比較快的壹個行業，關鍵是由於其產業的特性，和目前3D打印技術所處的階段有很多契合的方面：航空航天產品對復雜度有先天的需求，產品沒有汽車或手機那樣的大規模生產，產品單價相對高，所以行業對成本相對不是很敏感。 我們在國內的客戶中，航空航天業占25%的比重，集中在四大集團公司：中航工業、中國航天科技(34.200, 0.33, 0.97%)集團、中國航天科工集團和發動機集團公司。從全球來講，航空航天也占據至少1/4的市場。 另壹個重要的應用領域就是醫療，主要在骨科和齒科兩個領域，也有壹些醫療設備的案例。醫療領域有很多3D打印應用不需要工業級3D打印就可以實現，比如壹些協助醫生在手術前做直觀的術前模擬的模型。 工業級則面向附加值更高的醫療產品，例如骨科植入體，以及壹些重要的醫療設備。我們最近看到的壹個例子，醫療上常用的CT斷層掃描設備，裏面有壹個零部件叫作格柵，這種網格狀的零部件是比較關鍵的部件，作用是阻隔放射線，不讓它大面積泄露，在使用中不輻射人體。格柵用傳統的方式很難加工，每壹片分別制作，然後再拼接起來。 格柵的結構對3D打印技術來講輕而易舉，但是它對材料有要求，必須是壹種鎢合金。鎢的熔點是3000度以上，能量吸收率較低，屬於典型的難熔金屬。我們和客戶合作開發了鎢合金粉末燒結工藝，讓這個應用變得可行。目前飛利浦已經完成開發，並申請了專利。 3D打印在工業的應用領域也很廣。我們其中的壹個關註領域是在工業自動化。壹家工廠想要實現自動化升級，依靠機械手臂並不足夠，過程中需要有很多配套的夾具、治具，去實現整個自動化的流水線。例如，很多行業都會用到的註塑成型這種傳統加工方式中，註塑機完成註塑以後，傳統模式是人工抓取，然後進行下壹道工序。導入自動化之後，在註塑完成之後開模，機械手臂能完成自動夾取以及後續的動作。3D打印可以快速制作這些配套的夾治具，大幅提升自動化生產線的靈活性。 隨著工業生產模式不斷地朝向少量多樣化趨勢發展，充分的利用3D打印的特點可以讓整個生產線快速靈活地響應變化，這是我們在工業領域最先關註的應用。自動化是智能制造和工業4.0很關鍵的手段之壹，工廠要實現智能制造，自動化水平是很關鍵的基礎。 挑戰：匹配需求 在把工業級3D打印技術推向用於大規模生產制造的過程中，如何有效地和我們服務的終端制造業達成需求匹配將成為我們的重要挑戰。 企業關於引入增材制造的挑戰通常是，特別是在開始階段，它們仍然由傳統制造工藝驅動。零部件壹般以傳統的思維設計，而這樣的設計往往無法發揮3D打印的優勢。因此，3D打印的價值無法被充分地體現。在這壹點上，重要的是讓企業放棄舊的設計思維。 我們也在思考怎樣搭建橋梁，思考新的商業模式。傳統的商業模式是賣設備，後面賣服務、賣材料，這是種比較傳統的模式。我們意識到我們應該跳脫純設備商的角色，更好地扮演咨詢顧問的角色，協助我們的目標用戶，完成從第壹步的了解，進壹步的探索，到應用的開發，然後實現用於批量生產，這樣壹個過程。 兩年前，我們在德國組織了“增材思維”咨詢服務部門，由來自不同專業背景的資深工程師組成團隊，提供壹些課程或者培訓，針對不同階段的客戶，我們都能提供壹些咨詢服務。比如針對剛剛開始接觸3D打印的用戶，我們讓他們在三天的培訓課程中迅速地掌握3D打印的技術和特點。針對不了解如何把3D打印應用在自身行業的客戶，咨詢顧問到客戶現場去了解用戶的產品和生產過程，壹起找出並開發適合利用3D打印的環節。這個團隊的目的是更好地引導用戶更好地去使用這個技術，搭建需求和技術之間的鴻溝。 過去這幾年，我們看到越來越多的制造業都開始關註3D打印，關註怎麽樣能夠更好地利用新的加工技術，來降低成本，提升產品附加值，或者縮短產品開發周期，得到更大的利潤空間，不斷提升自己在行業中的競爭力。 在壹個3D打印的行業展會TCT亞洲展上，我們觀察到壹個明顯的現象，過去幾年中國的參展商越來越多，特別是工業級設備供應商，去年有五六家，今年有十余家。這是壹個合理的現象，也說明大家對未來市場發展前景的看好。 WohlersAssociates2016年版的WohlersReport基於51家工業系統制造商、98家服務提供商、15家第三方材料廠商、各種3D打印機廠商以及來自全球33個國家的80多個打印專家所提供的信息，表示3D打印行業連續第二年增長達10億美元，總市值已經接近51.65億美元。相比2015年，2016年銷售工業級增材制造系統（價值超過5萬美元）的廠商要多出13家，該數量也是2011年的兩倍有余。 3D打印，或者增材制造技術，實際上給制造業的全生命周期都將帶來改變。除了設計和生產環節，我們這幾年看到壹些公司將這個技術應用到交付，也就是供應鏈環節。壹個案例是奔馳的卡車，卡車由德國生產並出口到全世界，零配件怎麽供應？傳統方式是在德國統壹生產，通過全球售後渠道，還要在當地貯存壹定的零配件庫存，才能就近服務當地的客戶，這是集中式生產和管理。通過3D打印技術，世界上任何地方只要有3D打印的設備，就可以把零配件的生產和庫存分散到全世界各地，節約運輸成本，對客戶的服務更及時，可以降低庫存需求，因為庫存對企業運營來講是成本。當然最大的潛在應用是在生產過程中，因為這個階段的使用量最大，可創造出的潛在價值也最大。 2015年國務院副總理馬凱在德國漢諾威工業展參觀期間，曾經到EOS總部參觀並與創始人交流。當時的背景正是德國在2013年提出“工業4.0”概念，中國在2015年推出“中國制造2025”概念。3D打印技術所具備的自由成型、快速制造、訂制化及小批量生產等特點，對制造業帶來的沖擊曾被英國《經濟學人》認為將“與其他數字化生產模式壹起推動、實現第三次工業革命”。這項技術接下來的挑戰就是做好實現大規模生產的準備。 |
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