陈根:几经热炒几经冷场,3D打印出圈之路

文/陈根

很难想像,作为近些年才被广泛认识的3D打印,早在1983年就已经诞生(www.hpux.cn)。

2012年,英国《经济学人》杂志刊文,将3D打印技术视为“第三次工业革命”的重大标志之一,这引起了全球的广泛关注。然而,眼看着就可以造天造地、颠覆产业无所不能的3D打印在风靡一时之后,再一次遵循了令人无可奈何的技术成熟度曲线。近年来,3D打印一次次被热炒,也一次次考验着人们的耐心

事实上,世界上到处都是前途无量、却从未真正推广的技术。那些成功普及的技术,往往得益于外部事件。无疑,对于3D打印来说,新冠疫情正是那个外部事件。

事实也确实如此,根据国内B2C跨境电商平台全球速卖通的数据显示,疫情以来该平台上3D打印机的销售额和去年相比已经翻了一番,尽管今年3D打印机的海外仓备货大幅增加,但疫情之下这些备货已被抢空。其中,4月份中国3D打印设备产量同比大幅增长344.7%

3D打印何以如此?随着技术的逐步成熟,3D打印又是否春天将至?从小众走向大众,3D打印还有什么未经之路?

3D打印有所为

3D打印,顾名思义,三维打印。相较于常见的二维平面打印,3D打印有所同,也有所不同。

不论是二维平面打印还是三维立体打印,本质上都是一种打印技术。不同的是,平面打印最后以平面形状的方式将文件内容打印出来。除了传递信息,平面打印并不具备实际的功能。相比于平面打印的文件,3D打印却可以直接实现功能。

3D打印需将想要打印的物品的三维形状信息写入到3D打印机可以解读的文件,再等3D 打印机解读文件后,以材料逐层堆积的方式打印出立体形状。可以说,三维的形状就是功能的基础,打印出了形状,也就打印出了功能

此外,与“减材制造”相对,3D打印又称为“增材制造”。对于现阶段的制造业来说,目前通常所使用的材料加工技术多为“减材制造”技术,即对原材料进行去除、切削、组装等加工,使原材料具备特定的形状并可执行特定的功能。而“增材制造”则直接将原材料逐层堆积成特定的形状,以实现特定的功能。

增材制造工作过程主要包括三维设计和逐层打印两个过程:先通过计算机建模软件建模,再将建成的三维模型分区成为逐层的截面,指导打印机逐层进行打印。相比于传统的减材制造方式,增材制造无疑具备很多优势

一是缩短生产制造的时间,提高效率。用传统方法制造出一个模型通常需要数天,这根据模型的尺寸以及复杂程度而定,而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数小时。因此,相比减材制造而言,增材制造尤其适合制造形状复杂的零部件。当然,这也受其打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度的影响。

二是提高原材料的利用效率。与传统的金属制造技术相比,增材制造机制造金属时只产生较少的副产品。随着打印材料的进步,“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。

三是完成复杂结构的实现以提升产品性能。传统减材制造方式在复杂外形和内部腹腔结构的加工上具有局限性,而增材制造可以通过进行复杂结构的制造来提升产品性能,在航空航天、模具加工等领域具备减材制造方式无可比拟的优势。

比如,一台 3D 打印机可以打印出许多形状,它可以像工匠一样每次都做出不同的零件。对于传统的机床生产线来说,要加工不同形状的零件,需要对产线进行复杂的调整。因此,增材制造尤其适合定制化的、非批量生产的物品

事实上,一开始,3D打印主要是在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于某些产品或零部件的直接生产制造,包括在航空航天、工程施工、医疗、教育、地理信息系统、汽车等垂直领域都有所应用。

2015年,美国国家航空航天局(NASA)基于3D打印技术,打印出航空火箭发动机的头部。这使得零件大量减少,焊缝也随之减少,降低了火箭发动机出现故障概率的同时,使得迭代周期缩短、成本降低。

在迪拜,政府选择用3D打印来建造政府大楼。3D打印建筑主要作业由机器完成,一体成型,建筑速度快,工人的作用多为操作和检验3D打印机的工作情况,因此对人力的需求比传统建筑行业少。

2019年,以色列特拉维夫大学宣布该学校实验室3D打印出了一颗“心脏”,这不仅是一个外观打印的心脏,这是世界上第一个利用患者自己的细胞和生物材料3D打印出的三维血管化的工程心脏,也就是具有血管组织的三维人造心脏。

而今年5月我国首飞成功的长征五号B运载火箭上,搭载着我国新一代载人飞船试验船,船上还搭载了一台“3D打印机”。这是我国首次太空3D打印实验,也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验

显然,随着技术的逐步成熟,3D打印也不断展现着其商业价值,但在从小众走向大众前,3D打印仍然面对一些悬而未决的困境。

3D打印的未经之路

当3D打印逐渐地走进人们的生产生活中时,人们也在一步步在把万物皆可打印推向现实,巨大发展前景和广阔应用空间令行业期待。但是同时,作为一项快速发展的技术,要想发挥3D打印的积极影响,仍有很长的路要走

一方面,对于标准产品的加工,3D 打印的规模效益不如传统的加工方式。相比传统的加工方式来说,3D 打印制造过程中的固定成本更少,这导致在规模化生产标准产品时,3D打印制造的边际成本下降不如传统的加工方式。

比如,使用传统的注塑方式加工一个橡胶零部件,所使用的模具属于固定成本。由于产品是标准化的,批量加工该零部件时,就使得每个零部件分摊的该项固定成本变小。因此,利用该模具加工的零件趋向于无限多,则每个零部件均摊的成本趋近于0;而如果利用3D打印加工该零部件,不需要用到任何模具,因此即使用该技术批量加工完全相同的零部件,也不存在均摊的固定成本降低的情况。

另一方面,对于3D打印来说,当前可用的原材料种类仍然有限。从当前的情况来看,3D打印技术能加工的材料种类不如传统加工方式多,主要有两个原因:一是由于对于性质不同的原材料,往往使用的设备原理有所不同,因此可以使用的原材料种类的开发,受限于对应的设备研发进展。

二是由于 3D 打印的原材料往往需要特定的形态,例如金属 3D 打印常使用金属粉末作为原材料,且对金属粉末的均匀度、含氧量、颗粒大小等都有所要求。相对于型材来说,粉末的加工难度更高,且相应的产业链尚不如传统材料那样广泛而庞大。

而对于利用ABS 塑料、光敏树脂等非金属进行的打印来说,目前市场上已经有比较多的原材料供应商,原材料的成本已经不是制约该技术发展的瓶颈。但对于金属、高端聚合物材料来说,由于供应产能的限制,价格仍然比较昂贵。

此外,3D打印的零部件力学性能以及金属 3D 打印在加工精度、表面粗糙度、加工效率等方面仍有空间精进。同时,成品是否坚固耐用,用户认知度是否提升,知识产权是否面临更多的侵权风险都是3D打印在发展过程中必经却未经之路

3D打印承载未来制造想像

从3D打印的商业应用和市场化来看,经过 30 多年的发展,3D 打印行业已经形成一条比较完成的产业链。包括上游的制造 3D 打印设备所需的零部件、打印过程中所使用的各类原材料、设计和逆向工程所需要的软硬件;中游的3D打印设备及服务,下游的航空航天、汽车、医疗、教育等下游应用领域。

事实上,无论在全球范围内还是我国市场内,3D打印的行业规模都呈现快速增长趋势。据咨询机构Wohlers Associates统计,2013年全球 3D打印行业总产值为30.3 亿美元,2018年达到了96.8 亿美元,5 年间的复合增速达26.1%。该机构同时预测,从2019年-2024年间,全球3D打印行业仍将保持着年均 24%左右的复合增速

相比全球平均水平,我国3D 行业的市场规模增速更高,2013年国内3D打印产业规模仅 3.2亿美元,2018年规模达23.6亿美元,5年的复合增速达49.1%。预计2023年,我国3D打印行业总收入将超过 100亿美元。

显然, 3D 打印已逐渐从导入期步入成长期,而疫情无疑加速了这一进程。3D打印的不受空间的制约,能够缩短供应链流程,生产效率更高,并且制造门槛也更低,这就为摆脱供应链提供了可行方案。于是,受海外医疗防护物资紧缺影响,利用3D打印设备制作出的口罩、医用面罩、护目镜等一时间成了“救场奇兵”

其中,国内消费级3D打印机制造商创想三维,既是这一波3D打印风潮中的获益者,同时也是国内3D打印行业的主要参与力量。创想三维3月出货量达5万多台,4月初接到订单近16万台,4月销售额2.2亿元。此外,闪铸、爱用科技、光华伟业、潮阔电子等出口型3D企业也反馈了更多积极消息。

事实上,许多技术创新站在取得突破的门槛上,但其中却少有几项技术有望逆转生产率增长的下降。但3D打印不同——它从设计上就是一种有助于提高生产率的工具。如果将3D打印和机器人结合起来,它的影响将会更大。机器人在3D空间中非常灵活,而3D打印机可以构建复杂的东西。将这两者结合起来,没有理由不能从零开始构建任何结构

过去四十年里,我国制造业经历了由复苏向崛起的快速发展,总量规模不断扩大,产业结构转型加快,综合头力和国际竞争力显著增强。在制造业飞速发展至工业4.0 智能制造的今天,智能制造最大的挑战,也从数量过渡到了质量。大规模定制、开放式创新与智能化工厂,这些变化也将是3D打印智能制造最直接的体现。

3D打印技术承载了人们对未来制造模式的无限想象,是数字时代人类技术积累到一定阶段所孕育出来的新技术,3D打印技术赋予了人类对未来的巨大想象。在未来,传统制造的物理限制和空间限制将不再那么重要,设计、生产将更加扁平化、更加开放。

主营产品:画册,精装书,彩盒,日历,宣传单