3D打印未来可期
2019-04-23

在看到中国3D打印产业发展成绩的同时,我们也要意识到目前产业尚处于产业化起步阶段,专用的材料、工艺、装备等核心技术还有待进一步突破,标准体系、安全法规有待进一步完善,商业模式应用领域还有待进一步开拓。

| 文 · 王坛坛

 

2019年1月,清华大学运用自主研发的机器臂3D打印混凝土技术,在上海建成目前世界上规模最大的混凝土3D打印步行桥。该桥全长26.3米,宽度3.6米,桥梁结构借取了中国古代赵州桥的结构方式,采用单拱结构承受荷载,拱脚间距14.4米。据介绍,步行桥最多可以承载600人的重量。

说到3D打印,大家并不陌生。近几年,3D打印技术大火。3D打印是增材制造(Additive Manufacturing)的俗称,是一种融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术,以数字模型文件为基础,通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料,按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积,制造出实体物品的制造技术。

3D打印技术作为一种新兴的快速制造技术,在很多生产制造领域都有广泛应用。时至今日,虽然消费者对3D打印的关注度下降,但3D打印技术在航空航天、医疗领域应用正快速加强。

 

不一样的技术

现代意义上的3D打印技术诞生于20世纪80年代中期。

1986年,美国科学家查尔斯·胡尔(Charles Hull)发明了立体光固成型技术,并以此获得了专利。同年,Charles Hull开发了第一台商业3D印刷机,并成立了3D Systems公司。1988年,斯科特·克伦普(Scott Crump)发明了熔融沉积成型技术,并于次年成立了Stratasys公司。1989年美国德克萨斯大学奥斯汀分校的Carl Dechard发明了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20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。

2007年,英国巴斯大学的机械工程高级讲师Adrian Bowyer博士在开源3D打印机项目RepRap中,成功开发出世界首台可自我复制的3D打印机,3D打印机开始进入普通人的生活。2008年,以色列Objet Geometries公司推出其革命性的Connex500快速成型系统,它是有史以来第一台能够同时使用几种不同打印原料的3D打印机,开创了混合材料打印的先河。

3D打印涉及多个技术领域,包括光学技术、电子、机械制造、信息技术、控制技术、材料技术等,是技术密集型行业,具有多学科交叉、技术复杂度高的特点。在加工方法上,3D打印和传统的机械加工大不相同。传统的机械加工方法往往是“做减法”,在制造过程中材料逐渐减少;锻造、铸造等热加工方法,可粗略视为“等材制造”;3D打印恰好相反,采用打印头、喷嘴等,通过逐层增加材料的方式制造三维实体物件。与传统制造技术相比,3D打印不用事先制造模具,不用在制造过程中去除大量的材料,也不用通过复杂的锻造工艺。因此,在生产上可以实现结构优化、节约材料和节省能源。3D 打印技术适合于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等。

发展至今,3D打印产业已经逐渐成长为可以满足工业生产、实现制造业转型的产业。产业链上游为塑料、金属、蜡、石膏、砂等其他各种材料,下游领域主要是3D打印服务,延伸到各个细分的实际应用方向。目前,3D 打印已应用于产品原型、模具制造、艺术创意产品、珠宝制作等领域。

3D 打印技术的快速发展使其成为近几年国内外快速成型技术研究的重点。人们对快速成型技术投入了大量的研究,使3D打印技术得到了迅速发展。

 

大有可为

“未来制造不会是单纯的增材制造或单纯的传统制造,两者会通过集成——比如3D打印完之后的后处理,如热处理或是加工抛光等传统制造工艺——结合起来,工厂或车间的信息集成将使上述流程更加顺畅。”此前EOS首席执行官Adrian Keppler接受采访时表示。

随着技术的逐渐成熟及发展,3D打印已经从研发转向了产业化应用,成为制造业的“香饽饽”。新技术应用正在打破行业的限制壁垒,近年来随着大批传统制造企业进入到增材制造的领域,全球3D打印产业迎来了大变局。通用电气(GE)、西门子等行业巨头和用户企业,通过持续并购加速了全球的布局。

一直以来,GE都是研发和应用3D打印技术的行业领先者。在3D打印的收益得到验证后,GE开始进行全球的3D打印工厂建设,先后设立了位于印度的3D打印工厂、匹兹堡的3D打印技术发展中心(CATA)以及意大利的3D打印生产线等,将3D打印技术的应用延伸到GE的所有业务领域。西门子在3D打印领域的布局非常类似于GE,不仅有大手笔,更有全局和细节方面的考量。早在2015年,西门子下属的风投机构SVC对3D打印公司Materials Solutions发起战略投资,以利用这家企业在金属3D打印方面的技术积累改进西门子燃气涡轮的设计制造。2016年2月,西门子在瑞典开设了一家金属3D打印工厂,进行大规模的零部件制造。

目前3D打印的成熟应用主要集中在航空航天、医疗及石油天然气行业。

知名法国航空与国防企业赛峰(Safran)的3D打印金属涡轮喷嘴获得了欧洲航空安全局(EASA)的飞行认证,而该喷嘴是Leonardo AW189型直升机辅助动力单元(APU)的核心部件之一。美国联邦航空管理局(FAA)已经认证了许多3D打印的金属航空部件,其中包括GE的LEAP发动机3D打印喷油嘴。

在国内,2017年3D打印龙头企业之一的湖南华曙高科在国内成功实现了3D打印技术在发动机静子、转子类零件上的直接应用性验证,有望突破航空涡喷发动机的制造技术瓶颈。在台架试验测试环节,用传统工艺制造的涡喷发动机转子件在低于10万转/分钟的转速下破裂,而华曙高科3D打印涡喷发动机零件经受住了考验。

3D打印的优势显而易见。

在2018中国增材制造大会暨展览会上,GE增材创始人,首任CEO Mohammad Ehteshami表示,通过3D打印能够更快地进行新产品的开发,能够有更好的成本控制及轻量化产品,这也是3D打印能够快速与各领域实现产业融合的重要原因。目前,GE正在通过收购打造3D打印的全生态链,也希望与更多企业深度合作,促进全球3D打印产业腾飞。

西门子中国研究院高级专家研究员李长鹏在2018中国增材制造大会暨展览会首届线上微论坛暨新闻发布会也发表了类似的看法,他表示:“一方面,3D打印本身可以通过全新的设计,整体提高产品的性能和工业设备的能效,而且还节能环保;另一方面,3D打印有别于传统的加工制造工艺,是典型的数字化制造工艺,可以通过小批量生产销售、开模和简化整体产品供应链等方式,充分结合大数据分析、人工智能等技术,重组整合制造流程,实现信息技术、生产设备的融合,这也是得到学术界、工业界还有政府部门高度重视和支持的重要原因之一。”

近年来,我国持续出台多项政策支持3D打印产业的发展。

2017年国家出台了《3D打印产业发展行动计划(2017-2020)》《增强制造业核心竞争力三年行动计划(2018-2020)》等多项对3D打印的支持性政策。在2017年发布的《重大技术装备关键技术产业化实施方案》中指出由骨干企业牵头,联合相关单位,研制工业级铸造3D打印设备,满足大型发动机、航天航空等领域黑色及铝合金铸件的需求。

在政策的鼓励和引导下,各地纷纷将3D打印作为未来产业发展新的增长点来重点培育,推动3D打印技术与信息网络技术、新材料技术、新设计理念的加速融合,力争抢占未来科技和产业的制高点。我国进军3D打印领域的企业数量不断增多。据中国增材制造产业联盟统计数据显示,仅2017年,我国提供3D打印服务的企业数量就已经超过了500家。

对于中国3D打印的发展,中国增材制造产业联盟副秘书长左世全表示:“从行业组织来看,整体行业在加速布局,市场空间愈加广阔。一个是从制造企业本身来讲,提供的装备包括材料领域不断拓展,另外从应用企业,从用户,包括像GE公司、惠普等等这样一些公司,通过并购、投资的方式,带动产业飞速发展。”同时,他还指出目前中国3D打印的发展态势呈现以下几个特点:一是产业规模持续扩张,2017年达到了100亿元。二是创新产品层出不穷,一些专用材料、工艺、装备、关键零部件、软件系统等新产品实现量产,包括增材制造软件系统取得突破。从产业整体布局来看,呈现出多方开花的发展态势,在北京、湖北、浙江、广东、山西等地形成了产业集聚地和产业集聚区。

 

直面挑战

目前,国内的3D打印主要集中在家电及电子消费品、模具检测、医疗及牙科正畸、文化创意及文物修复、汽车及其他交通工具、航空航天等领域。前瞻产业研究院发布的《3D打印产业市场需求与投资潜力分析报告》数据显示,2012年中国3D打印机市场规模达到1.61亿美元,至2016年,中国3D打印产业规模达到11.87亿美元(约80亿元人民币),复合增长率为49%。

虽然中国在3D打印产业化发展上姿态积极,但是在核心技术、核心材料等方面仍存在不少短板。我国在3D打印核心技术、核心产品、核心服务等方面依然有着很大的提升空间。中国3D打印技术产业联盟的数据表明,2018年中国3D打印领域相关企业有近600家,但是真正的巨头企业寥寥无几,国际影响力与市场竞争力都难言强大。业内人士指出,未来要想推动产业实现健康、可持续发展,还需要在材料研发、技术应用、人才培养等多个环节持续发力。

仅就打印设备而言,我国的3D打印产业目前还处于起步阶段,而3D打印设备是牵动整个3D打印产业发展的关键步骤之一。3D打印设备分为桌面级打印机和工业级打印机,国内桌面级打印机猛增,技术壁垒不断降低,盈利能力持续减弱。2016年中国交付的3D打印机数量约为16万台,其中96%是个人或桌面3D打印机,其平均价格低于1000美元。目前国内的桌面级打印机竞争已接近白热化,加之利润小、精度差、实用性一般,天花板效应逐渐显现。相比于个人3D打印机而言,中国工业级3D打印机虽受到国家利好政策的刺激,但由于设备研发起步较晚,目前还没形成能够与3D Systems和Stratasys等国际巨头相抗衡的3D打印设备公司。

业内人士认为,中国3D打印产业要想实现真正的跨越式发展,就必须在核心技术、核心零部件国产化上下功夫。如果能够攻破核心技术,缓解核心零部件受制于人的现状,那么生产成本与销售成本就能大幅下降,售后服务问题也能迎刃而解。

对此,工业和信息化部政策法规司副司长范斌在2018中国增材制造大会暨展览会致辞中表示,世界各主要国家已然将3D打印作为未来产业发展的新增长点。据统计,2017年全球增材制造产值已经达到73亿美元,近5年来的年均复合增长率高达26.34%。中国作为制造业大国,举国上下也非常重视3D打印产业的发展,并提出了一系列有利于3D打印产业发展的政策方针。但是,在看到中国3D打印产业发展成绩的同时,我们也要意识到目前产业尚处于产业化起步阶段,专用的材料、工艺、装备等核心技术还有待进一步突破,标准体系、安全法规有待进一步完善,商业模式应用领域还有待进一步开拓,促进我国增材制造产业快速发展任务艰巨,责任重大。

2018年11月26日,国家统计局发布了《战略性新兴产业分类(2018)》(国家统计局令第23号)。公告中有大量的关于3D打印的项目类别,包括3D打印机装备、金属3D打印专用材料、医疗3D打印专用材料、3D打印设计等入选了战略性新兴产业分类。

这一次,国家统计局将3D打印列入国家战略性新兴产业分类,有助于推动3D打印技术和应用真正地落地,在细分领域产生价值,加速中国制造的发展,如金属材料与技术、非金属材料与技术、医疗增材制造专用材料等从长期和短期发展目标来看,具备战略性意义的关键技术领域。