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从十大趋势看3D打印产业如何前行

导读: 20世纪80年代后期,3D打印机的横空出世,开启了增材制造新时代。近年来,借着新一轮科技革命和产业变革的东风,3D打印步入快速发展期。

20世纪80年代后期,3D打印机的横空出世,开启了增材制造新时代。近年来,借着新一轮科技革命和产业变革的东风,3D打印步入快速发展期。世界各国纷纷将其作为未来产业发展新的增长点加以培育,如2012年美国将“增材制造技术”确定为首个制造业创新中心(后更名为“美国制造”),欧盟、日本、韩国、新加坡、俄罗斯、南非、印度等国也通过各种措施推进3D打印产业发展。我国的3D打印技术与世界先进水平基本同步,但产业化仍处于起步阶段。未来,3D打印将朝着速度更快、精度更高、性能更优、质量更可靠的方向发展,成为一股强大的科技力量。

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解读3D打印产业的十大发展趋势 

趋势一:桌面级市场已陷入“红海” 掘金工业级正当时

近几年,桌面3D打印机“叫好又叫座”,销量呈现大幅增长,而工业级3D打印机则略显惨淡。根据大数据公司CONTEXT的数据,2015年全球桌面3D打印机销量增长了33%,工业级3D打印机则下降了9%;2016年上半年全球桌面3D打印机同比增加15%,工业级3D打印机却减少15%。桌面3D打印机门槛低、设计简单,是企业进军3D打印领域的较好入口。但经过多年的发展,桌面级市场竞争已近“白热化”,加之利润小、精度低、实用性不佳,天花板效应明显。

而工业级市场契合了智能制造的理念,可广泛运用于汽车、航空航天、机械工业、医疗等市场需求大、发展潜力大的领域,随着技术的逐渐成熟和成本的不断降低,将会爆发出难以想象的巨大能量。

2015年底,全球3D打印巨头3D Systems公司宣布停产消费级桌面3D打印机,转向更赚钱的专业级和工业级市场;2016年初,国内3D打印技术大咖西通电子在珠海宣布全面进军工业级3D打印领域。

趋势二:金属3D打印领域快速发展 应用端空间渐打开

金属3D打印被称为“3D打印王冠上的明珠”,是门槛最高、前景最好、最前沿的技术之一。同样来自CONTEXT发布的数据,2015年全球金属3D打印机销量增长了35%,2016年上半年同比增长17%,可以说是工业级3D打印领域逆势上涨的一朵“奇葩”。在汽车制造、航空航天等高精尖领域,有些零部件形状复杂、价格昂贵,传统锻铸工艺生产不出来或损耗较大,而金属3D打印则能快速制造出满足要求、重量较轻的产品。

2015年11月,奥迪公司使用金属3D打印技术按照1:2的比例制造出了Auto Union(奥迪前身)在1936年推出的C版赛车的所有金属部件;2016年9月,GE斥资14亿美元收购了瑞典Arcam公司和德国SLM Solutions集团两大金属3D打印巨头,加快布局3D打印航空发动机零部件业务。此外,医疗器械、核电、造船等领域对金属3D打印的需求也十分旺盛,应用端市场正逐渐打开。

趋势三:3D打印产业化还需时日 “增”“减”制造长期共存

3D打印采用增材制造技术,是对以“减材制造”“等材制造”为基础的传统制造业的创新与挑战,但并不是非此即彼的关系,而是并存互补的关系。

从历史看,传统制造业经过了几千年的积累和发展,技术、工艺、材料等已经非常成熟,而3D打印则是一个新生事物,只有30多年的发展历程,在速度、精度、强度等方面还有诸多限制。

从现状看,当前3D打印市场份额十分有限,专业咨询机构Wohlers Associates发布的数据显示,2015年全球3D打印市场规模为51.65亿美元,至2020年将达到212亿美元,而这与数十万亿美元的制造业市场相比,还微乎其微。

相比传统制造,3D打印研发周期更短、用料更省,在小批量、个性化定制等方面优势明显,但在大规模生产方面存在着许多不足之处。增材制造虽然不能完全替代减材制造、等材制造,但作为传统制造技术的有益补充,3D打印将极大地推动制造业的转型升级。

趋势四:产品生产方式加速变革 “整”“分”制造携手共进

3D打印是“工业4.0”时代最具发展前景的先进制造技术之一,它从两个方面改变了产品的生产方式:一方面,传统制造业以“全球采购、分工协作”为主要特征,产品的不同部件往往在不同的地方进行生产,再运到同一地方进行组装。而3D打印则是“整体制造、一次成型”,省去了物流环节,节约了时间和成本。

另一方面,传统制造业以生产线为核心、以工厂为主要载体,生产设备高度集中。而3D打印则体现了以大数据、云计算、物联网、移动互联网为代表的新一代信息技术与制造业的融合,生产设备分散在各地,实现了分布式制造,从而省去了仓储环节。

“整体制造”和“分布式制造”在字义上看似矛盾,在3D打印技术上则实现了统一,前者强调生产过程,后者强调生产行为,共同推动着产品生产方式的变革。

趋势五:成型尺寸向两边延伸 “大”“小”产品颠覆想象

随着3D打印应用领域的扩展,产品成型尺寸正走向两个极端:一方面往“大”处跨,从小饰品、鞋子、家具到建筑,尺寸不断被刷新,特别是汽车制造、航空航天等领域对大尺寸精密构件的需求较大,如2016年珠海航展上西安铂力特公司展示的一款3D打印航空发动机中空叶片,总高度达933毫米。

另一方面向“小”处走,可达到微米纳米水平,在强度硬度不变的情况下,大大减轻产品的体积和重量,如哈佛大学和伊利诺伊大学的研究员3D打印出比沙粒还小的纳米级锂电池,其能够提供的能量却不少于一块普通的手机电池。未来,3D打印的成型尺寸将不断延伸,从大的不可思议到小的瞠目结舌,“只有想不到的,没有做不到的”。

趋势六:材料瓶颈待攻克 “质”“量”趋升“价”趋降

“巧妇难为无米之炊”。3D打印材料是3D打印技术发展不可或缺的物质基础,也是当前制约3D打印产业化的关键因素。近年来,随着3D打印需求的增加,3D打印材料种类得到了迅速拓展,主要包括高分子材料、金属材料、无机非金属材料等三大类。但与传统材料相比,3D打印材料种类依然偏少。

以金属3D打印为例,可用材料仅有不锈钢、钛合金、铝合金等为数不多的几种。另外,3D打印对材料的形态也有着严格的要求,一般为粉末状、丝状、液体状等,相比普通材料价格比较昂贵,根本无法满足个人与工业化生产的需要。足够多“买得起”的材料才能为技术的发展提供足够多的选择空间、为应用的扩展提供足够多的想象空间。

未来,3D打印材料将成为研究开发的焦点、资本涌入的风口,材料种类、形态将得到进一步拓展,价格下降可期,精度、强度、稳定性、安全性也更加有保障。

趋势七:“黑科技”闯进医疗界 手术可“排练”、治疗更精准

3D打印的“个性化定制”与医疗行业的“对症下药”有着天然的契合性,二者的结合主要体现在四个方面:一是术前演练,利用3D打印技术还原出病患部位模型,让医生更直观地了解病理结构,增加了手术的成功率;二是医疗器械,包括助听器、护具、假肢等外部设备以及关节、软骨、支架等内植物;三是“量身”制药,根据患者的生理特点、具体需要调配药物,提高了药物的有效性;四是生物打印,用人造血管、心脏、神经、皮肤等来修复、替代和重建病损组织和器官。尽管3D打印在医疗领域的应用还面临着材料、成本、精度、标准等制约,市场规模也较小,但考虑到医疗领域巨大的需求潜力与极小的需求弹性,3D打印在医疗领域的应用将不断扩展,在实施更为精准的诊疗方案、提供更为充足的移植器官等方面大显身手。

趋势八:3D打印牵手云制造 有商业影响力的平台不断涌现

全球已经进入了高度的信息化时代,互联网作为信息化的重要工具正在重新定义各行各业。3D打印设备尚未普及,技术使用也不“傻瓜”,没有设备、没有技术的普通人该怎样实现自己的设计想法呢。

成立于2008年的Shapeways公司搭建了一个基于互联网的3D打印平台,担当起服务供应商和需求用户之间的“红娘”,解决了用户的这个“痛点”。如今,MakeXYZ、3DLt、3DHubs、先临三维、光韵达、魔猴网等也做着类似的事情,南京壹千零壹号自动化科技公司的“1001号云制造平台”还入选2016年中国“互联网+”在工业应用领域十大新锐案例之首。

“互联网+3D打印”开拓了一种全新的商业模式——“云打印”,并将共享经济的思维引进来,闲置的3D打印机得到了有效使用,客户也能选择称心如意的设备和供应商。

趋势九:混合打印创造更多可能 功能材质色彩也“混搭”

随着3D打印技术的发展,人们对3D打印机的期望越来越高,早已不满足于单一功能、单一材质、单一色彩等。未来,3D打印机可实现3D打印技术与传统数控机床技术(或不同3D打印技术)的自由切换,实用性将变得更强;3D打印机的“口粮”更加丰富,金属、塑料、橡胶等多种材料(或不同属性的材料)的混合使用,将加工出结构更为复杂的产品;打印出的产品也会五彩缤纷。

如日本研发出的一款五轴混合3D打印机(由3D打印机与数控铣床混合而成),能够在现有工业级5轴控制技术的基础上连续进行挤出式3D打印和铣削作业;MIT研发的MultiFab 3D打印机能同时处理包括晶状体、纺织物、光纤等10种材料;加拿大的ORD Solutions公司推出的一款3D打印机,可以使用五种不同颜色的线材打印出多彩作品。

趋势十:我国3D打印起步早发展慢 产学研协同是突破口

在3D Systems、Stratasys、先临三维等行业巨头纷纷跑马圈地之时,哈佛大学Wyss研究所、加利福尼亚大学劳伦斯·利弗莫尔实验室(LLNL)、卡内基梅隆大学Adam W.Feinberg研究团队等科研机构凭借其雄厚的研发实力也不断实现技术突破。

我国3D打印的研究起步于20世纪90年代,发端于高校,如今已形成清华大学颜永年团队、北京航空航天大学王华明团队、西安交通大学卢秉恒团队、华中科技大学史玉升研究团队和西北工业大学黄卫东团队等骨干科研力量,论文和申请专利的数量处于世界第二位。

2016年10月又成立了中国增材制造产业联盟,国家增材制造创新中心建设方案也通过了专家论证。随着我国科技体制机制改革的不断推进,走产学研协同之路,形成长效合作机制,成为我国推进3D打印产业化的现实选择。

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