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详解为什么要发展增材制造?(下)

导读: 3D打印代表着未来制造业发展的方向之一,但受限于现有技术及材料缺乏,现阶段3D打印技术试验性用途大于实用性。

3D打印代表着未来制造业发展的方向之一,但受限于现有技术及材料缺乏,现阶段3D打印技术试验性用途大于实用性。哥本哈根未来研究学院(CIFS)名誉主任约翰·彼得·帕鲁坦说过,我们的社会通常会高估新技术的可能性,同时却又低估它们的长期发展潜力。小编认为,3D打印技在未来的发展将会有无限可能,接下来我们就一起来看一下,为什么要发展增材制造?(文章分为两部分,此为下半部分)

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三、增材制造发展现状

1.技术工艺现状

自增材制造技术诞生以来,已经有十几种新工艺和新系统及设备先后面世。根据2012年1月美国材料与试验协会(ASTM)增材制造技术委员会F42颁布的标准——“增材制造技术标准用语(ASTM F2792-12)”,这种工艺被简洁地定义为:“基于3-D模型数据,通常采用与减式制造技术相反的逐层叠加的方式,结合材料来生产物品的过程”(The process of joining materials to make objects from 3-D model data, usually layer upon layer,as opposed to subtractive manufacturing technologies),见图6。 

按照其工艺特点,增材制造可分 为7大类,分别为粉末床熔合、定向能量沉积、材料喷射、粘结剂喷射、材料挤出、容器内光聚合和片层压。在此基础上,英国增材制造特别兴趣小组(AM SIG)又对7大工艺进行细化,整理出10余种分支工艺。表1总结了增材制造各工艺的整体情况,包括各工艺的基本描述、面向的市场、所采用的材料体系、包含的分支工艺和相关的代表企业及院校。

 

 

 

 

从市场的角度来说,增材制造可用于样品原型制造、模具制造、直接零部件制造、零部件维护及修理等领域。样品原型制造是增材制造最早进入的市场,被用于评估和优化模型的尺寸、结构和功能等方面设计,使产品达到最佳性能。对于模具制造来说,熔模铸造和砂型铸件已开始通过增材制造进行生产,这种技术还可以用于硅胶模具和氨酯铸件等生 产。直接零部件制造则是增材制造发展最快的一个领域,由于可以直接用于生产最终产品,该领域在增材制造应用市场中所占的比重已经上升到第1位。

增材制造还越来越多的用于零部件的维护和修理,特别是当所用零件非常昂贵的时候。这种技术可以用来修复只有小部分损坏的大部件,由于其修复所产生的残余应力很小,非常适用于对热变形高度敏感的部件。对于不同的增材制造工艺,其适用的市场也有所区别。其中,大部分工艺普遍应用于模型制造,而对于直接零部件制造、零部件维护及修理来说,需选用所对应的专用技术工艺。 

2.应用现状 

由于增材制造的一些独特优势,这项技术近年来已在航空航天、医疗、文化创意、消费电子产品、军工等众多领域实现应用。

表2根据7大技术工艺及所用材料体系,对国际上已经出现的相关应用进行了详细分析。从表中可以看出,每一种工艺都各有所长,所适用的应用领域也有所不同。在选用不同工艺时,主要的考虑因素包括工艺的生产速度、可用的材料种类、产品的尺寸限制、产品的表面光滑度和精密度、产品的力学性能、机器及材料的成本、操作的方便性和安全性 等。

比如,定向能量沉积工艺可生产高性能的金属部件,在高端工程领域的应用比较广泛。对比之下,粘结剂喷射工艺和材料挤出工艺则可以生产保真度很高的组件,主要用于样品原型制造和工艺品生产,但由于产品的机械性能较差,不适合航空航天等领域。粉末床熔合工艺的应用则最为广泛,此工艺可使用金属和高分子体系,在增材制造涉及的大部分领域进行使用。 在诸多领域中,航空航天、生物医疗和创意产业领域的增材制造技术应用发展最为快速,表3列出了部分典型应用实例。对于航空航天领域来说,增材制造由于其独特的应用优势,可满足高精度、复杂形状、小批量的生产要求,正在成为此领域中广泛使用的技术。

波音公司已经制造出大约2万多增材制造零部件,用于商业和军用飞机上面。其中,32种部件用于波音787梦想客机中。空客公司则正在进行一系列增材制造产品的检验测试,包括减重的起落架、机舱和冷却系统等。生物医疗领域则是增材制造技术应用的另一重要领域,已成功应用的产品包括颅骨植入物、髋关节置换物、牙冠、体外模型等。

预计全球使用3D打印的矫正骨骼植入物患者已经超过3万人,仅瑞典Arcam公司就制作2万多个经过FDA批准、CE认证的植入物;美国Invisalign公司则已经销售了超过200万个透明3D打印定制牙套;西门子等公司使用3D技术生产的助听器也成为了产品的主流。此外,创意产业方面的增材制造也正在快速发展。除了逐步火热起来的3D打印人像模型、装饰品、工艺品以外,增材制造技术还拓展到更多的产品创作上面。2013年巴黎时装周上推出了一款由比利时Materialise公司利用3D打印技术生产的时装,实现了复杂几何图案和独特材质的完美结合。几种增材制造产品实例如图7所示。

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图7 增材制造产品实例

四、增材制造未来发展趋势

1.增材制造未来发展对各应用领域的影响

对于不同的应用领域来说,短期内增材制造技术还不足以代替传统的制造方式。但随着打印材料价格的下降,打印尺寸和速度的提升,增材制造技术在各应用领域的渗透也将逐步加深,人们会越来越多地使用到包含3D打印的零部件产品,甚至是完全通过3D打印制造的产品。如《Wohlers Report 2013》报告展示的远景一样(图8),我们所能看到的往往只是整个冰山的一小部分,而海面下隐藏的巨大冰山才是尚待开发的领域,也是增材制造未来的潜力所 在。虽然我们还无法清晰的描述未来增材制造的全貌,但足以预期其技术发展趋势。

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海平面上方的冰川,代表了多年以来增材制造技术活跃的应用领域,如原型件和模型的制造。而处于海平面下方附近的区域则是增材制造正在发展的应用领域,包括医疗植入器械、金属航空部件的制造等。在更深的区域则是人们期望的人体器官“活体”打印和外太空3D打印。在未来,增材制造还能实现哪些不可思议的应用,我们现在还不得而知,但这些未知领域的应用将是非常令人期待。 从细分领域的预期来看,我们则可发现增材制造技术逐步渗透的方式有所区别,见图9。

就航空航天 和汽车领域来说,增材制造将从局部零件制造发展到整体打印。相比较之下,生物医疗领域则将从“非活体”打印逐步进阶到“活体”打印。对于创意行业而言,增材制造技术所带来的冲击并非制造方式的改变,而是创意设计模式的逐步改变。从更加宏观的角度来看,增材制造对于通用制造、供应链和商业的影响都可归于模式的革新,即生产模式、供应模式、商业模式的革新。这将意味着将有大量的新兴中小企业将依靠新创意蓬勃发展,他们将有能力以最小的资金投入实现生产的迅速扩大。

这些具有敏捷性和极短产品上市周期的新公司,将成为未来市场的有力竞争者。而对于大型设计和制造企业来说,增材制造技术是IT与制造业实现融合的机会。如上文所述,增材制造不仅仅是一种制造技术,更是一种数字化技术。借助互联网所形成的“信息物理系统”,它所具有的开放型和大众性,将为未来的创新搭建了广阔的舞台。正如美国航空航天局喷气推进实验室战略中提到的:“IT”的涵义从信息技术(information technology)转变为共同创新(innovate together)。 

2. 增材制造未来对全球经济的冲击 

虽然目前增材制造产业在全球所占的份额还很小,但其发展速度和潜在的增值能力是惊人的。根据麦肯锡全球研究院的研究表明,到2025年,增材制造每年对全球经济的影响将达 到2 300亿~5 500亿美元(见图10)。

其中,高附加值3D打印产品的直接消费对经济的冲击最大,规模将达到 1 000亿~3 000亿美元。对于零部件生产和模具制造两个市场来说,其经济影响将分别达到1 000亿~2 000亿美元和300亿~500亿美元。在上述2个市场,预计通过使用增材制造技术,可减少产品制造过程中原材料的浪费和预处理工序,节约生产升本40%~55%,产品的市场份额也将增加到30%~50%。 目前,全球制造业的GDP价值超过7万亿美元,涉及全球12%的劳动力(3.2亿人)。长远来看,增材制造技术的应用推广将对全球经济带深远的影响,然而其影响程度,还取决于技术的未来发展方向。诚然,增材制造的推广将使得劳动力因素在制造业中的重要性显著降低,减少生产成本和劳动力成本。

但无论其在未来 市场渗透率达到什么程度,这种技术都不是万能的,不可能适用于制造业的所有领域。英国增材制造咨询公司Econolyst在过去的7年中对230个产品和业务进行了评估,分析结果指出80%的产品由于种种原因,目前并不适合采用增材制造技术进行生产。实际上,现阶段大多数吸引眼球的增材制造创新应用都还只是演示或原型件,其成本与实用性往往被忽略。增材制造作为先进制造技术中的一部分,其未来发展还要经受技术发展和应用市场的考验。借用哥本哈根未来研究学院(CIFS)名誉主任约翰·彼得·帕鲁坦(Johan Peter Paludans)的一句话:我们的社会通常会高估新技术的可能性,同时却又低估它们的长期发展潜力。

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因此,把握增材制造发展的时代机遇,积极应对面临的挑战与困 应用规模3D打印产品直接消费 直接用于生产制造 工具及模具制造其他潜在应用(未计算规模) 总计潜在经济影响规模 1 000~3 000 1 000~2 000 300~500 2 300~5 500 2025年潜在经济影响规模 2025年远景预计4万亿美元个性化产品可能通过3D打印 制造 复杂医用植入体和模具零部件消费3000亿美元 运输工具复杂零部件消费4700亿美元 3600亿美元全球注射成型塑料磨具市场 相关产品中,3D打印产品替换率达到30%~50% 30%~50%注射成型塑料模具产品采用3D打印 对消费者来说,3D打印产品价格下降40%~55% 通过使用高级3D打印模具降低生产成本30% 假设消费者介入,5%~10%的相关产品(如玩具)可实现3D打印 每个3D打印产品60%~80%的增值 产品价格下降35%~60%个人化产品增值10% 预计2025年潜在影响 2025年潜在规模化生产能力或收益 /亿美元 难,理性评估技术和产业发展的程度,才能推动这种先进技术的快速健康发展,使其远景变为现实。

正如《经济学人》“第三次工业革命”专刊文中所述的一样,制造业革命非一日之勤,不过这次革命则已经启动良久。同其他数码科技一样,增材制造已经在成本上和生产效率上取得优势,该行业的突破将一发不可收拾。3D打印已经可以实现产品的逐个或小批量生产。未来,结合数字化制造,使各工作台生产不同的产品,便可实现大规模定制生产。到了那时,这项技术便腾飞了。在10年或20年以后,当人们游览法兰克福展览馆时,将会对展览馆前面的“锤工”雕像感到好奇。这尊21m高的雕像手持锤子,上下移动着胳膊,不停地敲打着一块金属是在干什么呢?

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