3D打印技术专题之二 | 3D打印作为工业4.0最重要的一环,究竟发展到了哪一步?

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3D打印技术专题之二 | 3D打印作为工业4.0最重要的一环,究竟发展到了哪一步?

3D打印突然大热,令我们以为它是横空出世的新技术。其实,任何新奇技术都不是一蹴而就的。3D打印从正式出现到现在较为广泛的应用,已经有将近37年的历史了。所以它被称为“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,这个世纪的市场”。


3D打印作为第四次工业革命的重要一环,在人类史上发生过三次工业革命,每次工业革命都会发生巨大的变化,科学技术比以前更加先进。不少人认为第四次工业革命是信息世界和现实世界的彻底融合,3D打印就是拉近信息世界与现实世界的制造方式,通过下图我们可以了解历次工业革命的技术系统分析。

那么3D打印发展至今,这场革命到来了么?


我们可以根据3D打印赋能逻辑来看3D打印发展到哪个阶段:

1. 3D打印赋能产品性能提升;材料赋能3D打印应用场景与发展潜力;

2. 软件赋能3D打印产业化发展;

3. 工业互联网赋能3D打印制造、商业和发展模式重塑;

4. 工业正向设计赋能3D打印发展前景。


下面的图表分为四个主要阶段,表示各领域3D打印的发展程度:

(图片来源:AMFG,3D科学谷)


早期阶段


定义:在这个阶段,早期采用者才刚刚开始研究该技术的功能。虽然有很多研发计划和试点项目,但实际的现实案例研究却很少。


3D打印建筑这一概念是在近几年问世的,世界各国的建筑设计公司都在进行自己的实践和研究,加上媒体的宣传引起了市场强大的兴趣,尽管3D打印建筑仍然停留在样板房阶段,但凭借着省人力、成本低、速度快、环保,其潜在发展前景已获得业内认可。


石油天然气称为"世界经济的引擎",而沙特阿拉伯则声称他们需要"结束对石油的依赖"。由于它们是刚需,所以人们一直在不断寻求降低成本和提高效率的方法。跨国石油与天然气公司BP将3D打印列为未来几年将显著影响能源行业的六项技术之一。3D打印在石油和天然气行业的主要优势包括提高开采设备性能,降低设备成本和交付周期,以及更灵活的供应链等。尽管有这些好处,但石油和天然气行业的3D打印技术采用仍然速度缓慢,主要是该行业最大的利益相关者的影响,他们完全依赖其供应链,倾向于依靠成熟的生产方法,3D打印等新的制造工艺融入需要克服重重障碍。


发展阶段


定义:这个阶段的技术能力正在不断发展。公司正在采用3D打印进行原型设计与应用,并且正在开展更多案例研究。


电子行业是处在一个快速发展的3D打印领域,通过利用3D打印,工程师能够在短时间内创建复杂的电路板和天线的原型。例如印刷电路板(PCB),天线,电容器和传感器。由于设计验证变得更快,从而可以进行更频繁的重新设计。推动电子3D打印的另一个因素是电子组件的不断发展和小型化,以及对高级功能的需求不断增加。对非标准,灵活的电子产品的需求呈指数增长。为了将3D打印电子产品推向主流,该技术首先需要变得更具可扩展性,以便能够达到更高的产量。材料和设计软件还需要配合上,使电子制造商能够以更高的复杂性进行3D打印从而实现更强大的功能。


消费品行业,3D打印的应用主要集中在创建用于产品设计和开发阶段的原型。虽然快速原型设计仍然是一个关键应用,但该技术的真正潜力可能在于直接制造消费产品。通过3D打印生产终端消费产品的主要好处包括经济高效的定制化和更大的设计自由度。但对于大多数消费品公司而言,将3D打印用于规模生产产品在经济上是不可行的,至少目前如此。因为3D打印的经济型目前无法与传统制造的产量相媲美。


进入主流


定义:正在上升为主流技术,这时候3D打印的应用扩展到制造与生产领域。新的应用案例正在频繁地出现。


汽车行业的主要汽车厂商积极引入3D打印技术,因为汽车零部件的开发往往需要经过长时间的研发、开模、测试等多轮环节。而3D打印首先就减少了复杂零部件开发中的开模环节,极大地降低了汽车制造成本、缩短了研发周期。即便出现错误,也能随时修改设计文件,而不必推倒重来。在2018年末,宝马公司报告说已经通过3D打印了一百万个零件,甚至还投资了3D打印公司。但其实,包括奔驰、本田、福特、大众以及中国汽车品牌吉利等众多车企都围绕3D打印展开了积极探索。


航空航天是最早采用3D打印的领域之一,这个领域第一次使用3D打印技术可以追溯到1989年。而到2018年,航空航天占据了增材制造市场的12%。业内知名公司已经将最先进的3D打印技术,特别是金属3D打印技术,应用到生产过程中,例如GE、空中客车等。航空航天领域3D打印的保守增长预测未来五年的复合年增长率将在17.5%和20.24%之间。未来关键技术突破包括是否能够实现更大尺寸的加工,对多激光束加工效率的最大化水平,对热应力的控制,毛孔的消除等等。另外值得注意的是,SAE International发布了四种不同的航空航天3D打印标准。当一个行业开始谈论标准化时,这清楚地表明该技术正在从边缘转向常规制造。


医疗行业也是最早采用3D打印技术的领域之一,该技术扩大了提供个性化护理,生产定制化医疗设备和术前模型的机会。根据市场研究公司SmarTech的报告,医疗3D打印市场目前估计为12.5亿美元。到2027年,这一数字预计将增长到60.8亿美元。SmarTech预测,到2021年,将有超过10亿个植入3D金属的植入物。这种增长的关键驱动因素之一是能够使用3D打印来创建整形外科植入物。此外,3D打印有望成为牙科模型,正畸矫正器,修复体等制造领域的占主导地位的数字化生产技术。然而,要实现3D打印在医疗领域的快速发展,一个关键因素是医疗监管机构能够跟上医疗和牙科3D打印中不断发展的可能性,并提供相对应的支持。


成熟阶段


定义:该技术已被证实,并作为行业的制造方法而建立。已经制定了关键标准,可以实现规模生产与可重复的一致质量。


3D打印产业化的机遇与挑战


3D打印提供的附加值价值创造包括改进的产品功能,更高的生产效率,定制化,更短的上市时间和按需备件。出于3D打印的赋能逻辑,航空航天、医疗、汽车和电子等行业的公司正在加速对3D打印技术的投资。


不过在3D打印技术真正得到广泛采用之前,仍有一些障碍需要克服。尤其是包括材料和工艺的标准化,如何降低生产成本以及如何实现更高质量的可重复性和可靠性。


3D打印行业利益相关者正不断解决这些挑战:一方面通过更好的控制系统增强设备的可靠性;一方面通过自动化、合作开发标准和改进流程来解决这些局限性。