数字化增材制造技术的中国发展机遇分析
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  3D打印是一种通过材料逐层添加制造三维物体的变革性、数字化增材制造技术。这种技术被认为这将是美国重塑制造业、逆转中国制造压倒性优势的最后机会。而在中国,3D打印也成为继云计算之后,又一个在产业界、投资界和政府科技部门走俏的新潮概念。

  3D打印技术最有可能在短期内以最少争议获得的较普遍应用,很可能是教育领域。借助3D打印技术,边做边学、触觉教学、培养学生动手能力将不再成为一句空话。更重要的是,课堂将能够更逼真的模拟工厂等生产、实践环境,帮助学生更早、更安全地失败。打比方说,未来的医学生将不必遭遇如今的尴尬(非得在毕业实习时才到医院门诊、住院部接触真实的治疗),而可以通过3D打印提供的原型化工具,开展解剖等多方面操作训练。同样,建筑专业学生将得益于更早、更充分的实操训练,通过更早、更安全地失败,提高建筑设计质量。

3D打印

  最让人期待的3D打印技术应用,是生物打印。这项新技术已经可以为人们带来打印的义齿,在可预期的未来,也将涌现出打印的骨头关节、心脏瓣膜;但究竟什么时候能出现3D打印出的整段性的骨骼、皮肤、肌肉组织、内脏器官、大脑,尚未可知。如果上述一系列的目标都得以实现,人们可以在理论上按需替换衰竭、病变、受到严重创伤的器官,从而获得所谓的永生,甚至随意打印出多个自己,必然带来极大的伦理挑战。

  3D打印技术的应用,对现有的经济、社会秩序乃至法律制度形成了挑战,并将随着技术进一步细化创新,发挥出越来越大的破坏力。在美国,借助3D打印绕开枪支管制法规,自行造枪已有个例。打印药物的技术难度也很低,极可能加剧如今已经很严重的药物滥用问题。知识产权和专利保护体系岌岌可危。3D打印众包制造模式生产出来的产品,一旦出现质量问题,受害者将无从通过现有的法律制度维权。政府部门应当对这些渐趋明朗的问题保持高度关注,密切追踪技术进步及其引发的多方面问题的变化,而不是把注意力都放在打造3D打印产业之上。

  3D打印技术有哪些分类?

  3D打印技术实际上是一系列快速原型成型技术的统称,其基本原理都是叠层制造,由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状,而在Z坐标间断地作层面厚度的位移,最终形成三维制件。目前市场上的快速成型技术分为3DP技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术等。

  3DP技术:采用3DP技术的3D打印机使用标准喷墨打印技术,通过将液态连结体铺放在粉末薄层上,以打印横截面数据的方式逐层创建各部件,创建三维实体模型,采用这种技术打印成型的样品模型与实际产品具有同样的色彩,还可以将彩色分析结果直接描绘在模型上,模型样品所传递的信息较大。

  FDM熔融层积成型技术:FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化,同时三维喷头在计算机的控制下,根据截面轮廓信息,将材料选择性地涂敷在工作台上,快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后,机器工作台下降一个高度(即分层厚度)再成型下一层,直至形成整个实体造型。其成型材料种类多,成型件强度高、精度较高,主要适用于成型小塑料件。

3D打印

  SLA立体平版印刷技术:SLA立体平版印刷技术以光敏树脂为原料,通过计算机控制激光按零件的各分层截面信息在液态的光敏树脂表面进行逐点扫描,被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化,形成零件的一个薄层。一层固化完成后,工作台下移一个层厚的距离,然后在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂,直至得到三维实体模型。该方法成型速度快,自动化程度高,可成形任意复杂形状,尺寸精度高,主要应用于复杂、高精度的精细工件快速成型。

  SLS选区激光烧结技术:SLS选区激光烧结技术是通过预先在工作台上铺一层粉末材料(金属粉末或非金属粉末),然后让激光在计算机控制下按照界面轮廓信息对实心部分粉末进行烧结,然后不断循环,层层堆积成型。该方法制造工艺简单,材料选择范围广,成本较低,成型速度快,主要应用于铸造业直接制作快速模具。

  DLP激光成型技术:DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似,不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物,逐层的进行光固化,由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化,因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高,在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。

  UV紫外线成型技术:UV紫外线成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似类似,不同的是它利用UV紫外线照射液态光敏树脂,一层一层由下而上堆栈成型,成型的过程中没有噪音产生,在同类技术中成型的精度最高,通常应用于精度要求高的珠宝和手机外壳等行业。

  3D打印给制造业带来的改变

  3D打印机的应用对象可以是任何行业,只要这些行业需要模型和原型。以色列的Objet公司认为,3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。当前,3D打印技术以其低成本、高效率等显著特点已经满足了众多行业的发展需求,预计在2013年将有望成为全球行业发展的主流技术。

3D打印

  你或许会乘坐上由3D打印机生产的零件组装的飞机去旅行,事实上,目前已经有正常运行的飞机配置有3D打印零件。同样,这项技术已经开始被应用于诸如国防和汽车等行业,直接进行批量生产。总体来讲,用于飞机、汽车、零配件等制造业的3D打印机数量已经超越了你的预期。

  3D打印已经应用到更高质量钛骨骼器官、假肢和牙齿领域。目前这项技术正在尝试在一些软组织器官进行实际应用,未来或许会应用到人体静脉和动脉里面。3D打印技术在当前医疗行业研究主要方向为纳米治疗、药品和人体器官领域。可以假想,当人体器官捐献者数量减少时,3D打印技术将会成为人类生命的救星。

  从工业上制作汽车模型到家庭使用的环节将变得更加短暂,而且应用到里面的创新转变速度则会更快。因为通过3D打印技术制造模型可以大大节省由概念转为雏形的时间,可帮助设计者更加注重产品的功能建设。尽管3D打印技术在雏形制作方面应用较少,但低成本、高效率使得设计者们可以更好快速的实现他们的设计理念,从而再进行更改,使得整个设计环节更加高效。

  随着3D打印技术的不断发展,3D打印店也将开始出现,以高质量的印刷服务于当地市场。从设计打印产品雏形、盒子等开始,这些店铺将会遍布各大销售领域市场。零售商们只需展示设计理念,而不是最终的客观产品。终有一天这种3D打印店将会和当前商场附近的照片打印店一样繁忙。

3D打印

  随着3D打印技术的不断发展成熟,生产商们已经在3D打印技术与其产品线结合方面积累很丰富的实践经验,混合加工生产零配件。伴随着客户需求的变化,生产商对3D打印机需求也将越来越多。

  3D打印中国的发展机遇和趋势

  当前,中国正处于从中国制造向中国创造迈进的重要时期,同传统制造技术相比,增材制造技术能够让设计师在很大程度上从制造工艺及装备的约束中解放出来,更多关注产品的创意创新、功能性能。

  增材制造技术还通过简化或省略传统制造中的工艺准备、试验等环节,使得产品设计、制造、检测高度一体化,能够显著缩短新产品研发周期和研发成本。因此,增材制造技术对于增强我国制造业自主创新能力具有重要意义。

  作为一项新兴技术,增材制造技术的发展能够催生和培育增材制造设备与相关服务新产业,包括零部件委托加工、专业设计分析、软件开发等业务。发展增材制造技术有助于带动金属和功能材料制备、设计/控制软件开发、激光器/喷嘴等核心元部件研发,打破国外垄断。发展增材制造技术能够进一步推进网络化协同制造、定制化制造、专业化制造和绿色制造,促进高端装备制造、生物制造等产业发展。因此,发展增材制造是培育新兴产业、优化产业结构、促进产业升级的重要途径。

  目前,我国增材制造技术还处于产业化初期阶段,发展仍面临诸多挑战,主要表现在:一是产业规模化程度不高。增材制造技术大多还停留在高校及科研机构的实验室内,企业规模普遍较小,研发投入相对较低;二是技术创新体系不健全。创新资源相对分割,标准、试验检测、研发等公共服务平台缺乏,新产品推广应用难,尚未建立起产学研用相结合的技术创新体系;三是产业政策体系尚未完善。为促进增材制造产业发展,应制定前瞻性、一致性、系统性的政策体系,尤其当前正处于产业发展初期,制定实施面向产业化的一系列发展规划和财税政策尤为关键;四是行业管理亟待加强。目前我国增材制造产业处于起步阶段,行业规划、政策、标准对引导行业发展起到非常关键的作用;五是教育和培训制度急需加强。在工程学科的教学缺乏增材制造相关必修环节,职业培训体系缺乏增材制造设备的实训项目,产业部门缺乏创新型人才和熟练技工。

  从现阶段,3D打印制造的成本构成来看,设备和材料占据主体部分。但二者在随着技术的发展和市场规模的扩大,都存在较大的下降空间;有望在未来带动直接制造成本的下降。

  设备折旧生产的单位产品的制造成本主要取决于两个方面:1)设备本身的购置成本;2)设备的制造速度。从历史数据来看,商用3D打印设备的销售价格呈现不断下降的趋势。同时,主要的3D打印设备供应商,打印机的销售毛利率仍然保持稳定。我们判断,这是由于技术进步导致制造成本下降,从而引发价格下降。具有较强的稳定性和持续性。

  就制造速度而言,以激光烧结为例,最初的加工速度大致是6ccm/h,现阶段平均制造速度在11-12ccm/h。而基于超声波焊接(UAM)工艺的3D打印速度可以达到492ccm/h,制造速度的提高带来单位部件制造成本的降低。

  此外,另一个直接制造成本的重要组成部分来源于打印材料。现阶段,3D打印材料的主要类型是塑料,液态树脂和金属粉末。3Dsystems和Stratasys公司主要供应的前两种材料。从公司材料的销售毛利率来看,近些年,来基本保持在50%以上,就利润空间而言,还有较大的下降空间。

  就金属材料而言,以3D打印领域使用最为广泛的钛、铝和不锈钢为例。如图5所示,普通金属材料与用于3D打印的金属材料相比存在着巨大的价格差距。而这类3D打印材料的制造成本构成中,比例最大的部分还是普通的基础材料。因此,利润空间巨大。长期来看,价格也存在较大的下降空间。

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