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3D打印從原型設(shè)計走向批量生產(chǎn)
更新時間：2017-10-24 ｜ 瀏覽次數(shù)：1286次
摘要: 近期，21世紀(jì)經(jīng)濟報道記者從多家3D打印設(shè)備制造商處獲悉，他們在連續(xù)打印、制造鏈系統(tǒng)整合、質(zhì)量控制等領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了實際應(yīng)用，這意味著3D打印離“批量生產(chǎn)”越來越近了。
近期，21世紀(jì)經(jīng)濟報道記者從多家3D打印設(shè)備制造商處獲悉，他們在連續(xù)打印、制造鏈系統(tǒng)整合、質(zhì)量控制等領(lǐng)域已經(jīng)實現(xiàn)了實際應(yīng)用，這意味著3D打印離“批量生產(chǎn)”越來越近了。
3D打印又稱“增材制造”，曾經(jīng)被視為下一場工業(yè)革命的“引領(lǐng)者”，被寄予厚望。在2015年5月公布的《中國制造2025》國家戰(zhàn)略規(guī)劃中，指定的重點發(fā)展領(lǐng)域之一就是“增材制造”。
雖然3D打印技術(shù)已有30年歷史，但應(yīng)用時間并不長，市場規(guī)模也不大。市場研究機構(gòu)IDC2017年初發(fā)布的報告指出，2016年，全球在3D打印機上的支出以及相關(guān)軟件、材料和服務(wù)為132億美元，而3D打印行業(yè)權(quán)威研究機構(gòu)Wohlers統(tǒng)計出的市場規(guī)模則為60.63億美元。無論統(tǒng)計口徑如何，3D打印在龐大的制造業(yè)領(lǐng)域仍是個“小行業(yè)”。
3D打印最開始應(yīng)用在原型設(shè)計領(lǐng)域，即簡化傳統(tǒng)工藝的“設(shè)計-模具-生產(chǎn)”流程，直接從設(shè)計到生產(chǎn)，能夠快速呈現(xiàn)設(shè)計構(gòu)思，并及時反饋結(jié)果，大大縮短研發(fā)周期。
隨著技術(shù)發(fā)展，3D打印開始制造最終部件或產(chǎn)品，應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域。從產(chǎn)品種類來看，可大致分為兩類，一類是最終產(chǎn)品的零部件，另一類是生產(chǎn)領(lǐng)域的輔助性工具。
吳承軒認(rèn)為，生產(chǎn)階段才是3D打印的最大市場所在。他總結(jié)道，相對于傳統(tǒng)制造方式，3D打印能突破傳統(tǒng)制造方式的技術(shù)限制，生產(chǎn)幾何形狀高度復(fù)雜、重量超輕且性能穩(wěn)定的零件。
據(jù)了解，負(fù)責(zé)開發(fā)與生產(chǎn)歐洲運載火箭 Ariane 6的Ariane Group就在火箭中使用了3D打印技術(shù)，將原本由248個單獨零部件組成的產(chǎn)品功能集成化為僅一個組件，實現(xiàn)成本降低50%并大幅縮短了生產(chǎn)時間。
在近期舉行的“第二屆SAMA國際論壇暨2017世界3D打印年會”上，美國通用電氣（GE）中央研究院制造技術(shù)全球技術(shù)總監(jiān)魏斌介紹，GE應(yīng)用3D打印技術(shù)制造的發(fā)動機燃油噴嘴，將原來的20個零部件簡化為1個，燃油噴嘴減重25%。
另一個更接地氣的例子是東方航空（600115.SH）的3D打印飛機零部件產(chǎn)品。據(jù)報道，東航曾在接收首批波音777-300ER型客機時發(fā)現(xiàn)，客艙的部分指示牌標(biāo)識發(fā)生錯誤，于是成立了專門的項目組“打印”了新的指示牌。傳統(tǒng)的訂貨周期長達(dá)180天，而3D打印僅需一晚就能拿到成品，“采購成本也從1000美元降至30元人民幣?！?/span>
在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，3D打印也在智能工廠中“錦上添花”。據(jù)美國3D打印公司Stratasys大中華區(qū)總經(jīng)理翟蓮子介紹，事實上3D打印在生產(chǎn)的組裝、檢查、包裝等各個環(huán)節(jié)早有應(yīng)用落地，尤其是一些行業(yè)領(lǐng)先的企業(yè)。
以寶馬為例，其在制造過程中嘗試了利用3D打印來制作手持組裝工具，主要是超過400個的夾具和治具。據(jù)悉，3D打印完成的稀疏填充削減了72%的重量，并將交付時間和成本分別節(jié)約了92%、58%。
模具則是相對較大的一塊市場。吳承軒此前在接受21世紀(jì)經(jīng)濟報道記者專訪時表示，模具分很多類型和成型工藝，一般的注塑模具屬于傳統(tǒng)行業(yè)，對成本非常敏感，3D打印有望在這一行業(yè)中發(fā)揮特點，為生產(chǎn)注塑模具創(chuàng)造價值。
他舉了一個例子，模具內(nèi)部一般會有冷卻的水路，如果需要制造的產(chǎn)品外形比較復(fù)雜，或者是曲面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)模具的水路無法完整均勻分布，冷卻時間便會增加；運用3D打印技術(shù)則可以制作復(fù)雜的水路，縮短冷卻時間，并提升對模具溫度的控制，所以在相同的單位時間中可以生產(chǎn)更多的注塑件，并提升注塑產(chǎn)品的質(zhì)量。
模具領(lǐng)域也已經(jīng)有所應(yīng)用。據(jù)悉，GF集團旗下的GF加工方案通過與EOS合作，已將這一技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)集成到模具制造過程中，可以加工前所未有的設(shè)計鑲件。
探索量產(chǎn)化
盡管3D打印已經(jīng)在部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)和產(chǎn)品上得以應(yīng)用，但在從業(yè)者眼中，這顯然只是個開始。各大3D打印制造商們都在積極推進該技術(shù)進入量產(chǎn)領(lǐng)域。
事實上，量產(chǎn)已經(jīng)有了很好的先例，就是前述的GE發(fā)動機燃油噴嘴。據(jù)悉，這樣的噴嘴，GE每年要生產(chǎn)3.5萬-4萬個。
與傳統(tǒng)制造相比，3D打印產(chǎn)品難以量產(chǎn)主要有成本、效率和質(zhì)量三個方面。目前階段而言，成本的大幅下降并不現(xiàn)實。
3D打印的成本主要有三塊：設(shè)備、材料和人力。其中，高端設(shè)備和原材料的價格都相對穩(wěn)定，都暫未出現(xiàn)折價跡象，而在人力成本節(jié)省方面部分公司開始有一些自動化探索，但總體而言影響不大。
為了提高打印效率，Stratasys開發(fā)出了一套連續(xù)打印系統(tǒng)，可以基于云平臺控制實現(xiàn)小批量打印，在不同時間地點，既可以打印一種零件，也可以打印多種零件。
此外，Stratasys目前還與部分合作伙伴共同開發(fā)了一種“無限打印”的概念型產(chǎn)品："3D Demonstrator"，目前還未投入市場，僅在波音公司等合作伙伴內(nèi)部使用，用于制作較大尺寸的工具和零件。
“傳統(tǒng)3D打印是z軸打印，即從下往上一層一層增加，這款產(chǎn)品是在x軸打印，即橫向打印，像傳輸機一樣，可以一邊打印一邊輸出，如此一來，尺寸的局限能夠被克服?！钡陨徸咏榻B。
不僅如此，這款設(shè)備還采取了精準(zhǔn)的CNC運動控制，且打印系統(tǒng)速度提升了9倍，而材料方面也能實現(xiàn)高度的復(fù)合性。此外，它還克服了傳統(tǒng)3D的“各向異性”特征，與傳統(tǒng)的鑄造材料一樣，是各向同性，即在各個方向都有相同的性能，因此有望被用于工廠生產(chǎn)。
不過，這款機器和其他的工業(yè)級產(chǎn)品一樣，成本很高，并非具備短期內(nèi)大幅推向市場的條件。
而在目前相當(dāng)有限產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，材料及產(chǎn)品的檢驗標(biāo)準(zhǔn)往往是落后一步的。以前述東航研發(fā)的3D打印指示牌為例，雖然一個晚上便能拿到成品，但是整個過程周期也不短：僅參照民航局要求找到適合3D打印的材料就花了一個月左右的時間。
Stratasys對此的應(yīng)對是，在他們的航空內(nèi)飾解決方案中，提前向FAA（美國聯(lián)邦航空管理局）和EASA（歐洲航空安全局）申請了認(rèn)證，此后，材料和打印流程便可以直接應(yīng)用在產(chǎn)品中了。
盡管這種模式無疑會對制造商們帶來更大的工作量，但這卻是3D打印量產(chǎn)化推廣中不得不做的一件事。而更大的挑戰(zhàn)在于，很多行業(yè)沒有專門的機構(gòu)做這樣的認(rèn)證，如何取得制造廠商的信任便成為一個問題。
“我個人覺得，早期只可能會在一些不太關(guān)鍵的零部件上使用3D打印，相對來說它們還是比較脆的，不敢讓它們受力?！?2017世界3D打印年會現(xiàn)場一位知名制造商的研發(fā)人員對記者表示。
盡管市場方向并不十分明朗，但在批量生產(chǎn)領(lǐng)域布局的，不止Stratasys一家。
EOS方面告訴記者，他們已經(jīng)與Siemens PLM Software、SAP合作，將3D打印軟件和產(chǎn)品生命周期管理軟件（PLM）進行無縫集成，并提升了在制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)中的整合，用戶不僅可以在單一軟件環(huán)境中高效地完成模型設(shè)計到3D打印流程的工作，還可以及時反饋部件的完成情況。
此外，他們還改進了監(jiān)測系列解決方案，能夠為提供金屬3D打印的質(zhì)量實時監(jiān)測?！按蛴∵^程可視化之后，在制造階段就對產(chǎn)品進行嚴(yán)格的監(jiān)控，能大幅降低質(zhì)控成本?！眳浅熊幈硎?。
3D打印又稱“增材制造”，曾經(jīng)被視為下一場工業(yè)革命的“引領(lǐng)者”，被寄予厚望。在2015年5月公布的《中國制造2025》國家戰(zhàn)略規(guī)劃中，指定的重點發(fā)展領(lǐng)域之一就是“增材制造”。
雖然3D打印技術(shù)已有30年歷史，但應(yīng)用時間并不長，市場規(guī)模也不大。市場研究機構(gòu)IDC2017年初發(fā)布的報告指出，2016年，全球在3D打印機上的支出以及相關(guān)軟件、材料和服務(wù)為132億美元，而3D打印行業(yè)權(quán)威研究機構(gòu)Wohlers統(tǒng)計出的市場規(guī)模則為60.63億美元。無論統(tǒng)計口徑如何，3D打印在龐大的制造業(yè)領(lǐng)域仍是個“小行業(yè)”。
“3D打印是一種新興的制造工藝，而現(xiàn)在所有的制造產(chǎn)業(yè)都已經(jīng)有一套很成熟的流程或系統(tǒng)。作為一項新技術(shù)，從現(xiàn)狀來講它并不是100%必要的?！钡聡?D打印公司EOS大中華區(qū)總經(jīng)理吳承軒對記者表示，對3D打印行業(yè)而言，當(dāng)前的重點是如何讓客戶從非必要的技術(shù)中“發(fā)現(xiàn)必要性”。
3D打印最開始應(yīng)用在原型設(shè)計領(lǐng)域，即簡化傳統(tǒng)工藝的“設(shè)計-模具-生產(chǎn)”流程，直接從設(shè)計到生產(chǎn)，能夠快速呈現(xiàn)設(shè)計構(gòu)思，并及時反饋結(jié)果，大大縮短研發(fā)周期。
隨著技術(shù)發(fā)展，3D打印開始制造最終部件或產(chǎn)品，應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域。從產(chǎn)品種類來看，可大致分為兩類，一類是最終產(chǎn)品的零部件，另一類是生產(chǎn)領(lǐng)域的輔助性工具。
吳承軒認(rèn)為，生產(chǎn)階段才是3D打印的最大市場所在。他總結(jié)道，相對于傳統(tǒng)制造方式，3D打印能突破傳統(tǒng)制造方式的技術(shù)限制，生產(chǎn)幾何形狀高度復(fù)雜、重量超輕且性能穩(wěn)定的零件。
據(jù)了解，負(fù)責(zé)開發(fā)與生產(chǎn)歐洲運載火箭 Ariane 6的Ariane Group就在火箭中使用了3D打印技術(shù)，將原本由248個單獨零部件組成的產(chǎn)品功能集成化為僅一個組件，實現(xiàn)成本降低50%并大幅縮短了生產(chǎn)時間。
在近期舉行的“第二屆SAMA國際論壇暨2017世界3D打印年會”上，美國通用電氣（GE）中央研究院制造技術(shù)全球技術(shù)總監(jiān)魏斌介紹，GE應(yīng)用3D打印技術(shù)制造的發(fā)動機燃油噴嘴，將原來的20個零部件簡化為1個，燃油噴嘴減重25%。
另一個更接地氣的例子是東方航空（600115.SH）的3D打印飛機零部件產(chǎn)品。據(jù)報道，東航曾在接收首批波音777-300ER型客機時發(fā)現(xiàn)，客艙的部分指示牌標(biāo)識發(fā)生錯誤，于是成立了專門的項目組“打印”了新的指示牌。傳統(tǒng)的訂貨周期長達(dá)180天，而3D打印僅需一晚就能拿到成品，“采購成本也從1000美元降至30元人民幣?！?/span>
在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，3D打印也在智能工廠中“錦上添花”。據(jù)美國3D打印公司Stratasys大中華區(qū)總經(jīng)理翟蓮子介紹，事實上3D打印在生產(chǎn)的組裝、檢查、包裝等各個環(huán)節(jié)早有應(yīng)用落地，尤其是一些行業(yè)領(lǐng)先的企業(yè)。
以寶馬為例，其在制造過程中嘗試了利用3D打印來制作手持組裝工具，主要是超過400個的夾具和治具。據(jù)悉，3D打印完成的稀疏填充削減了72%的重量，并將交付時間和成本分別節(jié)約了92%、58%。
模具則是相對較大的一塊市場。吳承軒此前在接受21世紀(jì)經(jīng)濟報道記者專訪時表示，模具分很多類型和成型工藝，一般的注塑模具屬于傳統(tǒng)行業(yè)，對成本非常敏感，3D打印有望在這一行業(yè)中發(fā)揮特點，為生產(chǎn)注塑模具創(chuàng)造價值。
他舉了一個例子，模具內(nèi)部一般會有冷卻的水路，如果需要制造的產(chǎn)品外形比較復(fù)雜，或者是曲面結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)模具的水路無法完整均勻分布，冷卻時間便會增加；運用3D打印技術(shù)則可以制作復(fù)雜的水路，縮短冷卻時間，并提升對模具溫度的控制，所以在相同的單位時間中可以生產(chǎn)更多的注塑件，并提升注塑產(chǎn)品的質(zhì)量。
模具領(lǐng)域也已經(jīng)有所應(yīng)用。據(jù)悉，GF集團旗下的GF加工方案通過與EOS合作，已將這一技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)集成到模具制造過程中，可以加工前所未有的設(shè)計鑲件。
探索量產(chǎn)化
盡管3D打印已經(jīng)在部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)和產(chǎn)品上得以應(yīng)用，但在從業(yè)者眼中，這顯然只是個開始。各大3D打印制造商們都在積極推進該技術(shù)進入量產(chǎn)領(lǐng)域。
事實上，量產(chǎn)已經(jīng)有了很好的先例，就是前述的GE發(fā)動機燃油噴嘴。據(jù)悉，這樣的噴嘴，GE每年要生產(chǎn)3.5萬-4萬個。
與傳統(tǒng)制造相比，3D打印產(chǎn)品難以量產(chǎn)主要有成本、效率和質(zhì)量三個方面。目前階段而言，成本的大幅下降并不現(xiàn)實。
3D打印的成本主要有三塊：設(shè)備、材料和人力。其中，高端設(shè)備和原材料的價格都相對穩(wěn)定，都暫未出現(xiàn)折價跡象，而在人力成本節(jié)省方面部分公司開始有一些自動化探索，但總體而言影響不大。
為了提高打印效率，Stratasys開發(fā)出了一套連續(xù)打印系統(tǒng)，可以基于云平臺控制實現(xiàn)小批量打印，在不同時間地點，既可以打印一種零件，也可以打印多種零件。
此外，Stratasys目前還與部分合作伙伴共同開發(fā)了一種“無限打印”的概念型產(chǎn)品："3D Demonstrator"，目前還未投入市場，僅在波音公司等合作伙伴內(nèi)部使用，用于制作較大尺寸的工具和零件。
“傳統(tǒng)3D打印是z軸打印，即從下往上一層一層增加，這款產(chǎn)品是在x軸打印，即橫向打印，像傳輸機一樣，可以一邊打印一邊輸出，如此一來，尺寸的局限能夠被克服?！钡陨徸咏榻B。
不僅如此，這款設(shè)備還采取了精準(zhǔn)的CNC運動控制，且打印系統(tǒng)速度提升了9倍，而材料方面也能實現(xiàn)高度的復(fù)合性。此外，它還克服了傳統(tǒng)3D的“各向異性”特征，與傳統(tǒng)的鑄造材料一樣，是各向同性，即在各個方向都有相同的性能，因此有望被用于工廠生產(chǎn)。
不過，這款機器和其他的工業(yè)級產(chǎn)品一樣，成本很高，并非具備短期內(nèi)大幅推向市場的條件。
而在目前相當(dāng)有限產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，材料及產(chǎn)品的檢驗標(biāo)準(zhǔn)往往是落后一步的。以前述東航研發(fā)的3D打印指示牌為例，雖然一個晚上便能拿到成品，但是整個過程周期也不短：僅參照民航局要求找到適合3D打印的材料就花了一個月左右的時間。
Stratasys對此的應(yīng)對是，在他們的航空內(nèi)飾解決方案中，提前向FAA（美國聯(lián)邦航空管理局）和EASA（歐洲航空安全局）申請了認(rèn)證，此后，材料和打印流程便可以直接應(yīng)用在產(chǎn)品中了。
盡管這種模式無疑會對制造商們帶來更大的工作量，但這卻是3D打印量產(chǎn)化推廣中不得不做的一件事。而更大的挑戰(zhàn)在于，很多行業(yè)沒有專門的機構(gòu)做這樣的認(rèn)證，如何取得制造廠商的信任便成為一個問題。
“我個人覺得，早期只可能會在一些不太關(guān)鍵的零部件上使用3D打印，相對來說它們還是比較脆的，不敢讓它們受力?！?2017世界3D打印年會現(xiàn)場一位知名制造商的研發(fā)人員對記者表示。
盡管市場方向并不十分明朗，但在批量生產(chǎn)領(lǐng)域布局的，不止Stratasys一家。
EOS方面告訴記者，他們已經(jīng)與Siemens PLM Software、SAP合作，將3D打印軟件和產(chǎn)品生命周期管理軟件（PLM）進行無縫集成，并提升了在制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）和企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)中的整合，用戶不僅可以在單一軟件環(huán)境中高效地完成模型設(shè)計到3D打印流程的工作，還可以及時反饋部件的完成情況。
此外，他們還改進了監(jiān)測系列解決方案，能夠為提供金屬3D打印的質(zhì)量實時監(jiān)測?！按蛴∵^程可視化之后，在制造階段就對產(chǎn)品進行嚴(yán)格的監(jiān)控，能大幅降低質(zhì)控成本?！眳浅熊幈硎?。
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