3D打印帶來的製造業變革

3D打印（yìn），如其名曰“打印出3D的物品”，是（shì）一種快速成型技術。與普通打印機工作原理基本相同（tóng），打印機（jī）內裝（zhuāng）有（yǒu）液體或粉末等“打印材料”，與電腦連（lián）接後，通（tōng）過電腦控製把“打印材料”層層疊加，最終把計算機上的（de）藍圖變成實物。早期常用於模具製（zhì）造、工業設計等領域，現主要用於一些產品的直（zhí）接製（zhì）造，比如人（rén）體關節或（huò）飛機部件等。

 

作為智能製造的（de）急先鋒（fēng），3D打印利用其打印精度高、速度（dù）快、消耗材料少、加工地點靈活等優勢，從兩個方麵深（shēn）刻（kè）改變了傳統製造業（yè）的形態：一是使製造工藝發生深刻（kè）變革，二是使生（shēng）產模式發生（shēng）革命性變化。一方麵，在製造工（gōng）藝上，首先，對於具有（yǒu）精確內部凹陷或互鎖部分的形狀設計，3D打印是首選加工設備；其次，3D打印（yìn）零時間交付，及時減少了企業實物庫存；3D打印還能夠使用與傳統製造相比更少的材料，而傳統的金屬製造中，90%的金屬原材料常被丟（diū）棄浪費； 另外，3D打印設（shè）備能夠自由移動，實（shí）現便攜製造。另一方麵，3D打印給生產模式（shì）也帶來了巨大變更。隨著信息化發展，人們逐漸追求（qiú）個性化的消費，傳統大批量（liàng）、標準化生（shēng）產的模式已難以滿足（zú）這種需求，而3D打印的特點恰好順應並推動了產品向個（gè）性化、定製化和分散化的（de）轉變。

 

隨（suí）著（zhe）大量3D打印機湧入市場，影響力（lì）是不容分辯的。比如，通用電氣將3D打（dǎ）印應（yīng）用於製造（zào）他們的高級（jí）LEAP噴氣式飛機引擎部件裏的燃料噴嘴，傳統的噴嘴需要來自不同供應商的20多個（gè）不同的配（pèi）件組合（hé），而新的3D打印噴嘴（zuǐ）僅（jǐn）需要一步完成，不僅生產周期短，還（hái）比傳統的噴嘴重量輕25%，耐受度提高了5倍。再比如，美國海軍2014年開始將3D打印機（jī）安裝在艾塞克斯號航空母艦上，方便在偏遠環境下迅速的製造關（guān）鍵武器部（bù）件，這種加工地點的自由度，傳統製造業是做不到的。

 

3D打印發展曆史

 

下圖（tú）展示了3D打印從誕（dàn）生到現在的重大曆（lì）史事件：

 

圖1 3D打印發展曆史

 

 

3D打印現狀

 

3D打印技術支撐

 

簡單來說（shuō），經典3D打印機的功能與傳統噴墨（mò）打印機的功能非常相似。兩者都從數字文件獲得打印信息，但是噴墨打印機將墨水應用於紙張，而3D打印機以連續的圖案注入材料來構建三維固體物體。3D打印的具體步（bù）驟分為三步：首先，進行數字模型的創（chuàng）建，使用CAD等設（shè）計程序或（huò）掃描儀進行打（dǎ）印對象3D虛擬影（yǐng）像的信息獲取，並進行模型“切片”的創建。其次，材料的添加，這是用來製造最終物體的材料，比如金屬、聚合物（wù）、陶瓷等。最後，利用3D打印（yìn）機進行物件的創建工作（zuò）。

 

 

圖2 3D打印流程（來源DHL, flaticon.com）

 

在3D打（dǎ）印的背後（hòu）必然離不開成熟的技術支撐。圖3展示（shì）了人們對於不同的技術的期（qī）待值隨著該技術成熟度的（de）變化趨勢，以及技術距離走入主流市場的時間。可以看到，目前（qián）已經有多種技術逐漸成熟並（bìng）廣為使用，比如：

 

 

圖3 3D打印技術的成熟度、期望和主流適用能力（來源：Gardner）

 

材料擠出（MaterialExtrusion）：最簡單的3D打印技術，讓材料選（xuǎn）擇性分配的從噴嘴中擠出，通常隻（zhī）有一種材料。

 

材料噴射（MaterialJetting）：是一種讓材料（例如光聚合物或蠟）一層一（yī）層疊加的增材製（zhì）造技術，與（yǔ）傳統2D打印原理（lǐ）類似，隻是將液體的墨水變成了固體的材料。

 

粘合劑噴射（BinderJetting）：打印過程中在粉末層之上加入粘合劑層（céng）的（de）技術，使各（gè）層之間相互（hù）連續。

 

槽光固化（Stereolithography）：第一（yī）種商用的3D打印技術，將光聚合物放置在槽中（zhōng），利用激光選擇性的照射，使其每一層固化為特定的形狀。

 

直接能量沉積（DirectedEnergy Deposition）：用（yòng）熱能量將（jiāng）一層一層疊放（fàng）的材料熔（róng）融，形（xíng）成想要的形狀。

 

粉末床熔（róng）融（PowderBed Fusion）：利用（yòng）熱（rè）能量，有選擇的熔融（róng）粉末（mò）床的部分區域，形成想要的形狀。

 

每項技（jì）術在不同的應用中（zhōng）有不同的效果，下表展現了幾項主要的3D技術及其在不（bú）同製造過程中的（de）效果：

 

表（biǎo）1 幾種3D打印技術在不同製造過程中的表（biǎo）現

 

可以看出（chū），傳統而簡單的3D打（dǎ）印技術材料擠出（Material Extrusion）和（hé）槽光固化 （Stereolithography）在生產概念模型時具有較好的效果（guǒ）。而在原型製作中，這（zhè）幾（jǐ）種（zhǒng）技術都有較不（bú）錯的效果。遞進到強化生產的階段，直接能量沉積（Directed EnergyDeposition）和材料噴射（shè）（Material Jetting）展現出優勢（shì）。在後兩項製造領域和可替代的（de）製造領域，可以看到幾種技術表現都（dōu）差強人意，但值得注意的是，粉末床熔融（Powder Bed Fusion）技術在可替代的製造（zào）領域（yù）比其它技術（shù）表現出了更多的（de）優勢。

 

市場規模

 

3D打印作為一項前沿性的先（xiān）進製造技術，已經受到世界各國的高度關注，其市場規模呈幾（jǐ）何級增長態勢。在2016年全球3D打印市場規模已經達到了60.63億美元，同比增長34.62%，預計2020年將突破（pò）200億美元。與此同（tóng）時，國（guó）內的3D市場規模也在逐漸擴大，截止到2015年，市場已經達到7.78億美元，複（fù）合增長率為（wéi）69%。

 

圖4  3D打印市場市場規模

 

產業鏈

 

3D打印的產業鏈如下圖（tú）：

 

圖5 3D打印產業（yè）鏈

 

一些知名3D打印公司有：

 

3Dsystems（美國）：1986年創立，是（shì）世界上第一家3D打印公（gōng）司（sī），主營設（shè）備（bèi）製造、耗材開發、服務（wù）提（tí）供。就設備製造來說（shuō），兼及桌級和業級設（shè）備。就打（dǎ）印技術來說，主要使用SLA(光固（gù）化，光敏樹（shù）脂材料)、SLS(選擇性激光（guāng）燒結，工程塑料)。應（yīng）用領域非常廣泛，有航空航天、醫療、汽車這些工業級別的（de），也有建築、藝（yì）術等設計行業（yè）的，另外還兼顧消費品（pǐn）、珠寶首飾領域（yù）。

 

Stratasys（美國）：1989年（nián）成立，主營設備製造、耗材開發、服務（wù）提（tí）供。就設備製造來說，兼及桌級和業級設備。就打印技術來說（shuō），主要指向FDM(熔融沉積、工程程塑)和Polyjet(噴墨技術、光敏樹（shù）脂材)。應用領域與3Dsystems一樣非（fēi）常廣（guǎng）泛。

 

EOS（德國）：1989年成（chéng）立，專注於工業級設備研發20年的嚴肅3d設備製造商，技術（shù）隻聚焦在高端的SLS技術，並且隻針對金屬材料。早年就開始為奔馳、寶馬這些公司提供打（dǎ）印設備。

 

應用領域

 

當前，全球製造業格局正在發生深刻變化，新一代信息技術（shù）和工業融合發展呈現新趨勢（shì）——智能製（zhì）造。在互聯網時代下，智能製造引領的製造業轉型（xíng）已勢在必行，預計到2018年全球（qiú）智（zhì）能製造（zào）及智能工廠相關（guān）市場（chǎng）規模將達到2500億（yì）美元。作為智能製造領域的急先鋒，3D打印也已被應用於諸多領（lǐng）域。以我國為例，排名前三的是汽車、消費產品和商用機器設備（bèi），它們分別占市場份額的31.7%、18.4%和11.2%。

 

圖6 中國3D打印（yìn）應用領域（yù）格局

 

3D打印未來發展

 

3D打印（yìn）已經坐上了技（jì）術發展的高速列車，被賦予了“第（dì）三次工業革命的大背景（jǐng）”，以3D技術為代表的快速成型技術被看作是引發新一輪工（gōng）業革命的關鍵要素。人們對3D打印都給予了高度的關注和（hé）極大熱情，那麽在不久的將來，3D打印技術的未來將走向何方？

 

技術

 

4D 打印技術（shù）

 

4D打印，比3D打印多（duō）了一個“D”，即時（shí）間維度，通（tōng）過軟件設（shè）定模型和時間，變（biàn）形材料在設定的時間內變形為所需形狀。與3D相比，4D打印技（jì）術比3D打印技術更具（jù）有前瞻性和顛（diān）覆性，隨著環境變化而自行改變。不僅是生產工具的革命，更是由生產材料改變引發的未來整個商業生態結構方式改變的一種技術。

 

目前，人們對4D技術正處於研究階段，並（bìng）且取得了初步進展。2015 年 1 月（yuè），在美國 CES 消費電子展上（shàng），Tibbits 利用模型（xíng）設計軟件設定的時間（jiān）和（hé）組合樣式，讓 2279 塊（kuài） 3D 打印機打印出來的三角模塊，在水中慢慢自合變形（xíng）成了一件鏤空的連衣裙（qún）。該裙子解決了不合身（shēn）的問題，根（gēn）據穿戴者的體型情（qíng）況進（jìn）行自我改變。此外，還可以自動變化造型，並隨人體形態（tài）而變（biàn）化，即使變胖或變瘦，4D 裙也不會不合身。Tibbits 和他的團（tuán）隊還打印出了世（shì）界上第（dì）一雙 4D 鞋，可以根據人（rén）腳的形狀和大小自我調節（jiē），附有彈性（xìng）的材料可以讓製鞋的成（chéng）本縮減到最小。此外，澳大利亞伍倫貢大學電子科學 ARC 實驗中心也是 4D 技術（shù）的重要引領者，他們（men）在不斷的測試中（zhōng）尋找各種刺激下影響的合成物質，目前已經取得許多（duō）重大進展，已（yǐ）經應用於（yú）醫療、軍事、汽車和機器人製造。

 

 

納米（mǐ）3D打印（yìn）技術（Nanoscale 3DP）

 

納米3D打印（yìn）技術（3DP）使用專門的3D打印技術和相關工藝來創建（jiàn）具有更精細、複雜的（de）結構或特征。基於納（nà）米尺度和微尺寸的打印不僅需要專門的3DP設（shè）備和光學元件，還需要額外的加工，如機械和化學，可以（yǐ）用於小型化的物件（jiàn），比如微型傳感器（qì），微型機器人，小型工藝品，可打印的電子產品等。

 

未（wèi）來一個令人驚歎的可能性（xìng）是，利用納米3D打印出分子級別的結（jié）構構造。伊利（lì）諾伊（yī）大（dà）學已經成功的製造出這樣一台3D打印連接分子的機器。期待未來能夠通過納米3D打印技術（shù）製造出種類（lèi）數以億計的分子結構，並且方便化（huà）學家創造（zào）新的化合物，大大降（jiàng）低成本（běn）。

 

 

宏3D打印技術（Macro 3DP）

 

宏3D打印技術是指使用多種材料，包（bāo）括砂和粘合劑，混凝土，塑料（liào）盒金屬等（děng）來打（dǎ）印2米或更大尺寸物體的（de）係統。比如Cincinnati的“BAAM”打印出了尺寸為8*20*6製造機，比3D打印機打（dǎ）體積大10倍，可以用於大型航空（kōng）航天，汽車，建築等領（lǐng）域。由於設備更大，且更昂貴，目前投資較少，技術不成熟，

 

荷蘭一家初創（chuàng）公司正在嚐試利（lì）用宏3D打印建造一座橋梁，這座橋梁預計將在今年完成，並（bìng）橫跨阿姆斯特丹的一條著名河道。北京華商騰（téng）達公司計劃在45天之內3D 打印出（chū）一套400平米的別墅。這些都展現出宏3D打（dǎ）印技術（shù）在建造業極有希（xī）望的前景。

 

 

 

材料

 

毫無疑問，材料將成為未來3D打印的（de）主力（lì）市場（chǎng），有市場研究機構預測，全球3D打印材料市場將從2016年的（de）5億3010萬（wàn）美元增（zēng）長到2021年的14億950萬美元，而目前已有並（bìng）應用的材料具有非常大的局限性。那麽，未來的3D市場需要（yào）什麽材料呢？

表2  未來可用於3D打（dǎ）印的材料列（liè）表

 

 

海航未來的可能--3D打印（yìn）與物流

 

作為一家集科技與（yǔ）物流於一體的公司（sī），物流板塊在海航中處於至關重要的地位。然而，在3D打印時代，沒有（yǒu）了複雜的JIT配（pèi）送，物流如果（guǒ）僅僅依靠為客戶存儲和配送3D打印耗材，那麽物流企業之間就很難實現差異化運（yùn）營，因此，結合3D打印（yìn）並充分利用3D打印（yìn）是物流（liú）發展的必然趨勢（shì）。那麽，未來海（hǎi）航可以從哪些方麵結合3D打印呢（ne）？我們認為以下幾個方麵是值得討論的：

 

按需打印備件（jiàn）：傳統的產品零備件，比如飛（fēi）機的備件（我們海航擁有幾百架飛機），大（dà）多是提前生產好，儲存在（zài）倉庫裏，等到需要更換或維修時再從倉庫取出調配，想象一下成（chéng）百上千萬的零備件儲存在（zài）倉（cāng）庫而不用，不（bú）僅浪費資源還占用了空間。這（zhè）就（jiù）可以（yǐ）用3D打印來解（jiě）決（jué），我們可以將3D打印機放置於各倉庫（kù）及（jí）物流點，因其大大縮短的周期以及質量的保障，那麽（me）就（jiù）可（kě）以先得知（zhī）需求，然後打印，最後運出。這樣一個革新的流程，不僅節省資源與（yǔ）空間，還節省了貨物調配的時間（比（bǐ）如傳統情況下那個倉庫沒有貨，就要從別的倉庫調運，而有了3D打印就不用擔心了，我們可以直接將（jiāng）打印好的備件裝入卡（kǎ）車或飛機）。

 

從物流環節為顧客提供個性化的定製服務：需要大批量生產的（de）商品，比如鞋子、包包（bāo）等，是很難從一開始的生產環節（jiē）就做到為每位顧客定製的（因為固有的生產流水線）。那麽如若要滿足很多用戶的定製服務怎麽辦？從物流環節下手是個不錯的選擇。這當然也要結合3D打印，比如每個買鞋子（zǐ）的（de）用戶想要適合自己腳（jiǎo）型的鞋墊，那就可以直接在物流環節中做到打印出來，接著配送（sòng），這樣一個順序。比如我們海航（háng）科技物流最近做的智能集裝箱項目，如若在集裝箱（xiāng）中裝配3D打（dǎ）印機，在物流（liú）的途中（zhōng）滿足這種（zhǒng）顧客（kè）的定製化需求，是個非常（cháng）炫酷的主意。

 

直接服務於商家或（huò）消費者的（de）3D打印實體店：隨著3D打印的成本降低，直接（jiē）提（tí）供3D打印的實體店在未來會逐漸進入市場。比如在機場就（jiù）可以設置這樣（yàng）的店，旅客們若有急需（比如需要（yào）一雙拖鞋、一（yī）個（gè）充電器、一（yī）把雨傘等），可以直接自助打印出需要的東西；又比如在旅遊景點，有這（zhè）樣（yàng）一個實體店可以配（pèi）合旅客打（dǎ）印定製化的紀（jì）念（niàn）幣或其它類型的紀念品……