3D打印帶來的製造業變革

3D打印（yìn），如其名曰“打（dǎ）印出3D的物品”，是一種快速成型技（jì）術。與普通打（dǎ）印機工作原理基本相同，打（dǎ）印機內裝有液體或粉（fěn）末等“打印材料”，與（yǔ）電腦連接後，通過電腦控製把（bǎ）“打印材料”層層疊加，最終把計（jì）算機上的藍圖變成實物。早（zǎo）期（qī）常用於模具製造、工業設計等領域，現主要用於一些產品（pǐn）的直接（jiē）製造，比（bǐ）如人體關節或（huò）飛機部件等。

 

作為智能製造的急先鋒，3D打印利（lì）用其打印精度高、速度快、消耗材料少、加工地點靈活等優勢，從兩個方麵深刻（kè）改變了傳統製造業的形態：一是（shì）使製（zhì）造工藝（yì）發生深刻變革（gé），二是使生產（chǎn）模式發生革命性變化（huà）。一方麵，在製造工藝上，首先，對於具有精確內部凹陷（xiàn）或互鎖部分的形狀設計，3D打印是首選加工（gōng）設備；其次，3D打印零時間交付，及時減少了企業實物庫存；3D打印（yìn）還能夠（gòu）使用與傳（chuán）統製造相比更少的（de）材料，而傳統的金屬（shǔ）製造中，90%的金屬原材料常被丟棄浪費； 另外，3D打印設備能（néng）夠自由移（yí）動，實現便攜製造（zào）。另一方麵，3D打印給生產模式也帶來了巨大變更。隨著信息化發展（zhǎn），人們逐漸追求個性化的消費，傳統大（dà）批量、標準（zhǔn）化生產的模式已難以滿（mǎn）足這（zhè）種需求，而3D打印的特點恰好順應並推動了（le）產品向個性化、定製化和（hé）分（fèn）散化的轉變。

 

隨著大量（liàng）3D打印機湧入市場，影響力是不容分辯的。比如（rú），通用電氣將3D打印應用（yòng）於（yú）製造他們的高級LEAP噴氣式飛機引擎部件裏的燃料噴嘴，傳統（tǒng）的噴嘴需要來（lái）自不同供應商的20多個不同的配件（jiàn）組合，而新的3D打印噴嘴僅需（xū）要一步完成，不僅生（shēng）產周期短，還比傳統的噴嘴重（chóng）量輕25%，耐受度提高了5倍（bèi）。再比如，美國海軍2014年開始將3D打印機安裝（zhuāng）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鍵武器部件，這種加工地點的自由度，傳統製造業是做（zuò）不到的。

 

3D打印發展曆史

 

下（xià）圖展示了3D打印從誕生到現在的重大曆史事件：

 

圖1 3D打印發展曆史

 

 

3D打印（yìn）現狀（zhuàng）

 

3D打印技術支撐

 

簡單來說，經典3D打印機的功能與傳統噴墨打印機的功能非常相似。兩者都從（cóng）數字文件獲得打印信（xìn）息，但是噴墨（mò）打印機將墨水應用於紙張，而3D打印機以連續的（de）圖案注入（rù）材料（liào）來構建三維固體物體。3D打印的具體步驟分為三（sān）步：首先，進行（háng）數（shù）字模型的創建，使用CAD等設計程序或掃描儀進行打印（yìn）對象3D虛（xū）擬影像的信息獲取，並進行模型“切片”的創建。其（qí）次，材料的（de）添加，這（zhè）是用來製造最終物（wù）體的材料，比（bǐ）如金屬、聚合物、陶瓷等。最後，利用（yòng）3D打印機進行物件（jiàn）的創（chuàng）建工作（zuò）。

 

 

圖2 3D打印流程（來源DHL, flaticon.com）

 

在3D打（dǎ）印的背後必然離不開成熟（shú）的技術支撐。圖3展示了人們對於不同的技（jì）術的期待值隨著該技術成熟度的變化趨勢，以及技術距離走（zǒu）入主流市場的時間（jiān）。可以看到，目前已經有多（duō）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（liào）選（xuǎn）擇（zé）性分配的從噴嘴中擠（jǐ）出，通常隻（zhī）有一種材（cái）料。

 

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

 

粘合劑噴射（BinderJetting）：打印過程中在粉末（mò）層之上加入粘合劑層的技術，使各層之間相互連續。

 

槽（cáo）光固化（huà）（Stereolithography）：第（dì）一種（zhǒng）商用的3D打印技術，將光聚合物放（fàng）置在槽中，利（lì）用激光選擇（zé）性的照射，使其每一層固化為特（tè）定的（de）形（xíng）狀。

 

直接能量沉積（DirectedEnergy Deposition）：用熱能量（liàng）將一層一層疊放的材料熔融，形（xíng）成想要的形狀。

 

粉末床熔融（PowderBed Fusion）：利用熱能量（liàng），有選擇的熔融粉（fěn）末床的部分區域，形成想要的形狀。

 

每項技術在不同的應用中有不（bú）同的效果，下表展現了（le）幾項主要的3D技術及其（qí）在不（bú）同製造過程（chéng）中的效果：

 

表（biǎo）1 幾種3D打印技術（shù）在不同製造過程（chéng）中的表現

 

可以看出，傳統而簡（jiǎn）單的3D打印技術材料（liào）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。而（ér）在（zài）原型製作中，這幾種技術都有較不錯的效果。遞進到強化生產（chǎn）的階段，直接能量沉積（Directed EnergyDeposition）和材料噴射（Material Jetting）展（zhǎn）現出優勢。在後兩項製造領域和可替代的製造領域，可以看到幾種技術表現都差（chà）強人意，但值得注意的是，粉（fěn）末床熔融（Powder Bed Fusion）技術在可替代的製造領域比其它（tā）技術表現出了更多的優勢。

 

市場規模

 

3D打（dǎ）印作為一項前沿性的先進製造技術，已經受（shòu）到世界各國的高度關注，其市場規模呈幾何級增長態勢。在2016年全球3D打印市場規模已經達到了60.63億美（měi）元，同比增長34.62%，預計2020年將突破200億（yì）美元。與此同時，國內的3D市場規模（mó）也在逐漸擴大，截止到2015年，市（shì）場已經達到7.78億美元（yuán），複（fù）合增（zēng）長率為69%。

 

圖（tú）4  3D打印市場市場規模

 

產業鏈（liàn）

 

3D打印的產業鏈如下圖：

 

圖5 3D打印產業鏈

 

一（yī）些知名3D打印（yìn）公司有：

 

3Dsystems（美國（guó））：1986年創立，是世界上第一家（jiā）3D打印公司，主營設（shè）備製造、耗材開發（fā）、服務提供。就設備製造（zào）來說，兼及桌級和業級設備。就打印技術來說，主要使用SLA(光固化，光敏樹脂材料)、SLS(選擇（zé）性激光燒結（jié），工程塑料)。應用領域非常廣泛，有航空航天（tiān）、醫（yī）療（liáo）、汽（qì）車這些工業級別的，也有建築、藝術等設計行業（yè）的，另外還兼顧消費品、珠寶首（shǒu）飾領域。

 

Stratasys（美國）：1989年成立，主營設（shè）備製造、耗材開發、服務提供。就設備製造來說，兼及桌級和業（yè）級設備。就（jiù）打印技術來說，主要指向（xiàng）FDM(熔融沉積、工程程塑)和Polyjet(噴墨技術（shù）、光敏（mǐn）樹脂材)。應用領域與（yǔ）3Dsystems一樣非常（cháng）廣泛。

 

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

 

應（yīng）用領域

 

當前，全（quán）球製造業格局正在發生深刻變化，新一代信息技術和工業（yè）融合發展呈現新趨勢——智（zhì）能（néng）製造（zào）。在互（hù）聯網時代下，智能製造引領的製造業轉型（xíng）已勢（shì）在必行，預（yù）計到2018年全球智能製造（zào）及智能工（gōng）廠相關市場規模將達（dá）到2500億美元。作為智能製造領域的急先鋒，3D打印也已被（bèi）應用於諸多領域。以我國為例，排名前三的是汽車、消費產品和商用機器設備，它（tā）們分別占市場份額的31.7%、18.4%和11.2%。

 

圖6 中國3D打印應（yīng）用領域格局

 

3D打印未來發展

 

3D打印已經坐（zuò）上了技（jì）術發展的高速列車，被賦予了“第三（sān）次工業革命的大背景”，以3D技術為代表的快速成型技術被看作是引發新一輪工業革命的關鍵要素。人們對3D打印都給予了高度（dù）的關注和極大熱情（qíng），那麽在不久的將（jiāng）來，3D打印（yìn）技術的（de）未（wèi）來將走向何方？

 

技術

 

4D 打印技術

 

4D打印，比3D打印多了一個“D”，即（jí）時間維度，通過軟（ruǎn）件設定模型和時間，變形材料在（zài）設定的時（shí）間內變形為所需形狀。與3D相比，4D打印技（jì）術比3D打印技術更具有前瞻性和顛覆性，隨著環境變（biàn）化而自行改變。不僅是生產工具的革（gé）命，更是由生產材（cái）料改變引發的未來整個商業（yè）生態結構方式改變的一種技術。

 

目（mù）前，人們對4D技術正（zhèng）處於研究階段，並且取得了初步（bù）進展。2015 年 1 月，在美國 CES 消費電子展上，Tibbits 利用模型設計軟件設定的時間和組合樣式，讓 2279 塊 3D 打（dǎ）印機打印出來（lái）的三角模塊（kuài），在水（shuǐ）中（zhōng）慢（màn）慢自合變形成了一件鏤空的連衣裙。該裙子解決了不合（hé）身的問題，根（gēn）據穿戴者的體型情況進行自我改變（biàn）。此外，還可以（yǐ）自（zì）動變化造型，並隨（suí）人體形態而變化，即使變（biàn）胖或變瘦，4D 裙（qún）也不會不合身。Tibbits 和他的團隊還（hái）打印出了世界（jiè）上第一雙 4D 鞋（xié），可以根據人（rén）腳的形狀和大小自（zì）我調節，附（fù）有彈性的材（cái）料可以（yǐ）讓製（zhì）鞋的成本縮減到最小。此外，澳大利亞伍倫貢大學電子科學 ARC 實驗中心也是 4D 技術的重要引領者，他們在不斷（duàn）的測試中尋找各種刺激下影響的合成物質，目前已經（jīng）取得許多重大進展，已經（jīng）應用於醫療、軍（jun1）事、汽（qì）車和機器人製造。

 

 

納米3D打印技術（Nanoscale 3DP）

 

納米3D打印技術（3DP）使用專門的3D打印技（jì）術和相關工藝來創建具有更精細、複雜的結構或特征。基於（yú）納米尺度和微尺寸的打印（yìn）不僅需要專門的3DP設備和光學元件，還需要額外的加工，如（rú）機械和化學，可以用於（yú）小型（xíng）化的物件，比如微型傳感器，微型機器人，小型工（gōng）藝品（pǐn），可打印的電子產品等。

 

未來一個令人驚歎的（de）可（kě）能性是，利用納米3D打印（yìn）出分子級別的結構構造。伊利諾伊大學已經成功的製造出這（zhè）樣一台3D打（dǎ）印連接分子（zǐ）的機器。期待未（wèi）來能夠通過（guò）納米3D打印技術製造出種類（lèi）數以億計的分子結構，並且方便化學家創造新的化合物，大大降低成本（běn）。

 

 

宏3D打印技術（Macro 3DP）

 

宏3D打印技術是指使用多種（zhǒng）材（cái）料，包括（kuò）砂和（hé）粘合劑，混凝土（tǔ），塑料盒（hé）金屬等（děng）來打印2米或更（gèng）大尺寸物體的係統。比如Cincinnati的“BAAM”打印出了尺寸為8*20*6製造機，比3D打印機打體積大10倍，可以用於大型航空航天，汽車，建築等領域。由於設備更大，且更昂貴，目前投資較少，技術不成熟，

 

荷蘭一家初創公司正在嚐（cháng）試利用宏3D打印建造一座（zuò）橋梁，這座橋梁預（yù）計（jì）將在今年完成，並橫跨阿姆斯特丹的一條著名河道。北京（jīng）華商騰達公司計劃在45天之內3D 打印出一套400平（píng）米的別墅。這些（xiē）都展現出（chū）宏3D打印技術在建造（zào）業（yè）極有希望的前景。

 

 

 

材（cái）料

 

毫無疑問，材料將成為未來3D打印的主力市場，有（yǒu）市場研究（jiū）機構（gòu）預測，全球3D打印材料市場將（jiāng）從2016年的5億3010萬美元增長到2021年的14億950萬美元，而目前已有並應用的材料具有非常大的局（jú）限性。那（nà）麽，未來（lái）的3D市場需要什麽材料呢？

表2  未來可用於3D打印（yìn）的材料列（liè）表（biǎo）

 

 

海航未來的可能--3D打印與物流

 

作為一家集科技與物流於一體的公司，物流板塊在海（hǎi）航中處於（yú）至關重要的地位。然而，在3D打印時代，沒有了複（fù）雜的JIT配送，物流如果僅僅（jǐn）依靠為客戶存儲和配送3D打印（yìn）耗材，那麽（me）物流企業之間就很難實現差異化運營，因此，結合3D打印並充分利用3D打印是物流發展（zhǎn）的必然趨勢。那麽，未（wèi）來海航可以從哪些方麵結合3D打印呢？我們認為以下幾個方麵是值得討論的：

 

按需（xū）打印備件：傳統的產（chǎn）品零備件，比如飛機的（de）備件（我們海航擁有幾百架飛機），大多是提前生產好，儲存在倉庫裏，等到需要更換或維修時再從（cóng）倉庫取出調配，想象一（yī）下成百上千萬的零（líng）備件儲存在倉庫而不用，不僅浪費資源還占用了空間。這就可以用3D打印來解決（jué），我們可以將3D打印機放置於各倉庫及物流點，因其大大縮短的周期以（yǐ）及質量的保障，那麽就可以先得知需求，然後打印，最後運（yùn）出。這樣一個革（gé）新的流程，不僅節（jiē）省資源與空間（jiān），還節省了貨物調配的時間（比如傳統情況下那個倉庫沒有貨，就要從別（bié）的倉庫調運，而有了（le）3D打印就不用擔心了，我們可以直接將打印好的備件裝（zhuāng）入卡車或飛機）。

 

從（cóng）物流環節為顧客提供個性化的定製服務：需要（yào）大批量（liàng）生產的商品，比如鞋子、包包等，是很（hěn）難從一（yī）開始的生產環節就做（zuò）到為每位顧（gù）客定製的（因為固有的生產流水線）。那麽如若要滿足很（hěn）多用（yòng）戶的定製服務怎麽辦？從物流環節下手是個不錯（cuò）的選擇。這當然也要結合3D打印（yìn），比如每個（gè）買鞋子的用戶想要適合自己腳型的鞋墊，那就可以直接在物流環節（jiē）中做到打印出（chū）來，接著配送，這樣一個順序。比如我們海航科技物流（liú）最近做（zuò）的智（zhì）能集裝箱項（xiàng）目，如（rú）若在集裝（zhuāng）箱中裝配3D打印機（jī），在物流的途（tú）中滿足這種顧客的定製化需求，是個非常炫酷的（de）主意。

 

直接服務於商（shāng）家或消費者的（de）3D打印實體店：隨著3D打印的成本降低，直接提供3D打印的實體店在未來會逐漸進入市場。比如在（zài）機場就可以設置這樣的店，旅客們若有急需（比如（rú）需要一（yī）雙拖鞋、一個充電器、一把雨傘等（děng）），可以直接自（zì）助打印出需要的東西；又比如在旅遊景點，有這樣一個實體店可以配合旅（lǚ）客打印定製化的紀念幣或其它類（lèi）型的紀念品……