“踱”出實驗室： 3D打印從原型設計走向批量生產

做大“蛋糕”而非惡性競爭，正成為3D打印行業(yè)從業(yè)者的共識。

近期，21世紀經濟報道記者從多家3D打印設備制造商處獲悉，他們在連續(xù)打印、制造鏈系統整合、質量控制等領域已經實現了實際應用，這意味著3D打印離“批量生產”越來越近了。

3D打印又稱“增材制造”，曾經被視為下一場工業(yè)革命的“引領者”，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)展領域之一就是“增材制造”。

雖然3D打印技術已有30年歷史，但應用時間并不長，市場規(guī)模也不大。市場研究機構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軟件、材料和服務為132億美元，而3D打印行業(yè)權威研究機構Wohlers統計出的市場規(guī)模則為60.63億美元。無論統計口徑如何，3D打印在龐大的制造業(yè)領域仍是個“小行業(yè)”。

“3D打印是一種新興的制造工藝，而現在所有的制造產業(yè)都已經有一套很成熟的流程或系統。作為一項新技術，從現狀來講它并不是100%必要的�！钡聡�3D打印公司EOS大中華區(qū)總經理吳承軒對記者表示，對3D打印行業(yè)而言，當前的重點是如何讓客戶從非必要的技術中“發(fā)現必要性”。

成果“落地”

3D打印最開始應用在原型設計領域，即簡化傳統工藝的“設計-模具-生產”流程，直接從設計到生產，能夠快速呈現設計構思，并及時反饋結果，大大縮短研發(fā)周期。

隨著技術發(fā)展，3D打印開始制造最終部件或產品，應用于航空航天、醫(yī)療、汽車等領域。從產品種類來看，可大致分為兩類，一類是最終產品的零部件，另一類是生產領域的輔助性工具。

吳承軒認為，生產階段才是3D打印的最大市場所在。他總結道，相對于傳統制造方式，3D打印能突破傳統制造方式的技術限制，生產幾何形狀高度復雜、重量超輕且性能穩(wěn)定的零件。

據了解，負責開發(fā)與生產歐洲運載火箭 Ariane 6的Ariane Group就在火箭中使用了3D打印技術，將原本由248個單獨零部件組成的產品功能集成化為僅一個組件，實現成本降低50%并大幅縮短了生產時間。

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全球技術總監(jiān)魏斌介紹，GE應用3D打印技術制造的發(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打印飛機零部件產品。據報道，東航曾在接收首批波音777-300ER型客機時發(fā)現，客艙的部分指示牌標識發(fā)生錯誤，于是成立了專門的項目組“打印”了新的指示牌。傳統的訂貨周期長達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�！�

在生產制造領域，3D打印也在智能工廠中“錦上添花”。據美國3D打印公司Stratasys大中華區(qū)總經理翟蓮子介紹，事實上3D打印在生產的組裝、檢查、包裝等各個環(huán)節(jié)早有應用落地，尤其是一些行業(yè)領先的企業(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世紀經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，為生產注塑模具創(chuàng)造價值。

他舉了一個例子，模具內部一般會有冷卻的水路，如果需要制造的產品外形比較復雜，或者是曲面結構，傳統模具的水路無法完整均勻分布，冷卻時間便會增加；運用3D打印技術則可以制作復雜的水路，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更多的注塑件，并提升注塑產品的質量。

模具領域也已經有所應用。據悉，GF集團旗下的GF加工方案通過與EOS合作，已將這一技術與傳統加工技術集成到模具制造過程中，可以加工前所未有的設計鑲件。

探索量產化

盡管3D打印已經在部分生產環(huán)節(jié)和產品上得以應用，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進入量產領域。

事實上，量產已經有了很好的先例，就是前述的GE發(fā)動機燃油噴嘴。據悉，這樣的噴嘴，GE每年要生產3.5萬-4萬個。

與傳統制造相比，3D打印產品難以量產主要有成本、效率和質量三個方面。目前階段而言，成本的大幅下降并不現實。

3D打印的成本主要有三塊：設備、材料和人力。其中，高端設備和原材料的價格都相對穩(wěn)定，都暫未出現折價跡象，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，可以基于云平臺控制實現小批量打印，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”的概念型產品：“3D Demonstrator”，目前還未投入市場，僅在波音公司等合作伙伴內部使用，用于制作較大尺寸的工具和零件。

“傳統3D打印是z軸打印，即從下往上一層一層增加，這款產品是在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，這款設備還采取了精準的CNC運動控制，且打印系統速度提升了9倍，而材料方面也能實現高度的復合性。此外，它還克服了傳統3D的“各向異性”特征，與傳統的鑄造材料一樣，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。

不過，這款機器和其他的工業(yè)級產品一樣，成本很高，并非具備短期內大幅推向市場的條件。

而在目前相當有限產品應用領域，材料及產品的檢驗標準往往是落后一步的。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對此的應對是，在他們的航空內飾解決方案中，提前向FAA(美國聯邦航空管理局)和EASA(歐洲航空安全局)申請了認證，此后，材料和打印流程便可以直接應用在產品中了。

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)沒有專門的機構做這樣的認證，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，但在批量生產領域布局的，不止Stratasys一家。

EOS方面告訴記者，他們已經與Siemens PLM Software、SAP合作，將3D打印軟件和產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(MES)和企業(yè)資源計劃(ERP)系統中的整合，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打印的質量實時監(jiān)測�！按蛴∵^程可視化之后，在制造階段就對產品進行嚴格的監(jiān)控，能大幅降低質控成本�！眳浅熊幈硎�。

來源：21世紀經濟報道