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3D打印历时 35 年,当前 3D 打印的发展趋势及市场接受度

2019-08-13  2023

如果以1984年Charles W Hull申请的立体光刻专利为起始点,3D打印技术至今已经过了35年的发展。在35年的发展中,3D打印技术已从早期作为一种快速原型技术,逐渐成为一种生产制造技术。

如果说3D打印是一次工业革命,那么发展至今,这场革命到来了么?是“随风潜入夜,润物细无声”的遍及了行业各个层面,还是“小荷才露尖尖角”般的蜻蜓点水似的存在?

不同的阶段代表不同的市场接受度

关于3D打印的五大赋能逻辑: “3D打印赋能产品性能提升;材料赋能3D打印应用场景与发展潜力;软件赋能3D打印产业化发展;工业互联网赋能3D打印制造、商业和发展模式重塑;工业正向设计赋能3D打印发展前景。”那么依据赋能逻辑,我们来看一下当前3D打印发展到什么阶段了?

3D打印当前发展的情况

上面的图表分为四个主要阶段,表示3D打印的发展程度:

我们现来定义这几个不同的发展阶段特点:

早期阶段:在这个阶段,早期采用者才刚刚开始研究该技术的功能。虽然有很多研发计划和试点项目,但实际的现实案例研究却很少。

发展期:这个阶段的技术能力正在不断发展。公司正在采用3D打印进行原型设计与应用,并且正在开展更多案例研究。

进入主流:正在上升为主流技术,这时候3D打印的应用扩展到制造与生产领域。新的应用案例正在频繁地出现。

成熟阶段:该技术已被证实,并作为行业的制造方法而建立。已经制定了关键标准,可以实现规模生产与可重复的一致质量。

不同行业的3D打印采用水平差异很大。下面,我们将探讨包含几个大家普遍关心的行业的3D打印技术引入状况。

有的行业蓄势爆发 有的行业还需淡定

航空航天

航空航天是最早采用3D打印的领域之一,这个领域第一次使用3D打印技术可以追溯到1989年。而到2018年,航空航天占据了增材制造市场的12% ,包括GE,空中客车公司,波音公司,赛峰集团和吉凯恩公司在内的业内知名公司已经将最先进的3D打印技术,特别是金属3D打印技术,应用到生产过程中。

一个典型的例子就是波音公司最新的777X双引擎喷气式飞机,GE在其GE9X发动机内安装了六种3D打印部件。其中包括GE著名的3D打印燃料喷嘴,以及传感器外壳,燃料混合器和更大的部件如热交换器和分离器。

一些值得注意的努力包括正在进行的标准化活动和研究计划。例如,SAE International发布了四种不同的航空航天3D打印标准。当一个行业开始谈论标准化时,这清楚地表明该技术正在从边缘转向常规制造。

航空航天领域3D打印的预期增长是乐观的,市场报告预测未来五年的复合年增长率将在17.5%和20.24%之间。不过,这个预测是保守的,3D打印在航空航天领域的增长将随着关键技术的突破而呈现出指数级别的爆发模式,尤其是对于像高强度铝合金,钛合金结构件的加工领域。预测技术的突破节点在2020年左右,而关键技术包括是否能够实现更大尺寸的加工,对多激光束加工效率的最大化水平,对热应力的控制,毛孔的消除等等。

医疗

3D打印在医疗行业获得了巨大的吸引力,扩大了提供个性化护理,生产定制化医疗设备和术前模型的机会。

根据市场研究公司SmarTech的报告,医疗3D打印市场(包括材料,服务,软件和硬件)目前估计为12.5亿美元。到2027年,这一数字预计将增长到60.8亿美元。

3D打印骨科市场细分

骨科是最大的增长机会之一。SmarTech预测,到2021年,将有超过10亿个植入3D金属的植入物。这种增长的关键驱动因素之一是能够使用3D打印来创建整形外科植入物。这种植入物具有复杂的网状结构,可以更好地促进骨骼向内生长,并最终实现更好的治疗效果。

此外,3D打印有望成为牙科模型,正畸矫正器,修复体等制造领域的占主导地位的数字化生产技术。

在正畸矫正器方面,SmileDirect已经安装了49台惠普HP Jet Fusion 4210 3D打印机,计划明年3D打印近2000万矫正器模具。

然而,要实现3D打印在医疗领域的快速发展,一个关键因素是医疗监管机构能够跟上医疗和牙科3D打印中不断发展的可能性,并提供相对应的支持。

汽车

在过去的几年中,我们看到主要的汽车厂商对引入3D打印技术的积极性。例如,福特正在与Carbon合作,为其车辆生产终端用品和备件。这些部件包括杠杆臂维修部件,辅助插头和停车制动器支架。在2018年末,宝马公司报告说已经通过3D打印了一百万个零件。

除了塑料零件,金属3D打印在汽车领域获得了更强的立足点。这尤其是由于采用更便宜和更快速的金属粘结剂喷射技术,这对于批量生产和大规模定制而言更具成本效益。

其中,大众汽车希望采用惠普新的金属喷射技术大规模生产车辆结构部件,汽车制造商希望在未来两到三年内实现这一目标。

机遇在于过程 市场来自酝酿

电子产品

电子行业是一个年轻但不断发展的3D打印领域,通过利用3D打印,工程师能够设计和生产复杂的电路板和天线的原型。

3D打印的多层电子线路板

Optomec和Nano Dimension目前是3D打印电子市场中最大的两家公司。自2016年以来,台湾电子公司光宝集团(LITE-ON)一直将Optomec的气溶胶喷射技术应用于消费电子设备的3D打印天线和传感器。

为了将3D打印电子产品推向主流,该技术首先需要变得更具可扩展性,以便能够达到更高的产量。材料和设计软件还需要配合上,使电子制造商能够以更高的复杂性进行3D打印从而实现更强大的功能。

在过去几年中,我们看到3D打印电子产品取得了重大进展。这些进步正在慢慢将电子产品的3D打印从单纯的原型制作转移到直接生产。

而根据《科学进展》,美国麻省理工学院(MIT)和奥地利维也纳大学(UV)研究人员利用高度聚焦电子束成功控制了单个原子的去向,这对量子设备和传感器的制造有重要推动作用。通过电子束操纵单原子,“原子工程”新时代开启。

未来,原子工程是否与3D打印技术发生某种程度的跨界结合,进一步改变传感器等电子结构件的制造,这种可能性是存在的。

不过目前,电子3D打印仍处于发展期,它已经成为一种有用的原型技术,但在进入主流之前还有很长的路要走。

建筑

在过去的几年中,3D打印在建筑领域引起了很大的兴趣。在很多方面,媒体大肆宣传3D打印整个房屋的诱人概念,这激起了市场的兴奋。

然而,尽管大肆炒作,建筑行业的3D打印仍然处于早期阶段。过去几年实现的绝大多数建筑项目仅用于示范目的。这些项目的价值共计数亿美元,与全球建筑业年10万亿美元的市场相比,是微不足道的。

目前,建筑行业有三种主要的3D打印应用:

混凝土挤压:3D打印机挤出混凝土材料的特殊配方以形成结构,例如墙壁;

模具:3D打印建筑模具,用于生产建筑结构件;

直接打印:使用大规模金属3D打印技术(如直接能量沉积)对金属结构进行3D打印,如制造桥梁等;

装饰类:室内设计和建筑模型的3D打印。

这些应用领域的成熟程度各不相同,例如,混凝土3D打印可用于制作建筑物的基础和墙壁。但这只是建造房屋所需要的一部分,不包括加热,管道,电气,窗户,地板,屋顶等部分的安装。

然而,混凝土的3D打印有可能在未来几年内大大改善。预计全球混凝土3D打印市场将从2018年的3056万美元增长到2024年的5789万美元。这一增长将主要受到越来越多的创新建筑项目的推动。例如,迪拜有一项雄心勃勃的使命,即在未来六年内在25%的新建筑项目中实施3D打印。

目前,建筑中3D打印的最大应用在于利用3D打印来生产复杂的大型模具。最近在纽约市一座42层住宅和商业建筑的改造项目极大地说明了这一点。

如果通过创建木制模具完成改造将是一项复杂的任务,可能需要长达9个月的时间才能完成。为了加快这一过程,采用了大规模BAAM3D打印技术,并能够迅速打印40个模具。

3D打印建筑模具不仅速度更快,而且还为建筑师提供了更大的灵活性,可将创新形状融入其设计中。

在建筑公司采用3D打印来实现3D打印房屋的承诺之前,仍然有很多研究和开发。在不久的将来,3D打印将继续用于建筑模型,室内设计组件和模具。

然而,从长远来看,3D打印为建筑师创造了更多的改造和创新的机会。

石油天然气和电力

跨国石油和天然气公司BP已将3D打印列为将在未来几年内显着影响能源行业的六种技术之一。3D打印在石油和天然气行业的主要优势包括提高开采设备性能,降低设备成本和交付周期,以及更灵活和分布式的供应链。

尽管有这些好处,但石油和天然气行业的3D打印技术采用速度缓慢。在石油和天然气中采用3D打印的障碍是该行业最大的利益相关者完全依赖其供应链。石油和天然气开采设备的一级和二级供应商倾向于依靠成熟的生产方法,3D打印等新的制造工艺融入需要克服重重障碍。

然而,像GE和西门子等电力先驱已经开始将3D打印集成到他们的制造供应链中,使用3D打印技术生产涡轮机械零件,叶轮,燃烧器等。

西门子3D打印的叶片

对于此类应用,金属3D打印技术:如SLM选区金属熔化3D打印技术,EBM电子束熔化3D打印技术和DED定向能量沉积3D打印技术将逐步在石油和天然气行业占有一席之地。特别是DED技术可能对该行业富有价值,因为它不仅能够制造新零件,而且能够修复现有零件。

3D打印行业的企业要说服石油和天然气行业采用其技术,则需要确定最有价值的早期应用。从而提高石油和天然气公司建立3D打印技术应用中心的能力和信心,以最大限度地发挥3D打印的潜力。

另外,为了将3D打印转变为石油和天然气领域的主流应用,必须推进建立满足强大性能要求的功能部件的行业安全标准。

目前已经开展了许多研究计划,目的是确定用于石油和天然气的3D打印流程和材料。

最近,南洋理工大学和全球质量保证公司DNL GL(挪威船级社-DNV与德国劳氏船级社-GL合并后的机构)最近签署了一份为期四年的研究合作协议。该协议将侧重于为海事和石油天然气行业制定行业标准,质量保证流程和3D打印认证标准。鉴于目前的采用程度和行业标准化的速度,预计石油和天然气领域将在未来5到10年内开始将3D打印纳入其供应链。

工业品

工业产品包括生产用于制造其他设备的机械零部件,模具和工具。对于这一领域,3D打印提供了一系列优势,包括缩短交货时间,新的设计机会和按需生产。随着技术和材料走向成熟,3D打印现在越来越多地应用于从模具到机械零部件和备件的各种应用中。

金属3D打印随形冷却模具

例如,全球最大的资本品公司之一CNH Industrial(CNH是由纽荷兰公司和凯斯公司在1999年合并而成)最近宣布将在其制造流程中引入3D打印,重点应用的领域是生产公共汽车和农业设备的备件。

CNH已经确定了通过塑料3D打印制造的四个零件,同时在寻求将金属3D打印引入到其零件生产中。最终,CNH希望利用3D打印扩展到更多的系列零件生产中,以“在产品生命周期的每个阶段响应所有类型的需求。”

此外,桌面级3D打印机的成熟以及向工业方面的转变促进了3D打印工具应用(包括工装夹具)的3D打印。

与此同时,砂型3D打印机越来越多地被铸造厂引用,为重型设备和机械零件制造砂芯模具。与传统方法相比,砂型3D打印在生产模具方面不仅快速,还可以实现更复杂的形状。

工业产品的3D打印已经达到了早期的主流阶段,许多大公司都在印用3D打印技术以制造最终用途零件和备品备件。

工业品行业已经开始从3D打印中获益。为了巩固这一进步,该行业需要在标准化和研究活动方面进行合作。这将有助于确定更多适用的案例并增加对3D打印技术的信心。

消费品

在消费品行业,3D打印的应用主要集中在创建用于产品设计和开发阶段的原型。

虽然快速原型设计仍然是一个关键应用,但该技术的真正潜力可能在于直接制造消费产品。通过3D打印生产终端消费产品的主要好处包括经济高效的定制化和更大的设计自由度。

截至到2019年目前,鞋类、眼镜、珠宝和自行车制造是利用3D打印生产的最大消费类细分市场。

柏林眼镜公司Mykita早在2011年就推出了世界上第一个3D打印眼镜系列。Mykita采用SLS选区激光烧结技术和尼龙材料为其MYLON太阳镜系列打造镜架。

3D打印的鞋

此外,制鞋业正在进行大量投资,以开发数字鞋类制造工作流程,以实现更快的创新和大规模定制。为此,匹克,adidas,Nike,New Balance,Reebok和Under Armour等品牌正在采用SLS,SLA和Carbon的 DLS等3D打印技术,将中底和鞋垫等3D打印元素引入其鞋类。

在首饰领域,3D打印正以两种方式使珠宝制造商受益。第一种是通过3D打印与铸造的结合模式,这种模式比传统方法更便宜,生产更快。

第二种方法是使用贵金属直接3D打印首饰。

这两种方法都可以创造出具有薄壁和复杂细节的定制化珠宝,这是通过其他方式难以实现的。

自行车制造商也正在将3D打印引入其生产中,这一新机遇能否获得扩展很大程度上取决于成熟的复合3D打印技术。通过复合3D打印,自行车制造商可以更快速,更轻松地制造定制化的自行车。

不可否认,即使在消费品行业的这些部门中,3D打印的采用率仍然相对较低,特别是与航空航天和医疗这些先驱行业相比。

对于大多数消费品公司而言,将3D打印用于规模生产产品在经济上是不可行的,至少目前如此。因为3D打印的经济型目前无法与传统制造的产量相媲美。3D打印适合应用的领域包括:改变产品的设计以实现特殊的功能;高附加值产品;定制化产品。

在消费品领域,目前看来,即使3D打印的成本效益提高,该技术也不可能完全取代任何消费品行业的大规模生产方法。

尽管3D打印在消费品领域有许多新的应用,但该技术仍处于采用的早期阶段,特别是与航空航天和医疗等行业相比时。与注塑成型等既定方法相比,产量也较低。

然而,随着技术变得更具可扩展性,未来五年将有更多的消费品公司引用3D打印。这将有助于确定可从3D打印技术中受益最多产品,并使3D打印能够更多的融入到生产流程中。

赋能逻辑与产业化逻辑

正如《3D打印与工业制造》所提到的3D打印赋能逻辑,3D打印提供的附加值价值创造包括改进的产品功能,更高的生产效率,定制化,更短的上市时间和按需备件。出于3D打印的赋能逻辑,航空航天、医疗、汽车和工业产品行业的公司正在加速对3D打印技术的投资。

不过在3D打印技术真正得到广泛采用之前,仍有一些障碍需要克服。尤其是包括材料和工艺的标准化,如何降低生产成本以及如何实现更高的质量可重复性和可靠性。

3D打印设备制造商和行业利益相关者正不断解决这些挑战:一方面通过更好的控制系统增强设备的可靠性;一方面通过自动化、合作开发标准和改进流程来解决这些局限性。

制造业生态系统正在迅速变化,部分原因在于3D打印技术不断增长的能力。为了在这个生态系统中茁壮成长并获得制造业附加值创造能力,企业可以考虑从通过3D打印进行原型设计起步,并尝试扩展到生产的可行性,逐渐制定出可以实现的战略计划。


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