3D打印:是正在到来的下一次工业革命吗?

3D printing: Is the next industrial revolution on our doorstep?

3D printing: Is the next industrial revolution on our doorstep?
Photo courtesy of BASF
始于18世纪英国的工业革命使人类社会在制造和生产方面发生了翻天覆地的变化。在机器制造业和工业的主导下,农耕社会从农村过渡到了城市。大规模化的生产工厂提供了更高的产能和各种各样的产品。伴随这些进步而来的是运输、通信和银行行业的快速发展。

三维(3D)打印,通常又称增材制造,是从数字文件生成三维立体对象的过程。该技术自20世纪80年代开始发展,但直到现在,这种制造形式才成为广泛制造应用中可能的搅局者。现在人们有理由相信3D打印的兴起可能标志着全新工业革命的开始。

BASF Headlight 3D Printing
Photo courtesy of BASF


3D打印为使用混合材料创建复杂结构提供了可能,除了大众化制造之外,它还为大量客制化提供了机会。但它也可能正在扰乱您的业务。我们现在已经掌握了必要的专业知识,可以打印250多种不同的材料,包括金属、塑料、陶瓷、玻璃、橡胶、皮革等等。可采用3D技术打印的产品包括GE航空集团的Leap喷气发动机的燃油喷嘴,福特野马的发动机盖,甚至还可以采用3D打印技术打印整个喷气发动机。对原材料需求的减少给很多行业带来了巨大的机会。采用3D打印技术,只需使用所需的材料,消除制造废物,而同时能生产更坚固、更轻的零件。

据市场研究公司SmarTech Publishing预测,到2021年,3D打印仅在石油和天然气行业就能创造出高达4.5亿美元的市场,而这一数值到2025年可能会增加到14亿美元。随着3D打印的快速发展,它甚至会扰乱整个价值链中的公司,包括从设计、生产到供应和认证。

值得注意的是,3D打印仍然是一项新兴技术,其需要开展一场全方位的战斗才能取代主流制造业。当下,诸如注塑、铣削和铸造等传统技术可满足批量生产的需求。而由于速度、价格和质量等方面的限制,导致3D打印在作为原型工具时显得并不具优势。虽然使用3D打印也可以进行了一些批量生产,但对增材制造领域更强的监管要求可能会阻碍其增长。尽管有报道称ASTM International(美国材料与试验协会)正在制定其他程序、材料和安全标准,但目前已有7项3D打印工艺得到了ASTM(美国材料与试验协会)的认证。

法国3D打印公司Sculpteo于2019年5月发布了第五版“3D打印现状”研究报告。该报告是3D打印分析领域最大的研究项目,据Sculpteo称,全球有1300名受访者表示他们是3D打印的“重度用户”。

BASF 3D Printing
Photo courtesy of BASF


该报告重点介绍了其发展速度的趋势、成本削减和大规模生产的出现。51%的受访者将3D打印用于生产,这表明它显然不再仅仅是一项原型技术。超过三分之二的受访企业计划在未来12个月内增加对3D打印的投资。根据该报告,“工业产品”是这类制造业的主要生产对象(13.5%),其次是“高科技”产品(10.6%)。虽然塑料仍然是最受欢迎的材料,但报告中也承认多种材料和金属也将加入到3D打印之中。

直至目前,3D打印机的缓慢、不精确且往往成本高昂等特点还在阻碍其发展,使其未被广泛采用。当前的障碍包括打印头可施加的力,材料被加热产生流动的速度,以及打印头自身移动的速度。 特别是速度,似乎是解锁采用3D打印技术的关键。

RAPID+TCT 3D打印展被认为是北美最具影响力的增材制造行业展会。今年的展会于4月20日至23日在美国加利福尼亚州阿纳海姆市举行。Impossible Objects是众多展示新型3D打印机的公司之一,该公司旨在克服传统3D打印的局限性。

Impossible Objects公司展示了一种新型CBAM-2 3D打印系统,他们认为该产品是一个“游戏规则改变者”。完全不同的增材制造程序将二维工艺结合到打印机中,以工业级规模提供3D复合材料,同时能使增材制造过程最多加速10倍。“看到我们的客户使用我们的工作方法为飞机、汽车再到轻量级运动装备制造各种高性能零件,这使我们感到非常兴奋”,Impossible Objects公司创始人兼董事长Bob Swartz说道。

虽然速度的提升使其大受欢迎,但采用3D打印技术从复合材料中打印零件同样是其一大亮点。该公司表示,与德国化学公司巴斯夫合作开发的PA6-碳纤维复合材料可实现“前所未有的工业应用范围”。在OCA Ventures公司领投的最近一轮融资中,Impossible Objects公司获得了410万美元的资金,用于助力他们的新产品需求,使总投资达到了1,300多万美元。Impossible Objects公司的新款打印机也将于今年第三季度上市。

Impossible Objects公司目前的客户包括福特汽车公司,福特公司最近购买了两台Model One 3D打印机用于研发,另外,美国空军和国家航空研究院(NIAR)也是公司的客户。

但是,这个市场空间很快就会变得拥挤。工业打印机制造商Markforged在3月份宣布其已完成了8200万美元的D轮融资,总融资规模已达1.4亿美元。首席执行官兼联合创始人Greg Mark表示,“Markforged致力于通过让工程师、发明家和制造商仅仅以传统方法的一小部分时间和成本就能打印出工业级零件,进而改变人类创新的步伐”。

大批量生产即将到来

BMW 3D Printed window guide rail
Photo courtesy of BMW


想象一下,如果只使用CAD文件和笔记本电脑就可以开始大规模生产运行。产品设计完成后就可以立即分发到世界各地的制造地点,而只需几秒钟即可完成批量生产 - 无需工具或生产线,而且成本只是传统工艺的一小部分。届时 “数字库存”的概念很可能会无处不在。

BMW Window Guide 3D Printing
Photo courtesy of BMW


汽车和航空这两个领域已经对这项技术所带来的机遇做出了反应。飞机系统和机舱解决方案供应商Diehl Aviation公司于4月份宣布为A350 XWB飞机交付全3D打印的窗帘舒适头。该部件是客机最大的全3D打印部件,由12个独立零件组成,它首先将会由卡塔尔航空公司部署采用。

宝马公司于2018年11月宣布,其在过去十年中通过增材制造生产出了一百万个零件。2018年,该公司预计会生产超过200,000个3D打印组件,同比增长42%。这一百万个部件是宝马i8 Roadster上使用的车窗导轨,采用惠普的多射流熔融(Multi Jet Fusion)技术制造。该导轨由位于德国慕尼黑的宝马增材制造中心生产,据报道该产品仅用了五天时间开发,然后很快就被应用到了批量生产中。

这种感觉就像是革命已在进行中。

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