让3D打印走出实验室从原型设计走向批量生产

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　　据Stratasys3D打印机了解，多家3D打印设备制造商在连续打印、制造链系统整合、质量控制等领域已经实现了实际应用，这意味着3D打印离“批量生产”越来越近了。3D打印又称“增材制造”，曾经被视为下一场工业革命的“引领者”，被寄予厚望。在2015年5月公布的《中国制造2025》国家战略规划中，stratasys j55指定的重点发展领域之一就是“增材制造”。

　　虽然3D打印技术已有30年历史，但应用时间并不长，市场规模也不大。市场研究机构IDC2017年初发布的报告指出，2016年，全球在3D打印机上的支出以及相关软件、材料和服务为132亿美元，而3D打印行业权威研究机构Wohlers统计出的市场规模则为60.63亿美元。无论统计口径如何，3D打印在庞大的制造业领域仍是个“小行业”。

　　“3D打印是一种新兴的制造工艺，而现在所有的制造产业都已经有一套很成熟的流程或系统。作为一项新技术，从现状来讲它并不是100%必要的。”德国3D打印公司EOS大中华区总经理吴承轩表示，对3D打印行业而言，当前的重点是如何让客户从非必要的技术中“发现必要性”。

　　成果“落地”

　　3D打印最开始应用在原型设计领域，即简化传统工艺的“设计-模具-生产”流程，直接从设计到生产，能够快速呈现设计构思，并及时反馈结果，大大缩短研发周期。

　　随着技术发展，3D打印开始制造最终部件或产品，应用于航空航天、医疗、汽车等领域。从产品种类来看，可大致分为两类，一类是最终产品的零部件，另一类是生产领域的辅助性工具。

　　吴承轩认为，生产阶段才是3D打印的最大市场所在。他总结道，相对于传统制造方式，3D打印能突破传统制造方式的技术限制，生产几何形状高度复杂、重量超轻且性能稳定的零件。

　　据了解，负责开发与生产欧洲运载火箭Ariane 6的Ariane Group就在火箭中使用了3D打印技术，将原本由248个单独零部件组成的产品功能集成化为仅一个组件，实现成本降低50%并大幅缩短了生产时间。

　　在近期举行的“第二届SAMA国际论坛暨2017世界3D打印年会”上，美国通用电气（GE）中央研究院制造技术全球技术总监魏斌介绍，GE应用3D打印技术制造的发动机燃油喷嘴，将原来的20个零部件简化为1个，燃油喷嘴减重25%。

　　另一个更接地气的例子是东方航空（600115.SH）的3D打印飞机零部件产品。据报道，东航曾在接收首批波音777-300ER型客机时发现，客舱的部分指示牌标识发生错误，于是成立了专门的项目组“打印”了新的指示牌。传统的订货周期长达180天，而3D打印仅需一晚就能拿到成品，“采购成本也从1000美元降至30元人民币。”

　　在生产制造领域，3D打印也在智能工厂中“锦上添花”。据美国3D打印公司Stratasys大中华区总经理翟莲子介绍，事实上3D打印在生产的组装、检查、包装等各个环节早有应用落地，尤其是一些行业领先的企业。

　　以宝马为例，其在制造过程中尝试了利用3D打印来制作手持组装工具，主要是超过400个的夹具和治具。据悉，3D打印完成的稀疏填充削减了72%的重量，并将交付时间和成本分别节约了92%、58%。

　　模具则是相对较大的一块市场。吴承轩此前在接受21世纪经济报道记者专访时表示，模具分很多类型和成型工艺，一般的注塑模具属于传统行业，对成本非常敏感，3D打印有望在这一行业中发挥特点，为生产注塑模具创造价值。

　　他举了一个例子，模具内部一般会有冷却的水路，如果需要制造的产品外形比较复杂，或者是曲面结构，传统模具的水路无法完整均匀分布，冷却时间便会增加；运用3D打印技术则可以制作复杂的水路，缩短冷却时间，并提升对模具温度的控制，所以在相同的单位时间中可以生产更多的注塑件，并提升注塑产品的质量。

　　模具领域也已经有所应用。据悉，GF集团旗下的GF加工方案通过与EOS合作，已将这一技术与传统加工技术集成到模具制造过程中，可以加工前所未有的设计镶件。

　　探索量产化

　　尽管3D打印已经在部分生产环节和产品上得以应用，但在从业者眼中，这显然只是个开始。各大3D打印制造商们都在积极推进该技术进入量产领域。

　　事实上，量产已经有了很好的先例，就是前述的GE发动机燃油喷嘴。据悉，这样的喷嘴，GE每年要生产3.5万-4万个。

　　与传统制造相比，3D打印产品难以量产主要有成本、效率和质量三个方面。目前阶段而言，成本的大幅下降并不现实。

　　3D打印的成本主要有三块：设备、材料和人力。其中，高端设备和原材料的价格都相对稳定，都暂未出现折价迹象，而在人力成本节省方面部分公司开始有一些自动化探索，但总体而言影响不大。

　　为了提高打印效率，Stratasys开发出了一套连续打印系统，可以基于云平台控制实现小批量打印，在不同时间地点，既可以打印一种零件，也可以打印多种零件。

　　此外，Stratasys目前还与部分合作伙伴共同开发了一种“无限打印”的概念型产品：”3D Demonstrator”，目前还未投入市场，仅在波音公司等合作伙伴内部使用，用于制作较大尺寸的工具和零件。

　　“传统3D打印是z轴打印，即从下往上一层一层增加，这款产品是在x轴打印，即横向打印，像传输机一样，可以一边打印一边输出，如此一来，尺寸的局限能够被克服。”翟莲子介绍。

　　不仅如此，这款设备还采取了精准的CNC运动控制，且打印系统速度提升了9倍，而材料方面也能实现高度的复合性。此外，它还克服了传统3D的“各向异性”特征，与传统的铸造材料一样，是各向同性，即在各个方向都有相同的性能，因此有望被用于工厂生产。

　　不过，这款机器和其他的工业级产品一样，成本很高，并非具备短期内大幅推向市场的条件。

　　而在目前相当有限产品应用领域，材料及产品的检验标准往往是落后一步的。以前述东航研发的3D打印指示牌为例，虽然一个晚上便能拿到成品，但是整个过程周期也不短：仅参照民航局要求找到适合3D打印的材料就花了一个月左右的时间。

　　Stratasys对此的应对是，在他们的航空内饰解决方案中，提前向FAA（美国联邦航空管理局）和EASA（欧洲航空安全局）申请了认证，此后，材料和打印流程便可以直接应用在产品中了。

　　尽管这种模式无疑会对制造商们带来更大的工作量，但这却是3D打印量产化推广中不得不做的一件事。而更大的挑战在于，很多行业没有专门的机构做这样的认证，如何取得制造厂商的信任便成为一个问题。

　　“我个人觉得，早期只可能会在一些不太关键的零部件上使用3D打印，相对来说它们还是比较脆的，不敢让它们受力。”2017世界3D打印年会现场一位知名制造商的研发人员表示。尽管市场方向并不十分明朗，但在批量生产领域布局的，不止Stratasys一家。

　　EOS方面表示，他们已经与Siemens PLM Software、SAP合作，将3D打印软件和产品生命周期管理软件（PLM）进行无缝集成，并提升了在制造执行系统（MES）和企业资源计划（ERP）系统中的整合，用户不仅可以在单一软件环境中高效地完成模型设计到3D打印流程的工作，还可以及时反馈部件的完成情况。

　　此外，他们还改进了监测系列解决方案，能够为提供金属3D打印的质量实时监测。“打印过程可视化之后，在制造阶段就对产品进行严格的监控，能大幅降低质控成本。”吴承轩表示。