客观对待3D打手艺,预测3D打字与印刷的十大趋势

来源:http://www.cf-weituo.com 作者:彩世界注册 人气:107 发布时间:2019-09-05
摘要:自从3D打印技术出现以来,就引起了人们的关注,甚至有人称其会引发第三次工业革命,对其似乎无所不能的强大功能赞不绝口。但是Autodesk公司主席兼总裁卡尔•巴斯却对3D打印的热潮

自从3D打印技术出现以来,就引起了人们的关注,甚至有人称其会引发第三次工业革命,对其似乎无所不能的强大功能赞不绝口。但是Autodesk公司主席兼总裁卡尔•巴斯却对3D打印的热潮进行了冷思考。

①桌面级市场已陷入“红海”,掘金工业级正当时;②金属3D打印领域快速发展,应用端空间渐打开;③3D打印产业化还需时日,“增”“减”制造长期共存;④产品生产方式加速变革,“整”“分”制造携手共进……

近,不论是VC巨额投资3D打印创业公司还是消费者市场3D打印机大量铺货,这些事件都表明3D打印已经到达了其转折点。也许,是达到了“炒作点”。

20世纪80年代后期,3D打印网的横空出世,开启了增材制造新时代。近年来,借着新一轮科技革命和产业变革的东风,3D打印步入快速发展期。世界各国纷纷将其作为未来产业发展新的增长点加以培育,如2012年美国将“增材制造技术”确定为首个制造业创新中心(后更名为“美国制造”),欧盟、日本、韩国、新加坡、俄罗斯、南非、印度等国也通过各种措施推进3D打印产业发展。

3D打印技术已经有数十年的历史,但是一直没有多大进展,直到现在,围绕3D打印的生态环境才取得了巨大的进步,使3D打印从边缘行业成为主流行业。有人问我如何以内行人的观点来看待3D打印的炒作和现实以及3D打印的未来,所以就有了这篇文章。

我国的3D打印技术与世界先进水平基本同步,但产业化仍处于起步阶段。未来,3D打印将朝着速度更快、精度更高、性能更优、质量更可靠的方向发展,成为一股强大的科技力量。

3D打印机不会威胁到任何其他制造技术

趋势一:桌面级市场已陷入“红海”,掘金工业级正当时

3D打印确确实实一项非常重要的制造技术,因为它所具有的强大能力能将任何无法想象的复杂物体变成现实。其他制造工艺经历了几十年的工业化发展,无法在工艺复杂程度上超越3D打印。实际上,3D打印依旧是一项不成熟的技术。

近几年,桌面3D打印机“叫好又叫座”,销量呈现大幅增长,而工业级3D打印机则略显惨淡。根据大数据公司CONTEXT的数据,2015年全球桌面3D打印机销量增长了33%,工业级3D打印机则下降了9%;2016年上半年全球桌面3D打印机同比增加15%,工业级3D打印机却减少15%。桌面3D打印机门槛低、设计简单,是企业进军3D打印领域的较好入口。但经过多年的发展,桌面级市场竞争已近“白热化”,加之利润小、精度低、实用性不佳,天花板效应明显。

在3D打印出现之前,从来没有一项技术能像3D打印一样能在没有技术和设备支持的时候将人们的想法随心所欲地变成实实在在物体。就像微波炉没有取代厨房里的其他厨具一样,3D打印不会因为任何理由而取代任何已经在制造业具有一定规模的技术。3D打印的主要任务就是完善其他制造技术。

而工业级市场契合了智能制造的理念,可广泛运用于汽车、航空航天、机械工业、医疗等市场需求大、发展潜力大的领域,随着技术的逐渐成熟和成本的不断降低,将会爆发出难以想象的巨大能量。

实际上,3D打印依旧是一项不成熟的技术。我们花了这么长的时间在3D打印身上建立了那么眩目的光环,吹起来几乎堪比星球大战,但实际上只要用上一段时间,人们就会发现许多问题,比如说打印速度太慢,希望能打印更高质量的物体,打印材料便宜等等。

2015年底,全球3D打印巨头3D Systems公司宣布停产消费级桌面3D打印机,转向更赚钱的专业级和工业级市场;2016年初,国内3D打印技术大咖西通电子在珠海宣布全面进军工业级3D打印领域。

“摩尔定律”不适用于3D打印

趋势二:金属3D打印领域快速发展,应用端空间渐打开

根据媒体的宣传,我们可以看到现在的3D打印机可以打印:缺少的组件、鞋子、身体器官、乐器,甚至是手枪,但有一个非常重要的事实需要面对:3D打印不怕物体复杂,就怕批量打印。

金属3D打印被称为“3D打印王冠上的明珠”,是门槛最高、前景最好、最前沿的技术之一。

不同于摩尔定律中“翻一倍”是以平方级指数增长,3D打印无论是成本、耗时、耗材都是次方级指数增长。

同样来自CONTEXT发布的数据,2015年全球金属3D打印机销量增长了35%,2016年上半年同比增长17%,可以说是工业级3D打印领域逆势上涨的一朵“奇葩”。在汽车制造、航空航天等高精尖领域,有些零部件形状复杂、价格昂贵,传统铸造锻造工艺生产不出来或损耗较大,而金属3D打印则能快速制造出满足要求、重量较轻的产品。

为什么说摩尔定律无法用在3D打印上?因为如果你要把一个打印的物体扩大一倍的话,那么打印它的时间、耗材将增加8倍,即2cmx2cmx2cm=8cm^3。如果要把这个物体扩大3倍,那么打印它的时间、耗材将暴增27倍!即3cmx3cmx3cm=27cm^3。以此类推。

2015年11月,奥迪公司使用金属3D打印技术按照1:2的比例制造出了AutoUnion(奥迪前身)在1936年推出的C版赛车的所有金属部件;2016年9月,GE斥资14亿美元收购了瑞典Arcam公司和德国SLMSolutions集团两大金属3D打印巨头,加快布局3D打印航空发动机零部件业务。此外,医疗器械、核电、造船等领域对金属3D打印的需求也十分旺盛,应用端市场正逐渐打开。

3D打印的生态环境增在发生变化

趋势三:3D打印产业化还需时日,“增”“减”制造长期共存

上面提到的限制为“3D打印的次方定律”,也就是说即使3D打印不再受到物体复杂程度的限制,也会因为打印速度和成本以3的n次方的增长而终失败。

3D打印采用增材制造技术,是对以“减材制造”、“等材制造”为基础的传统制造业的创新与挑战,但并不是非此即彼的关系,而是并存互补的关系。

然而打印速度和成本这两个看似不能改变的事实正在发生变化,因为越来越多的企业和个人开始解决3D打印机的使用限制问题,3D打印机的打印速度和质量都开始提高。

从历史看,传统制造业经过了几千年的积累和发展,技术、工艺、材料等已经非常成熟,而3D打印则是一个新生事物,只有30多年的发展历程,在速度、精度、强度等方面还有诸多限制。

现在市面上比较流行的3D打印机的体积都不超过烤箱那么大,用户从开源社区下载3D模型图纸,再利用热塑塑料直接打印。比如说平民级的MakerBot3D打印机,以及工业级的Stratasys和EOS大型3D打印机等。

从现状看,当前3D打印市场份额十分有限,专业咨询机构Wohlers Associates发布的数据显示,2015年全球3D打印市场规模为51.65亿美元,至2020年将达到212亿美元,而这与数十万亿美元的制造业市场相比,还微乎其微。

3D打印生态环境不仅仅包括打印机,3D打印软件也开始成为促进3D打印进步的重要力量,越来越强大,越来越亲民。3D打印软件使3D打印平民化,就如同个人电脑让计算机平民化一样。

相比传统制造,3D打印研发周期更短、用料更省,在小批量、个性化定制等方面优势明显,但在大规模生产方面存在着许多不足之处。增材制造虽然不能完全替代减材制造、等材制造,但作为传统制造技术的有益补充,3D打印将极大地推动制造业的转型升级。

3D打印需要更好的商业模式

趋势四:产品生产方式加速变革,“整”“分”制造携手共进

适合进行3D打印的材料越来越多、质量越来越好,3D打印的产出规模也越来越大,一些大型的工业打印机已经可以打印金属、橡胶甚至是陶瓷。

3D打印是工业4.0时代最具发展前景的先进制造技术之一,它从两个方面改变了产品的生产方式:

然而业界评论经常锁定在3D打印材料的局限性上,常常忽视了另外一个重要的因素:成本。

一方面,传统制造业以“全球采购、分工协作”为主要特征,产品的不同部件往往在不同的地方进行生产,再运到同一地方进行组装。而3D打印则是“整体制造、一次成型”,省去了物流环节,节约了时间和成本。

3D打印机的寿命一般是按照它所打印的材料的长度来计算的,超过一定的长度之后就会报废,有点类似于喷墨打印机的墨盒。不同的打印材料的成本可能相差100倍。所以我个人认为可以围绕3D打印材料开展全新的商业模式,而且这种模式必须能提高3D打印技术的使用范围和市场普及度。

另一方面,传统制造业以生产线为核心、以工厂为主要载体,生产设备高度集中。而3D打印则体现了以大数据、云计算、物联网、移动互联网为代表的新一代信息技术与制造业的融合,生产设备分散在各地,实现了分布式制造,从而省去了仓储环节。

重要的研究方向

“整体制造”和“分布式制造”在字义上看似矛盾,在3D打印技术上则实现了统一,前者强调生产过程,后者强调生产行为,共同推动着产品生产方式的变革。

似乎随时随地都有新的3D打印应用的消息,很难说这些应用的共同之处以及关注点。因为新闻不断告诉我们3D打印今天可以打印一个新的不见,明天打印身体器官,后天甚至能造出一栋房子来,大后天可以去月亮上打印。

趋势五:成型尺寸向两边延伸,“大”“小”产品颠覆想象

3D打印次方定律告诉我们:用3D打印机打印东西时的成本和耗时都已是次方级增长。

随着3D打印应用领域的扩展,产品成型尺寸正走向两个极端:

我认为有以下两个重要领域可以关注:1、打印电子产品,使物体具有逻辑和功能。2、生物打印,这或许是3D打印振奋人心的应用领域之一。美国维克森林大学的研究人员已经成功地利用3D打印技术打印并移植人体尿道。圣地亚哥Organovo公司也成功打印出人体组织,可以用于医疗研究和临床治疗。CraigVenter和CambrianGenomics两家公司则在利用3D打印技术打印DNA!没错,以此可以打印一个碱基对。

一方面往“大”处跨,从小饰品、鞋子、家具到建筑,尺寸不断被刷新,特别是汽车制造、航空航天等领域对大尺寸精密构件的需求较大,如2016年珠海航展上西安铂力特公司展示的一款3D打印航空发动机中空叶片,总高度达933mm;

3D打印的另外一个重要发展领域就是建筑规模级别的3D打印。例如,加州大学伯克利分校的研究人员开始使用低成本的环保材料,南加州大学的研究人员则开始实验打印完整体积的建筑物。

另一方面向“小”处走,可达到微米纳米水平,在强度硬度不变的情况下,大大减轻产品的体积和重量,如哈佛大学和伊利诺伊大学的研究员3D打印出比沙粒还小的纳米级锂电池,其能够提供的能量却不少于一块普通的手机电池。未来,3D打印的成型尺寸将不断延伸,从大的不可思议到小的瞠目结舌,“只有想不到的,没有做不到的”。

欧洲太空总署与福斯特事务所合作开发月球3D打印机,他们设想将3D打印机送上月球,利用月球上的材料进行打印。此举或许可以解决3D打印材料的缺陷问题。有的研究人员则开始尝试使用可再生材料,未来或许可以完全再生材料打印,重复回收打印。

趋势六:材料瓶颈待攻克,“质”“量”趋升“价”趋降

从设想到限量生产

“巧妇难为无米之炊”。3D打印材料是3D打印技术发展不可或缺的物质基础,也是当前制约3D打印产业化的关键因素。近年来,随着3D打印需求的增加,3D打印材料种类得到了迅速拓展,主要包括高分子材料、金属材料、无机非金属材料等三大类。但与传统材料相比,3D打印材料种类依然偏少。

3D打印和其他技术的出现改变了传统工业大规模生产的魔咒。从此,我们不再需要批量生产来降低成本,只需要利用3D打印机就可以小规模生产,而且保证成本和质量。

以金属3D打印为例,可用材料仅有不锈钢、钛合金、铝合金等为数不多的几种。另外,3D打印对材料的形态也有着严格的要求,一般为粉末状、丝状、液体状等,相比普通材料价格比较昂贵,根本无法满足个人与工业化生产的需要。足够多“买得起”的材料才能为技术的发展提供足够多的选择空间、为应用的扩展提供足够多的想象空间。

现在出现了一股3D打印可以用于小规模生产的潮流,然而我并不希望看到3D打印取代传统的低成本生产方式。

未来,3D打印材料将成为研究开发的焦点、资本涌入的风口,材料种类、形态将得到进一步拓展,价格下降可期,精度、强度、稳定性、安全性也更加有保障。

3D打印这种对成本非常敏感的商业模式只要有一点小的细分动向就会被破坏,这也是单一功能所带来的弊端。

趋势七:“黑科技”闯进医疗界,手术可“排练”、治疗更精准

以美国在线打印Kinko为例,它并没有取代桌面打印机和印刷厂的,不过依旧在打印领域占到了一席之地。在3D打印领域,Shapeways等公司也提供类似于Kinko的服务,帮助用户设计、打印。

3D打印的“个性化定制”与医疗行业的“对症下药”有着天然的契合性,二者的结合主要体现在四个方面:

3D打印这种对成本非常敏感的商业模式只要有一点小的细分动向就会被破坏,这也是单一功能所带来的弊端。所以对于企业来说,并非个进入的就是受益的,而是拥有多用户、活跃社区的企业才受益,这也许是3D打印区别于其他行业的重要因素。

一是术前演练,利用3D打印技术还原出病患部位模型,让医生更直观地了解病理结构,增加了手术的成功率;

不同于工业级大批量生产的方式,我希望3D打印的发展轨迹从打印低产量、高价值的物体开始,比如说医用假体、定制珠宝等。绝大多数3D打印机将像喷墨打印机一样走进普通家庭。当年的业余歌手们“自唱、自录、自调、自刻盘”成为数字音乐的领军力量,不久的将来,3D打印也将一场“拍照、修改、打印”的潮流。

二是医疗器械,包括助听器、护具、假肢等外部设备以及关节、软骨、支架等内植物;

3D打印无法拯救发达国家的制造业

三是“量身”制药,根据患者的生理特点、具体需要调配药物,提高了药物的有效性;

那么3D打印能否让发达国家的制造业重获新生?

四是生物打印,用人造血管、心脏、神经、皮肤等来修复、替代和重建病损组织和器官。(蓝光英诺12晕11日上午对外公布,3D生物打印血管成功植入恒河猴体内,实现血管再生)

也许可以,也许不能。也许3D打印可以增加国内制造业产量,但是却无法增加就业。3D打印机制造企业已经朝着自主设计、自主制造的方向发展,所需要的也是具备更别能力的人才,传统制造业工人无法进入此行业。

尽管3D打印在医疗领域的应用还面临着材料、成本、精度、标准等制约,市场规模也较小,但考虑到医疗领域巨大的需求潜力与极小的需求弹性,3D打印在医疗领域的应用将不断扩展,在实施更为精准的诊疗方案、提供更为充足的移植器官等方面大显身手。

计算机在3D打印领域也处于一个非常尴尬的地位,在Kickstarter上,有一个名为3Doodler的3D打印笔,它不需要计算机的支持就可以画出物体来。虽然说3D打印一直都在关注硬件,但是不可能没有微处理器和软件的支持,未来可能不需要设备外软件和硬件的支持。

趋势八:3D打印牵手云制造,有商业影响力的平台不断涌现

(本文作者卡尔•巴斯为Autodesk公司主席兼总裁,他于1993年创立Autodesk公司。目前Autodesk是3D设计、引擎和娱乐软件行业的重要标杆。)

全球已经进入了高度的信息化时代,互联网作为信息化的重要工具正在重新定义各行各业。3D打印设备尚未普及,技术使用也不“傻瓜”,没有设备、没有技术的普通人该怎样实现自己的设计想法呢。

成立于2008年的Shapeways公司搭建了一个基于互联网的3D打印平台,担当起服务供应商和需求用户之间的“红娘”,解决了用户的这个“痛点”。

如今,MakeXYZ、3DLt、3DHubs、先临三维、光韵达、魔猴网等也做着类似的事情,南京壹千零壹号自动化科技公司的“1001号云制造平台”还入选2016年中国“互联网+”在工业应用领域十大新锐案例之首。

“互联网+3D打印”开拓了一种全新的商业模式——“云打印”,并将共享经济的思维引进来,闲置的3D打印机得到了有效使用,客户也能选择称心如意的设备和供应商。

趋势九:混合打印创造更多可能,功能材质色彩也“混搭”

随着3D打印技术的发展,人们对3D打印机的期望越来越高,早已不满足于单一功能、单一材质、单一色彩等。

未来,3D打印机可实现3D打印技术与传统数控机床技术(或不同3D打印技术)的自由切换,实用性将变得更强;3D打印机的“口粮”更加丰富,金属、塑料、橡胶等多种材料(或不同属性的材料)的混合使用,将加工出结构更为复杂的产品;打印出的产品也会五彩缤纷。

如日本研发出的一款五轴混合3D打印机(由3D打印机与数控铣床混合而成),能够在现有工业级5轴控制技术的基础上连续进行挤出式3D打印和铣削作业;MIT研发的MultiFab3D打印机能同时处理包括晶状体、纺织物、光纤等10种材料;加拿大的ORDSolutions公司推出的一款3D打印机,可以使用五种不同颜色的线材打印出多彩作品。

趋势十:我国3D打印起步早发展慢,产学研协同是突破口

在3DSystems、Stratasys、先临三维等行业巨头纷纷跑马圈地之时,哈佛大学Wyss研究所、加利福尼亚大学劳伦斯?利弗莫尔实验室(LLNL)、卡内基梅隆大学AdamW.Feinberg研究团队等科研机构凭借其雄厚的研发实力也不断实现技术突破。

我国3D打印的研究起步于20世纪90年代,发端于高校,如今已形成清华大学颜永年团队、北京航空航天大学王华明团队、西安交通大学卢秉恒团队、华中科技大学史玉升研究团队和西北工业大学黄卫东团队等骨干科研力量,论文和申请专利的数量处于世界第二位。

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