3D打印应用领域与发展
核心提示:目前3D打印仍以工业级为主,但消费级呈爆发态势。近年来,3D打印在工业应用下游行业不断拓展,直接零部件制造的占比也逐年提高;个人消费市场虽起步较晚,但近年来呈现快速爆发趋势。据WohlersAssociates统计,3D打印技术的行业应用主要分布于消费电子、汽...
目前3D打印仍以工业级为主,但消费级呈爆发态势。近年来,3D打印在工业应用下游行业不断拓展,直接零部件制造的占比也逐年提高;个人消费市场虽起步较晚,但近年来呈现快速爆发趋势。据WohlersAssociates统计,3D打印技术的行业应用主要分布于消费电子、汽车、医疗、航空航天、建筑、科研等领域。
3D打印技术在消费电子产品开发上优势明显。3D打印技术在电子领域主要应用在产品模具和工具的设计制造以及微电路的封装制造两个方面。3D打印技术在样件设计制造上优势明显,省去模具制造的过程,可大幅提升研发速度,同时降低了研发失败的成本。举例来说,一传统的电子元件加工固定装置传统制造技术需要1个月左右的加工周期,而3D打印工艺仅需48小时,开发周期大大缩短。
3D打印技术未来在微电路的封装上有望逐渐应用。使用3D打印技术制造的铜线电路,由于电路整体的厚度很小,因此,加工时间较短,存在规模制造的可能性。未来3D打印技术有望实现多层电路一次成型的整合制造,速度优势会更加明显。以色列的Camtek公司致力于设计、开发和制造自动光学检测系统,在印制电路板领域也处于领先地位。近来,公司宣称其正在研制的商用电子电路板3D打印机已经接近完成,很可能在2014年年初就投入市场。
3D打印适用于汽车设计制造的原型制造和模具开发等环节。现阶段,3D打印技术在汽车行业的应用主要在三个方面:1)提高产品设计的速度和性能:包括用于功能性测试的样件生产,以及生产过程中应用模具的开发制造;2)在维修环节的零部件直接制造;3)个性化和概念汽车部件的直接制造。在汽车部件的直接制造方面,未来可能较快发展起来的是汽车维修和零部件更换。
LocalMotors是一家基于网站社区平台建立的汽车制造企业。LocalMotors主要面向个性化的小众汽车市场,公司定下的销售上限是每种车型的销售量不会超过2000辆。公司运行方式类似于Shapeways和Kickstarter网站,成品开发完成后会在网上发布,并接受预订,购买者可以更改部分细节以满足自身的个性需求。公司开发并销售的RallyFighter车型,售价75000美元。开发时间仅18个月,开发成本300万美元,远低于传统汽车制造企业。
图2:使用FDM工艺制造的汽车引擎
3D打印技术在航空航天领域空间极大。3D打印技术可主要应用包括:1)无人飞行器的结构件加工;2)生产一些的特殊的加工、组装工具;3)涡轮叶片、挡风窗体框架、旋流器等零部件的加工。波音(Boeing)公司是率先将3D打印技术应用于飞机设计和制造领域国际航空制造公司。2012年一季度,波音公司使用3D打印技术制造的零部件约200件。通用电气(GE)公司前期收购了MorriesTechnologies等3D打印公司,其宣称从2016年起,将开始生产第一个增材组件—燃油喷嘴。西门子(Siemens)宣布从2014年1月起将在发电和维修部门运用三维打印生产备件和汽油涡轮。
目前的传统工业生产模式,一个产品的制作需要偌大的厂房、众多的机器、大量专业的设计与加工技术人员才能实现。传统制造由于专用装备、生产辅具等投资成本原因,产品样式有限,供客户选择的空间很小。
而3D打印技术的推广与普及将使产品个性化成为可能,并带来生产的组织模式随之变化,用户可以自己设计产品或者根据自己的喜好从云端下载所需要的产品,选择它的设计结构或对外型加以改观设计,利用提供3D打印制造的工厂加工出符合需求的产品,使得产品满足个性需求。3D打印的应用使得云制造成为可能,消费者可以将需求直接转化为产品,在个性化日常用品和玩具、工艺品等领域具有广泛应用潜力。
利用3D打印实现云制造已经有非常成功的商业案例,美国Shapeways公司成立于2007年,公司位于纽约的“未来工厂”拥有50台工业级3D打印机,通过Facebook和Twitter等社会媒体,接受客户的各种产品的三维设计方案,并在数天内完成产品的打印生产,然后寄送给客户。Shapeways已经生产了超过100万款3D打印产品,总产量超过60亿件。
2014年6月国内公司金运激光推出了3D打印“金运云工厂”,开拓3D打印消费应用市场
由于人体的个性化极强,而3D打印的优势就在于小批量个性化制造,两者之间天然契合。此外,医疗上价格承受能力通常较强,这也解决了3D打印制造成本通常较高的问题。目前3D打印在牙科领域、个性化助听器制造、移植钛合金骨骼等都已经有非常成功应用。
在3D打印应用之前,如果有人因交通事故需要更换钛合金的人造骨骼,传统上只有少数几种型号骨骼,现在可以按照CT扫描数据建立3D原型,利用3D打印机可直接打印出完全匹配患者需求的人造骨骼。根据WohlersAssociates资料,在欧洲已经有超过3万例手术在病人体内植入3D打印制造的钛合金骨头。在牙科领域,3D打印也有广泛的应用种植牙和矫正牙套的制造,每年全球有数十万的患者使用3D打印制造的个性化牙套来矫正牙齿。此外,目前90%以上的助听器外壳通过3D打印技术制造。
此外,3D打印在辅助手术上应用潜力也很大。辅助手术:通过CT机扫描犯病位臵组织特征,然后通过3D打印机打印出仿真的犯病肌体,医生通过在仿真肌体事先练习手术,从而提高真实手术的速度和成功率。
未来随着技术进一步发展,可能利用3D打印技术直接打印活体细胞组织,生长出符合个体需求的人工器官,实现人工器官的再造与再生。
3D打印技术是典型的颠覆性技术。哈佛商学院教授克莱顿〃克里斯坦森提出的颠覆式创新理论表明,新进入者如果抓住市场的特殊需求,进入边缘应用领域,当它的技术不断改进直至被主流市场接受时,便会替代传统技术轨迹晋升为主流技术。目前,3D打印技术的应用被局限于利基市场(高度专门化的需求市场)和细分市场。但从长期来看,3D打印技术可能是颠覆性技术。
3D打印已经被发现和未被发现的潜在应用领域远远大于目前已经成熟的应用,技术进步使很多原来没有被发现的需求变为可能,而这可能远远大于目前已知和能想到的应用。
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