当前位置: 首页 » 新闻资讯 » 技术前沿 » 正文

浅析3D打印技术应用的关键挑战

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-08-09  浏览次数:5700
核心提示:3D打印技术是一种增材制造技术,由ASTM定义为基于三维模型,通过材料的逐渐累积,通常是逐层堆积,来制造物件的技术。可以通过与传统制造业的减材制造对比来理解增材制造减材制造先由一块大料,然后通过切削或其他手段,最终留下所要的形状。与之相反,增材制造技术则先从液体或粉末等原材料出发,利用不同的能量源,将原
       3D打印技术是一种增材制造技术,由ASTM定义为“基于三维模型,通过材料的逐渐累积,通常是逐层堆积,来制造物件的技术”。

可以通过与传统制造业的减材制造对比来理解增材制造减材制造先由一块大料,然后通过切削或其他手段,最终留下所要的形状。与之相反,增材制造技术则先从液体或粉末等原材料出发,利用不同的能量源,将原材料逐层打印成三维实体。3D打印也是一种数字化成型技术,在三维软件完成设计建模之后,直接转化为实体,过程中不需要任何模具

最早成立的三家3D打印公司也是目前全球最大的三家3D打印技术的供应商。1984年美国人查尔斯·胡尔发明了 SLA,即光固化成型技术。胡尔在1986年成立了3DSystems公司。1988年美国人斯科特克伦普发明了FDM,即熔融沉积成型技术。他在第二年成立了Stratasys公司。1989年美国德克萨斯大学奥斯汀分校的CarlDechard发明了SLS,即选择性激光烧结技术。同年,德国EOS公司成立。

早期的3D打印局限于塑料打印。一个关键的技术转折点是在上世纪90年代中期,针对金属烧结或金属熔化技术的增材制造的出现。EOS在1995年推出了全球第一套商业化的金属3D打印设备,能够直接制造出金属件,使得3D打印技术的应用范围瞬间拓展。虽然当时可用的金属材料很少,但从那时起,3D打印技术开始慢慢拓展到不同行业。

对前沿技术比较感兴趣的行业,比如航空航天,最早开始尝试这项技术。比如波音认为这项技术可以打破一些传统加工的限制,实现更复杂的设计。由于飞机的零部件材料需要耐高温,波音当时投资了一笔资金,让我们研发适用材料。

这些年来,随着材料的多样化,打印速度、打印尺寸,精度等方面的提升,都在持续推动产业发展。现在看来,3D打印技术还在过渡中,没有做到真正的大批量生产。但把3D打印技术发展成为工业化生产的一种主要手段,是行业的一个目标。

值得注意的是,由于3D打印技术还比较新,对于不同级别的3D打印技术的区分还没有一个统一标准。一些市场调研有一些初步区分,比如按设备价值金额。有一份报告将设备分为三类,消费级、专业级和工业级,超过5万美金是工业级。但这样的区分仍然粗略,售价超过5万美金的设备中,产品跨度也很大。比如EOS的设备售价就超过5万美金10倍以上,金属机平均是500万元人民币,塑料机也有不同尺寸,售价在300万-800万元人民币之间。

航空航天、医疗、工业应用

3D打印技术的应用领域目前集中在七大方面。除了最早期的快速原型打印应用之外,随着技术不断发展,该技术已经进入了航空航天、医疗、工业、消费品、汽车以及模具,而且是用于打印最终部件或产品。另外科研领域也会用到这项技术做新材料或前沿应用的开发。

航空航天是应用比较快的一个行业,关键是由于其产业的特性,和目前3D打印技术所处的阶段有很多契合的方面航空航天产品对复杂度有先天的需求,产品没有汽车或手机那样的大规模生产,产品单价相对高,所以行业对成本相对不是很敏感。

我们在国内的客户中,航空航天业占25%的比重,集中在四大集团公司中航工业、中国航天科技(34.200, 0.33, 0.97%)集团、中国航天科工集团和发动机集团公司。从全球来讲,航空航天也占据至少1/4的市场。

另一个重要的应用领域就是医疗,主要在骨科和齿科两个领域,也有一些医疗设备的案例。医疗领域有很多3D打印应用不需要工业级3D打印就可以实现,比如一些协助医生在手术前做直观的术前模拟的模型。

工业级则面向附加值更高的医疗产品,例如骨科植入体,以及一些重要的医疗设备。我们最近看到的一个例子,医疗上常用的CT断层扫描设备,里面有一个零部件叫作格栅,这种网格状的零部件是比较关键的部件,作用是阻隔放射线,不让它大面积泄露,在使用中不辐射人体。格栅用传统的方式很难加工,每一片分别制作,然后再拼接起来。

格栅的结构对3D打印技术来讲轻而易举,但是它对材料有要求,必须是一种钨合金。钨的熔点是3000度以上,能量吸收率较低,属于典型的难熔金属。我们和客户合作开发了钨合金粉末烧结工艺,让这个应用变得可行。目前飞利浦已经完成开发,并申请了专利。

3D打印在工业的应用领域也很广。我们其中的一个关注领域是在工业自动化。一家工厂想要实现自动化升级,依靠机械手臂并不足够,过程中需要有很多配套的夹具、治具,去实现整个自动化的流水线。例如,很多行业都会用到的注塑成型这种传统加工方式中,注塑机完成注塑以后,传统模式是人工抓取,然后进行下一道工序。导入自动化之后,在注塑完成之后开模,机械手臂能完成自动夹取以及后续的动作。3D打印可以快速制作这些配套的夹治具,大幅提升自动化生产线的灵活性。

随着工业生产模式不断地朝向少量多样化趋势发展,充分的利用3D打印的特点可以让整个生产线快速灵活地响应变化,这是我们在工业领域最先关注的应用。自动化是智能制造和工业4.0很关键的手段之一,工厂要实现智能制造,自动化水平是很关键的基础。

挑战匹配需求

在把工业级3D打印技术推向用于大规模生产制造的过程中,如何有效地和我们服务的终端制造业达成需求匹配将成为我们的重要挑战。

企业关于引入增材制造的挑战通常是,特别是在开始阶段,它们仍然由传统制造工艺驱动。零部件一般以传统的思维设计,而这样的设计往往无法发挥3D打印的优势。因此,3D打印的价值无法被充分地体现。在这一点上,重要的是让企业放弃旧的设计思维。

我们也在思考怎样搭建桥梁,思考新的商业模式。传统的商业模式是卖设备,后面卖服务、卖材料,这是种比较传统的模式。我们意识到我们应该跳脱纯设备商的角色,更好地扮演咨询顾问的角色,协助我们的目标用户,完成从第一步的了解,进一步的探索,到应用的开发,然后实现用于批量生产,这样一个过程。

两年前,我们在德国组织了“增材思维”咨询服务部门,由来自不同专业背景的资深工程师组成团队,提供一些课程或者培训,针对不同阶段的客户,我们都能提供一些咨询服务。比如针对刚刚开始接触3D打印的用户,我们让他们在三天的培训课程中迅速地掌握3D打印的技术和特点。针对不了解如何把3D打印应用在自身行业的客户,咨询顾问到客户现场去了解用户的产品和生产过程,一起找出并开发适合利用3D打印的环节。这个团队的目的是更好地引导用户更好地去使用这个技术,搭建需求和技术之间的鸿沟。

过去这几年,我们看到越来越多的制造业都开始关注3D打印,关注怎么样能够更好地利用新的加工技术,来降低成本,提升产品附加值,或者缩短产品开发周期,得到更大的利润空间,不断提升自己在行业中的竞争力。

在一个3D打印的行业展会TCT亚洲展上,我们观察到一个明显的现象,过去几年中国的参展商越来越多,特别是工业级设备供应商,去年有五六家,今年有十余家。这是一个合理的现象,也说明大家对未来市场发展前景的看好。

WohlersAssociates2016年版的WohlersReport基于51家工业系统制造商、98家服务提供商、15家第三方材料厂商、各种3D打印机厂商以及来自全球33个国家的80多个打印专家所提供的信息,表示3D打印行业连续第二年增长达10亿美元,总市值已经接近51.65亿美元。相比2015年,2016年销售工业级增材制造系统的厂商要多出13家,该数量也是2011年的两倍有余。

3D打印,或者增材制造技术,实际上给制造业的全生命周期都将带来改变。除了设计和生产环节,我们这几年看到一些公司将这个技术应用到交付,也就是供应链环节。一个案例是奔驰的卡车,卡车由德国生产并出口到全世界,零配件怎么供应?传统方式是在德国统一生产,通过全球售后渠道,还要在当地贮存一定的零配件库存,才能就近服务当地的客户,这是集中式生产和管理。通过3D打印技术,世界上任何地方只要有3D打印的设备,就可以把零配件的生产和库存分散到全世界各地,节约运输成本,对客户的服务更及时,可以降低库存需求,因为库存对企业运营来讲是成本。当然最大的潜在应用是在生产过程中,因为这个阶段的使用量最大,可创造出的潜在价值也最大。

3D打印技术所具备的自由成型、快速制造、订制化及小批量生产等特点,对制造业带来的冲击曾被英国《经济学人》认为将“与其他数字化生产模式一起推动、实现第三次工业革命”。这项技术接下来的挑战就是做好实现大规模生产的准备。

 
关键词: 3D打印技术
 
[ 新闻资讯搜索 ]  [ 加入收藏 ]  [ 告诉好友 ]  [ 打印本文 ]  [ 违规举报 ]  [ 关闭窗口 ]

 
0条 [查看全部]  相关评论

 
推荐图文
推荐新闻资讯
点击排行
网站首页 | 关于我们| 联系方式| 免责声明| 版权隐私| 会员特权| 网站特色| 协会章程| seo| 网站地图| 排名推广 | 广告服务 | 网站留言 | RSS订阅 | 苏ICP备16022765号 |

苏公网安备 32058302001128号