3D打印的市場與技術(shù)挑戰(zhàn)

作者 / 迎九 《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：本文探討了3D打印的優(yōu)勢、帶來的新的商業(yè)模式，市場預(yù)測、目前所面臨的技術(shù)與商業(yè)挑戰(zhàn)等。

3D打印的優(yōu)勢和特點(diǎn)

　　3D打印改變了傳統(tǒng)格局。首先提升了設(shè)計(jì)和幾何的自由性，可以做出更有個(gè)性化的產(chǎn)品，可減少生產(chǎn)中的材料消耗、減輕重量和減少開模。

　　3D打印也開啟了全新的商業(yè)模式，如圖1，過去是供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)提供原材料，之后在集中的制造場所制造，再由分銷網(wǎng)絡(luò)分發(fā)到各個(gè)客戶。而新方式是通過電腦設(shè)計(jì)，通過網(wǎng)絡(luò)/云分發(fā)到本地的制造場所去打印，然后分發(fā)給各個(gè)客戶。

　　3D打印也帶來了生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)的改變。如圖3，傳統(tǒng)是規(guī)模經(jīng)濟(jì)(即數(shù)量越大，成本越低)，在應(yīng)用3D打印機(jī)后是范圍經(jīng)濟(jì)(即復(fù)雜度越高，生產(chǎn)成本越高)。

市場：2017年制造工具超過原型制作

　　據(jù)麥肯錫公司預(yù)測，到2025年，3D打印將對2300~5500億美元的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生影響。

　　3D打印有三種應(yīng)用形態(tài)/發(fā)展階段——原型制作、工具(模具)制造、最終零件的生產(chǎn)，趨勢圖如圖4。據(jù)3D打印機(jī)公司Stratasys測算，2017年將迎來第一個(gè)拐點(diǎn)：即制造工具將超過原型制作。這個(gè)拐點(diǎn)也是最終零件生產(chǎn)應(yīng)用起飛的前夜，從2018年開始，3D打印在最終零件生產(chǎn)的應(yīng)用將快速增長。到2019年前后，有望迎來第二個(gè)拐點(diǎn)，即3D打印在最終零件生產(chǎn)的應(yīng)用超過工具制作的應(yīng)用。

　　零部件市場的規(guī)模比工具制作大若干倍。因此，3D打印在最終使用零件的應(yīng)用一旦爆發(fā)，其市場將會突然加速。如果第一個(gè)拐點(diǎn)的到來花了三年多時(shí)間，那么第二個(gè)拐點(diǎn)的到來只需要一年左右的時(shí)間。

　　多家市場研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)佐證了Stratasys公司的上述判斷。2017年4月，市場研究機(jī)構(gòu)MarketsandMarkets發(fā)布了關(guān)于全球3D打印市場的最新報(bào)告，預(yù)測2017年至2023年間的年復(fù)合增長率為25.76%，到2023年，3D打印市場預(yù)計(jì)將達(dá)到3278億美元。

　　Gartner預(yù)測，未來5~10年，3D打印將給人們帶來完全不同的世界。到2020年，10%的工業(yè)運(yùn)營商會將機(jī)器人、3D打印技術(shù)整合到制造業(yè)流程中;在醫(yī)療領(lǐng)域，30%的內(nèi)部醫(yī)療植入物和設(shè)備將是3D打印的;此外，產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間將因3D打印而減少25%，全球75%的制造業(yè)務(wù)將整合3D打印工具、夾具用于生產(chǎn)成品。

　　在2017年7月，Gartner發(fā)布了《3D打印的技術(shù)成熟度曲線》，如圖5。該曲線是Gartner的一個(gè)分析工具，是新技術(shù)、新概念在媒體上的曝光度隨時(shí)間的變化曲線，一般分為5個(gè)階段，分別是早期的快速發(fā)展期(Technology Trigger)、過高期望的峰頂(Peak of Inflated Expectations)、泡沫化的底谷期(Trough of Disillusionment)、穩(wěn)步爬升期(Slope of Enlightenment)和穩(wěn)定生產(chǎn)期(Plateau of Productivity)。

　　Gartner認(rèn)為，當(dāng)一項(xiàng)技術(shù)達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)期，它成為主流的時(shí)間將不多于兩年。一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)入穩(wěn)步爬升期，它在未來二到五年內(nèi)將進(jìn)入主流應(yīng)用。Gartner技術(shù)成熟度曲線顯示，3D打印聽力設(shè)備、3D打印原型的技術(shù)跨越穩(wěn)定生產(chǎn)期已經(jīng)有一定時(shí)間。3D打印電子產(chǎn)品和纖維、3D打印牙科設(shè)備、粘合劑噴射、材料噴射、汽車業(yè)中的3D打印、企業(yè)3D打印、材料擠出、3D掃描儀、3D打印創(chuàng)建軟件、3D打印服務(wù)等應(yīng)用都在排隊(duì)進(jìn)入主流。

　　在中國，這幾年做3D桌面機(jī)的企業(yè)熱情高漲。桌面級主要用于教育市場，一般采用PLA(聚乳酸)材料，材料價(jià)格較為低廉。小孩子可以設(shè)計(jì)小軟件/小東西，能夠打印出來，以激發(fā)他們的設(shè)計(jì)興趣。

　　但是工業(yè)級完全不一樣，工業(yè)級要求多種工程性材料，而且穩(wěn)定性、精確性等較高，與教育類屬于完全兩個(gè)不同的領(lǐng)域。北美是工業(yè)級最成熟的市場，比國內(nèi)早十年，因而北美應(yīng)用的寬度和深度也比國內(nèi)早很多。但是中國市場的發(fā)展速度較快。在中國，汽車、航空航天、消費(fèi)電子、醫(yī)療等是3D打印企業(yè)的目標(biāo)市場 。

　　由圖6可見，在2017年上半年的3D打印市場，Stratasys公司位居第一，且與第二名差距較大。Stratasys等主要做非金屬材料打印，而GE Additive、SLM Solutions等主做金屬材料打印。

3D打印的第二、三階段挑戰(zhàn)

　　不久前，Stratasys大中華區(qū)總經(jīng)理翟蓮子在北京“Stratasys 3D打印高峰論壇”上向電子產(chǎn)品世界的記者介紹了3D打印趨勢。

　　目前如圖4所示的第三階段應(yīng)用，即直接打印出來的材料可用在最終的產(chǎn)品上，例如水杯架、報(bào)紙架、馬桶圈、格柵架等。因?yàn)樗鼈兎浅兄?，而且也沒有特殊的力學(xué)、化學(xué)/耐腐蝕性的要求，只是最普通的易耗品，非常適合采用3D打印。

　　但現(xiàn)階段的3D打印應(yīng)用主要是原型，包括概念原型和功能原型。第二個(gè)階段是打印工具，例如一些定制的非標(biāo)工裝夾具，這種應(yīng)用已經(jīng)開發(fā)，在汽車廠已有很多應(yīng)用。例如用于貼汽車標(biāo)牌的貼標(biāo)機(jī)(如圖7)。傳統(tǒng)的工藝是用金屬做，因?yàn)閷儆跈C(jī)械加工，即一塊鋼板或者一塊鋁板，然后加上兩個(gè)手柄。但是很重，工人拿這種工具一天貼數(shù)百個(gè)標(biāo)，會很累。另外也不符合人體工程學(xué)，再有需要較多的零部件，如果貼標(biāo)機(jī)壞了，需要很多零件組裝起來。

　　這種貼標(biāo)機(jī)就可以用3D打印。經(jīng)過重新設(shè)計(jì)后，中間部分被挖空。例如原來是一塊鋼板，把它挖空了以后，還要做掏空后處理。而3D打印時(shí)，把中間不承重的地方全都掏空。另外貼標(biāo)機(jī)的手柄可以是有弧度的，這樣握起來會更舒服。且手柄原來是鋁管加工而成，非常重，現(xiàn)在是打印塑料。據(jù)測算，通過3D打印機(jī)一次性把貼標(biāo)機(jī)打印出來以后，比原來輕75%。這不僅降低了工人的工作強(qiáng)度，還降低了成本。

　　第三個(gè)階段是批量生產(chǎn)的階段，挑戰(zhàn)很多。

　　第一，材料。材料的多樣性和功能性是否可以滿足最終的材料要求?例如打印一把皮革座椅，是不是可以用3D打印的方式直接打印出來皮革紋路，且坐上去很舒服?另外，座椅要求有很高的耐沖擊性，因此工程材料要耐沖擊。

　　總地來看，3D打印材料還需要耐高溫或抗嚴(yán)寒，或者是超高強(qiáng)度、超高韌性、抗沖擊性、耐腐蝕等。目前金屬和非金屬打印材料都很有限。所以材料科學(xué)的發(fā)展，目前還是3D打印里發(fā)展的一個(gè)主要領(lǐng)域。

　　第二是成本能讓人用得起。

　　第三是設(shè)計(jì)。這也是在中國的較大挑戰(zhàn)，我國設(shè)計(jì)人才還較為欠缺。例如貼標(biāo)機(jī)，圖7的產(chǎn)品是重新設(shè)計(jì)出來的，并不是依照原有的貼標(biāo)機(jī)重新用塑料打印出來的，需要做很多改觀設(shè)計(jì)，例如鏤空、增加加強(qiáng)筋、重新優(yōu)化弧度等。這類設(shè)計(jì)雖然不難，但是觀念的轉(zhuǎn)變是很難的，因?yàn)楹芏嘣诋a(chǎn)線上的工程師不一定有使用3D打印的觀念。但預(yù)計(jì)再經(jīng)過一二十年，這個(gè)挑戰(zhàn)會被解決，因?yàn)楝F(xiàn)在我國職業(yè)學(xué)校、高中、大學(xué)里開展了專門的3D打印課，除了有設(shè)備、材料的介紹，還有軟件的設(shè)計(jì)。

　　第四是打印的可重復(fù)性。機(jī)械制造的一個(gè)最大優(yōu)勢是可大批次生產(chǎn)，每個(gè)批次之間的公差精度控制得非常好。但是增材制造關(guān)注的是單個(gè)級別的制造，打印出來的每個(gè)批次之間的誤差和精度會差得比較大，與機(jī)械制造不在一個(gè)數(shù)量級。

3D打印的未來方向?

　　關(guān)于上文提到的幾大挑戰(zhàn)：材料、3D軟件的設(shè)計(jì)、打印的可重復(fù)性等，Stratasys都做了一些布局。例如材料，其中一個(gè)挑戰(zhàn)是材料性能還不夠高，另外是材料成本貴。Stratasys會在2018年年中推出兩款為中國用戶量身定制的新材料，使材料成本降下來。