探索中國3D打印工業領域應用市場

2014-12-02 01:35:42金屬加工盧燕明

金屬加工(冷加工) 2014年21期

《金屬加工》記者盧燕明

3D打印技術作為具有前沿性、先導性的新興技術，正在使傳統生產方式和生產工藝發生深刻變革。3D打印技術將以其革命性的“制造靈活性”和“大幅節省原材料”在制造業掀起一場革命。3D打印技術在工業領域的應用，重點是解決傳統制造技術無法解決的高難度、復雜的、個性化設計制造的難題。

中國3D打印技術正處在推廣期，如果沒有成熟的商業模式引領，對大多數用戶來說，只能是霧里看花。未來全球3D打印技術之爭，關鍵是應用市場，誰的應用市場最先打開，誰將跑在產業化的最前面。

本文通過杭州先臨三維公司、上海光韻達三維科技有限公司和精唯信誠（北京）科技有限公司目前在3D打印市場上的表現，分別從不同的層面和角度，就如何打開中國3D打印工業領域應用市場提出見解。

杭州先臨：3D打印如何為工業制造領域的客戶所用

杭州先臨三維公司現有成員200余人，成立10年，我們一直專注于三維數字化及3D打印技術兩項核心技術的研究與應用，持續推動兩項技術的融合創新，目前，該技術和產品已成功應用于工業制造、生物醫療、文化創意和教育科研等領域，產品遠銷歐美、東南亞、南非、拉美和澳洲等60多個國家和地區，2013年銷售近1億元。目前，公司是中國3D打印技術產業聯盟副理事長單位、浙江省3D打印產業聯盟理事長單位和國家光學三維測量系統行業標準第一起草單位，逐步奠定了行業領先地位。

公司自成立之日，始終堅持“為客戶創造價值”的目標，既提供三維掃描及3D打印裝備，也提供專業的三維掃描、設計及3D打印服務，為客戶提供裝備及服務一體化綜合解決方案，以滿足客戶不同階段需求。

公司工業制造領域的客戶主要為工業科研院所及汽車制造、航空航天、機械裝備、電子電器、能源石化及日用消費品等行業企業；生物醫療領域客戶包括醫療機構、醫療科研院所及醫療器械、醫藥及醫療輔具（如義齒、助聽器和假肢）生產企業等；文化創意領域的客戶包括文物單位、博物館、科普館、藝術家和文創院校，以及從事影視動漫、工藝品創作和建筑設計的企業等，同時配合支持多地政府和高校建設面向本地化服務的3D打印服務平臺。

3D打印基本原理

3D打印是“增材制造”（Additive Manufacturing）的主要實現形式。“增材制造”的理念區別于傳統的“去除型”制造。傳統數控制造一般是在原材料基礎上，使用切割、磨削、腐蝕及熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產品。而“增材制造”與之截然不同，無需原胚和模具，就能直接根據計算機圖形數據，通過疊加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產品的制造程序，縮短產品的研制周期，提高效率并降低成本。

3D打印機涉及的材料主要有金屬、尼龍、樹脂、ABS、PLA、石膏及復合材料（生物材料）等。目前3D打印機最高精度可達16 μm（比如ProJet 3500系列）。德國EOS的金屬打印機，精度都在20～80 μm。其他的設備，精度都不一樣，用戶可以到先臨三維官方網站看每款產品的具體參數（www.shining3d.com）。

各類3D打印機的尺寸根據設備、工藝的不同，幅面也不一樣，德國EOS的EOSP760和EOSP800，成型尺寸可達700 mm×380mm×580mm，美國3Dsystems公司的SLA機器ProX950，成型尺寸可達1500mm×750mm×550mm。

話說隔行如隔山，雖然現在3D打印的普及面已經很廣，但是有些用戶對3D打印還是不清楚，企業用戶在一般情況下可以通過上網搜索3D打印資訊來初步了解3D打印的原理、設備、打印材料及基本操作方式，也可以到一些3D打印公司的3D打印中心了解和試打印。先臨三維在杭州、溫州、南京、麗水、義烏和佛山等多地建有3D打印快速成型服務平臺，可以滿足用戶在快速創新設計、快速原型、裝配驗證、性能測試、快速模具和小批量制造等方面服務的需求。

設備與材料的選購應如何考量

當我們了解了3D打印，又該如何從眾多品牌和型號中挑選出適合自己的3D打印機及打印材料呢？數字數據轉變成實物的打印技術，在各臺打印機之間存在著巨大的差異。今天的3D打印機可以使用各種材料，這些材料在結構屬性、特性定義、表面粗糙度、耐環境性、視覺外觀、準確性與精密度、使用壽命及熱性能等方面各不相同。重要的是要先確定3D打印的主要應用，這才能引導選擇合適的技術，為您的工作帶來最有效的積極影響。

我們在選擇3D打印設備的時候，需要考慮一臺3D打印機的關鍵屬性：

（1）3D打印速度：根據快速成型設備制造商的不同，或者采用的3D打印技術的不同，3D打印速度的衡量標準是不同的。有些用來指示在Z軸方向上打印一定高度所需的時間（針對單次3D打印任務而言），通常用“in/h”或“mm/h”來表示。那些具備穩定的垂直方向建造速度的3D打印機普遍喜歡采用這一技術參數，基本不受被打印物體的結構復雜程度和單次打印部件的數量的影響。這種3D打印機是手板模型3D打印的理想選擇，因為它們可以在有限的時間內快速制作出數量可觀的、各種各樣的模型，方便設計溝通、討論和對比。

另外一種衡量打印速度的技術參數是指打印特定物體或者特定的體積所需的時間。一些3D打印機可以快速打印單個的、簡單結構的物體，多采用這種指標。但是這種類型的3D打印機在遇到打印數量增加或者結構比較復雜的打印任務時，打印速度就會明顯下降，因此不適合用于打印速度要求較高的手板模型的快速成型。

（2）3D打印成本。打印成本通常用單位體積所需的費用來表示，比如“元/in3”或“元/cm3”。即便使用同一臺3D打印機，由于受到成型件結構的影響，單個成型件所需的費用也是千差萬別，因此3D打印服務的報價經常以典型物體打印價格或者平均水平的價格來呈現，也就不難理解了。如果需要對報價進行對比，可以提供您自己經典樣件的一套STL數據讓供應商進行報價，并清楚地知道不同報價所包含和不包含的內容，從而選擇性價比最高的供應商。

（3）3D打印細節分辨率：3D打印機提供的最令人費解的指標之一是“分辨率”，應謹慎使用。簡單舉例，分辨率的表述有DPI（dots per inch，每英寸的像素點），Z軸方向層厚、像素大小、射束點大小和點直徑等。在同類3D打印機對比時，這種表述可能有幫助，但是如果用來考量多種3D打印技術則不太適用。

（4）3D打印材料的性能：目標應用領域與所需材料特性對于3D打印機的選擇至關重要。任何一種3D打印技術都有它自身的優勢和弱點，這一點也是我們在選擇3D打印機時必須明白的。宣傳上聲稱的提供多種材料以供選擇，我們必須審慎看待，因為提供的這些材料并不能保證我們所需的真實的功能性能。很重要的方法就是在選購3D打印機之前，先在目標應用領域對多種3D打印技術的成型件進行測試和評估。公開的技術參數不能表明成型件長期放置和在多種使用環境下的穩定性，我們不切實加以審查和測試就無法得知實際的使用局限性。

（5）3D打印機能夠打印的顏色：目前市面上主要有三種彩色3D打印機，一種是一次打印只能用單一顏色，一種可以一次性打印少數幾種顏色，還有一種就是可以一次性呈現成千上萬種色彩的全彩色3D打印機——比如美國3D Systems 的Projet X60系列和ProJet 4500。

Projet X60系列3D打印的色彩表現力可以與平面紙質激光打印機相媲美，達390000種獨特的顏色和數量幾乎無限的色彩組合；Projet X60還可以打印出照片、LOGO徽標、紋理、文本標簽和有限元分析結果等，因此可以3D打印出幾乎以假亂真的模型。

3D打印的市場推廣模式

上面我們談到了3D打印的原理、設備與材料的選購，那3D打印的市場推廣模式現在又是怎么樣呢？目前為止，在國內企業正在為以何種商業模式推動產業發展發愁時，國外已經將體驗式的商業模式應用在市場中，有些創新者甚至開始采取全新商業模式爭奪3D打印機市場，比如2009年在美國成立的MakerBot公司，通過出售1000美元左右的低端3D打印機、運營3D模型分享網站、開設線下體驗店等一系列措施，創建了一個完整的商業體系，并且迅速贏得消費者青睞。有業內人士預測，桌面式3D打印機將是繼蘋果手機之后，人們追逐的另一項科技產品。

從2012年初開始，國內的部分廠家也開始采用線上線下一體的銷售模式。

先臨三維在淘寶網開設了桌面3D打印旗艦店，主要以服務為主，售賣打印材料、設備配件以及提供打印服務，當然也是為了擴大品牌和產品的市場知曉度。我們的目標客戶定位非常廣泛，既有我們的新老客戶，又包括所有對3D打印有興趣的人、想要了解3D打印的人?，F在先臨三維推出了2014年最新款Einstart-S，一鍵打印，即插即用，像使用家電一樣簡單。時尚動感的整體色調，擺脫傳統3D打印機沉悶的造型外觀，無論將Einstart擺放在哪里——工作室、家里和學校，都能很好地與周圍環境融為一體，彰顯品味，標志著桌面式3D打印機開始作為一種普通的科技產品走入中國公眾視野。

汽車模具行業案例分享

模具乃工業之母，大到飛機、汽車，小到茶杯、釘子，幾乎所有的工業產品都必須依靠模具成型。因此，模具的品質在很大程度上決定著產品的質量、效益和新產品開發能力。比如注塑模具和壓鑄模具，不僅要保證尺寸精確、表面光潔、結構合理，而且需要考慮合理的澆注系統、熔融塑料或金屬流動狀態、進入型腔的位置與方向，即做好流道系統設計，最好還能做到經濟合理、壽命高、成本低，可見模具制造要求之高。

傳統的模具制造技術發展到今天，已經遇到了瓶頸，在面對一些復雜曲面或結構復雜的工件時，總是有些捉襟見肘，費時費力，許多有識之士開始尋求新的模具制造技術，以取代或者補充傳統模具制造工藝。

EOS是全球領先的快速制造設備開發與生產者，總部位于德國，成立于1989年，全球設備銷量已超過1000臺，知名客戶如空客、波音、奧迪、Jaguar、豐田、寶馬、大眾、福特、西門子和聯合利華等，遍布航空航天、汽車制造、模具設計與制造、醫療（如義齒、人工關節、助聽器、假肢和骨骼模型等）、建筑及文化創意等領域。

EOS公司的設備都采用SLS（Selected Laser Sintering）粉末燒結成型技術，采用紅外激光器對粉末材料（尼龍、尼龍玻纖、尼龍碳纖維、尼龍鋁粉、PS材料以及各種金屬材料包括：模具鋼、鈦合金、鋁合金、CoCrMo合金及鐵鎳合金等）直接燒結成型。其中，EOS的M系列金屬粉末燒結成型設備，可以直接生產最終產品，成型產品具有鍛件性能，在模具制造領域的應用已經非常廣泛而深入，主要用于模具的直接制造，模具鑲嵌件制造和模具修復。其優勢在于：①不受形狀和結構的限制，可以最大化地實現模具流道系統的合理化設計和布局，流道表面光潔順滑，從而使注塑出來的產品質量更高，成型時間更短，生產廢料更少。②模具外殼和流道系統一體成型，沒有接縫，堅固耐用。③相比傳統的模具制造技術，使用SLS金屬粉末燒結成型技術制造模具的時間可以大幅縮短70%以上，在如今這個時間就是金錢的時代，對于生產商或制造商來說，快速制造技術給他們帶來了明顯的效益提升。④用來燒結成型的金屬材料品種多樣，性能優異，可以滿足不同生產領域的模具品質需求，如注塑模具、壓鑄模具和拉伸模具，無需滲銅工藝。

圖1 Projet X60系列3D打印產品

圖2 先臨三維在淘寶網開設了桌面3D打印旗艦店

汽車組件嵌入式模具（見圖3）——鑲嵌件的冷卻系統改善，可以縮短生產周期，加快產品上市進度。其他類似案例如圖4所示。其優勢體現在：①集成式設計加上一體成型，明顯改善嵌入式模具的質量。②鑲嵌件層厚度僅40 μm。③嵌入式模具具有加工累積公差少，剛性高，分解和組合時的精度再現性良好，調整工程少等優點，已成為精密沖壓模具之主流。

圖3 汽車組件嵌入式模具

先臨三維是EOS公司在中國大陸的唯一授權經銷商，代理了EOS的M系列（金屬粉末燒結成型設備）和P系列（塑料粉末燒結成型設備）產品，并建立了專門的銷售展示中心，以便為客戶提供從前端的三維掃描、測量與檢測和逆向設計到快速成型、快速制造的三維數字技術完整解決方案。

圖4 幾種組件嵌入式模具

光韻達三維科技：激光燒結三維打印創新應用與思考

上海光韻達三維科技有限公司總經理張國良

上海光韻達三維科技有限公司是由深圳光韻達光電科技股份有限公司于2013年在上海投資成立的控股子公司。作為一家精通并專注于激光燒結三維打印技術的高科技企業，公司引進了全球最先進的德國EOS激光燒結設備及材料，憑借多年的三維打印服務經驗，成功打造了一支專業、高效、創新的經營與技術團隊，為客戶提供基于激光燒結技術的三維打印創新應用解決方案，致力于通過最專業的服務為客戶創造價值，以科技創新推動產業進步。

3D打印解決方案在工業領域的應用狀況

上海光韻達三維科技有限公司進口世界最先進的德國EOS激光燒結設備與材料，目前擁有中國唯一一套最大的用于3D打印服務的塑料材料激光燒結設備（EOSINT P760）。在技術方面，公司團隊具有8年3D打印行業經驗與5年激光燒結3D打印服務經驗，在設計優化、數據處理、生產制造以及后處理等各個環節都具備過硬的技術實力。

上海光韻達三維科技有限公司與德國EOS公司、比利時Materialise公司保持密切的戰略合作關系，并與清華大學、復旦大學、上海交大、同濟大學、英國諾丁漢大學等建立了良好的合作伙伴關系，共同開發3D打印創新應用，培養專業技術人才。服務內容如下：

（1）6個行業應用。①汽車：內飾、外飾、結構件和功能件等。②模具：注塑模具、鑄造模具等。③航空航天：發動機零部件、結構件和功能件等。④醫療：醫療器械、醫療植入體等。⑤工業：電子電器、儀器設備、五金工具、產品包裝和家居休閑等。⑥商業：藝術模型、影視道具和創意設計等。

（2）4大解決方案。①模型制作：通過打破傳統思維局限，推動設計的革命性創新。②快速樣件：通過快速的設計驗證與裝配測試，縮短產品研發周期。③小批量生產：通過不同設計的有效組合，降低小批量定制成本。④復雜模具：通過復雜冷卻流道的設計，縮短冷卻時間，提高生產效率。

（3）5項專業服務。①設計咨詢：拼接設計、冷卻水道設計、輕量化結構設計等。②數據工程：三維掃描與建模、數據修復。③材料與工藝開發：增加材料多樣性，滿足特殊的材料與性能要求。④快速制造：塑料與金屬產品制造。⑤后處理：噴砂、拋光、染色、噴漆和電鍍等。

3D打印技術應用于大規模制造領域的最新解讀

在大規模制造的研發設計階段，3D打印技術的優勢在快速原型制作方面得以充分發揮，大大推進了大規模制造的產品研發。在快速制造方面，3D打印技術可以直接進行數字化最終產品的制造，為小規模生產帶來巨大價值，特別是個性化或有特定需求的制造領域，如醫療、航空航天、賽車等，由小規模生產累積而成的大規模制造的需求越來越多，其實這也是對大規模制造概念的新解讀。

光韻達一直在研究市場和培育市場，3D打印技術要應用于大規模制造領域，還有幾個很重要的問題需要解決，首先是設計工具需要進一步優化：需要新工具來優化形狀和材料性能；二是可用材料需要持續拓寬：目前可適用的材料成熟度跟不上3D打印市場的發展，材料對人體的安全性與對環境的友好性都還存在不少問題；三是生產過程需要加強工藝控制：為提高連貫性、重復性和統一性，需要建立裝備認證標準，并對生產過程進行內部件監控和閉環反饋；四是信息不對稱、市場認可度低：3D打印作為一種新技術被中國市場認可和接受仍然還有很長一段路要走，需要上下游一起推動，也需要相關政策的支持與鼓勵。

3D打印技術與傳統制造業的關系

從產業的高度來看，3D打印技術作為一種增材制造方式，與傳統制造方式是互為補充、相輔相成的。一方面，定制化、小批量生產的需求越來越多，新產品發布越來越快，周期越來越短，亟需縮短產品上市時間，3D打印技術能在此過程中發揮巨大作用。另一方面，3D打印技術能彌補傳統制造方式的短板，例如原材料基本無耗損，制造復雜結構，3D打印技術能一次成型，并進行形狀、結構和功能等方面的測試，大大釋放創造力，能為某些制造需求提供一種更好的選擇方案。在傳統制造遭遇限制的地方，3D打印技術的確能對傳統制造形成挑戰，但是在大規模制造方面，傳統制造業的優勢是無可替代的。

為更好地促進制造業的發展，我們應將3D打印技術和傳統制造方式進行對接，清楚地認識并比較3D打印技術和傳統制造方式的各自優勢，將兩者有效結合。從整體上來講，制造業需要將多個工藝組合到一起，而3D打印技術只是其中的一項，是生產制造這個大市場當中非常細分專業的一塊市場。如果能將不同工藝有效結合，3D打印必將為傳統制造業帶來更多附加價值，而不是取代或者顛覆的關系。

對市場推廣和用戶服務方面的思考

3D打印技術目前在國內十分熱門，通過媒體輿論、各類展會的信息傳播，3D打印技術概念逐步為國人認識。在工業領域，3D打印技術其實早已經不是新興技術，一些企業在很早以前就已經在使用，只是近年經過熱炒后才出現所謂的“第三次工業革命”，其中有更多的是資本市場的概念炒作。而在民用市場，普通人群對于3D打印概念目前是被動接受媒體輿論影響，所了解的程度只限于概念了解，基于對一種新興技術的好奇和熱情，對于一個只在網絡上了解3D打印技術而從來沒有看到實際應用的普通消費者而言，你想向他推銷3D打印的產品目前還是比較困難的。

制造業的革新與升級是一項漫長復雜的工程，如果認為單靠3D打印技術就能帶來第三次工業革命，顯然有些過于樂觀了。3D打印技術屬于一個新興市場，消費群體對于新興事物的認知需要有個過程，需要消費者在觀念上逐步接受，這就需要創業者創造一個良好的體驗式消費場所，前期聚集少量對新生事物接受程度高的前期消費群體，逐步通過口碑傳遞產品與品牌信息。3D打印技術目前并不適合坐商銷售，可以全面撒網，但必須要重點培養與開拓客戶。3D打印技術已出現20多年，但3D打印在很多方面仍被認為是小眾行業，對于目前進入3D打印行業的前行者而言，將擔負傳播3D打印概念、改變3D打印消費觀念的任務。但隨著打印技術改進、設備與耗材的成本降低、消費者消費觀念的改變，3D打印市場還是大有可為的，我們形容為拼搏今日，收獲未來。

3D打印應用于汽車模具的典型案例

下面將金屬材料和塑料材料各舉一個例子：

（1）利用3D打印技術實現創新的活塞設計，改進車輛性能的案例（見圖1）：使用德國EOS公司的激光金屬粉末燒結系統，材料為鈦合金，模具內部集成異型冷卻流道。我們得到的結果是：首先降低活塞質量（減重達到27%）并且能夠更加有效地進行溫度控制，提升發動機功率并且能夠獲得更好的推力曲線；其次相對傳統的鑄造能夠節省更多的時間，并且材料性能接近鍛造水平，該部件能夠直接應用在車輛的發動機上。

圖1 利用3D打印技術實現創新的活塞設計

（2）一體設備的油箱（見圖2），從設計到最終成形只需要4天。第一天是進行建模，再經過數據處理，只需要15 min，3D打印制造只需要33 h。第3天、第4天，等這個零件進行冷卻，進行后處理、去粉。第4天可以得到樣件。在設計研發過程中，可以很快地得到一個樣品，測試它的功能性。這個樣品不僅可以滿足外觀的需要，它的機械性、氣密性和裝配性能都可以進行測試。時間成本縮短75%，成本減少25%。

圖2 一體設備的油箱

精唯信誠：3D打印鑄造機VX1000應用分析

精唯信誠（北京）科技有限公司是一家專注于三維應用的高科技企業。公司技術及銷售人員是中國最早致力于三維打印及掃描應用、銷售及服務一體化的團隊，至今已經有10年的歷史。我們秉承著利用三維產品方案提高您的生產效率、改變您的工作方式及豐富您的創意生活的理念，已經服務了12000個客戶，未來我們還會網聚更多的客戶與朋友加入到3D的創意世界。

美國3 Dsystems、德國Voxeljet、BigRep、Steinbichler、丹麥3Shape、日本Roland等廠商與我們建立了良好的戰略合作伙伴關系。目前我們成熟應用的3D領域有定制化醫療、義齒加工、工業設計、航空航天、汽車制造、開模鑄造、大中小學創意設計教育和文物及鞋模制版行業。

用戶為什么介入3D打印

我們認為企業用戶首先要從企業自身的生產流程、工作流程的優化，以及產品研發設計環節的了解來介入3D打印。優化生產和工作流程，提升生產力和效率，減少成本投入，有了目標需求才能更好地了解3D打印能夠在這些環節帶給企業什么？進而更好地論證3D打印技術在實踐中的應用。

3D 打印技術如何推廣

像VX1000這種機器能夠使客戶的產品開發周期及成本大大縮短和降低，強大的生產能力，可以消除冗長昂貴的模具生產階段；此外，還能帶給客戶更多高附加值的業務類型。

3D 打印技術在各個行業領域一直在不斷地發展，我公司在消費級產品、工業機、砂型打印機和牙科醫療設備等產品領域除了進行設備的銷售，客戶服務、加工應用也一直在不斷地完善和進步。

我們通過專注的團隊進行不同產品領域及行業領域的開拓和發掘，通過行業顧問、國外先進技術企業的產品技術交流在行業應用及客戶服務上發現問題、解決問題，同時更好地促進銷售工作。我們認為，讓用戶參與到應用市場的拓展中來最關鍵的因素之一是要從行業本身了解企業的需求點，幫助企業進行3D打印技術的投入產出比分析，從而真正做到利用3D打印技術提升企業競爭力。在加大市場宣傳推廣的同時，進行重點行業的產品應用推廣，做不同行業的樣本案例推廣和技術交流，而不是一味地對3D打印技術的過度渲染和炒作，這樣很有可能會適得其反。