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3D打印带来的制造业变革

3D打印
，如其名曰“打印出3D的物品”，是一种快速成型技术。与普通打印机工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”层层叠加，最终把计算机上的蓝图变成实物。早期常用于模具制造
、工业设计等领域，现主要用于一些产品的直接制造，比如人体关节或飞机部件等。

 

作为智能制造的急先锋
，3D打印利用其打印精度高
、速度快、消耗材料少、加工地点灵活等优势
，从两个方面深刻改变了传统制造业的形态：一是使制造工艺发生深刻变革
，二是使生产模式发生革命性变化
。一方面，在制造工艺上
，首先，对于具有精确内部凹陷或互锁部分的形状设计，3D打印是首选加工设备
；其次，3D打印零时间交付，及时减少了企业实物库存

；3D打印还能够使用与传统制造相比更少的材料
，而传统的金属制造中
，90%的金属原材料常被丢弃浪费； 另外，3D打印设备能够自由移动，实现便携制造。另一方面，3D打印给生产模式也带来了巨大变更。随着信息化发展
，人们逐渐追求个性化的消费，传统大批量、标准化生产的模式已难以满足这种需求，而3D打印的特点恰好顺应并推动了产品向个性化
、定制化和分散化的转变。

 

随着大量3D打印机涌入市场，影响力是不容分辩的
。比如，通用电气将3D打印应用于制造他们的高级LEAP喷气式飞机引擎部件里的燃料喷嘴，传统的喷嘴需要来自不同供应商的20多个不同的配件组合，而新的3D打印喷嘴仅需要一步完成
，不仅生产周期短
，还比传统的喷嘴重量轻25%，耐受度提高了5倍。再比如，美国海军2014年开始将3D打印机安装在艾塞克斯号航空母舰上，方便在偏远环境下迅速的制造关键武器部件，这种加工地点的自由度，传统制造业是做不到的。

 

3D打印发展历史

 

下图展示了3D打印从诞生到现在的重大历史事件

：

 

图1 3D打印发展历史

 

 

3D打印现状

 

3D打印技术支撑

 

简单来说，经典3D打印机的功能与传统喷墨打印机的功能非常相似。两者都从数字文件获得打印信息，但是喷墨打印机将墨水应用于纸张
，而3D打印机以连续的图案注入材料来构建三维固体物体。3D打印的具体步骤分为三步：首先，进行数字模型的创建，使用CAD等设计程序或扫描仪进行打印对象3D虚拟影像的信息获取，并进行模型“切片”的创建。其次，材料的添加
，这是用来制造最终物体的材料，比如金属、聚合物、陶瓷等。最后，利用3D打印机进行物件的创建工作。

 

 

图2 3D打印流程（来源DHL, flaticon.com）

 

在3D打印的背后必然离不开成熟的技术支撑。图3展示了人们对于不同的技术的期待值随着该技术成熟度的变化趋势
，以及技术距离走入主流市场的时间
。可以看到，目前已经有多种技术逐渐成熟并广为使用，比如：

 

 

图3 3D打印技术的成熟度
、期望和主流适用能力（来源：Gardner）

 

材料挤出（MaterialExtrusion）
：最简单的3D打印技术
，让材料选择性分配的从喷嘴中挤出，通常只有一种材料
。

 

材料喷射（MaterialJetting）
：是一种让材料（例如光聚合物或蜡）一层一层叠加的增材制造技术，与传统2D打印原理类似，只是将液体的墨水变成了固体的材料。

 

粘合剂喷射（BinderJetting）：打印过程中在粉末层之上加入粘合剂层的技术
，使各层之间相互连续。

 

槽光固化（Stereolithography）
：第一种商用的3D打印技术
，将光聚合物放置在槽中，利用激光选择性的照射，使其每一层固化为特定的形状。

 

直接能量沉积（DirectedEnergy Deposition）：用热能量将一层一层叠放的材料熔融，形成想要的形状。

 

粉末床熔融（PowderBed Fusion）：利用热能量，有选择的熔融粉末床的部分区域，形成想要的形状
。

 

每项技术在不同的应用中有不同的效果
，下表展现了几项主要的3D技术及其在不同制造过程中的效果：

 

表1 几种3D打印技术在不同制造过程中的表现

 

可以看出，传统而简单的3D打印技术材料挤出（Material Extrusion）和槽光固化 （Stereolithography）在生产概念模型时具有较好的效果。而在原型制作中，这几种技术都有较不错的效果
。递进到强化生产的阶段
，直接能量沉积（Directed EnergyDeposition）和材料喷射（Material Jetting）展现出优势
。在后两项制造领域和可替代的制造领域，可以看到几种技术表现都差强人意
，但值得注意的是
，粉末床熔融（Powder Bed Fusion）技术在可替代的制造领域比其它技术表现出了更多的优势
。

 

市场规模

 

3D打印作为一项前沿性的先进制造技术，已经受到世界各国的高度关注，其市场规模呈几何级增长态势
。在2016年全球3D打印市场规模已经达到了60.63亿美元
，同比增长34.62%，预计2020年将突破200亿美元。与此同时
，国内的3D市场规模也在逐渐扩大
，截止到2015年
，市场已经达到7.78亿美元
，复合增长率为69%
。

 

图4  3D打印市场市场规模

 

产业链

 

3D打印的产业链如下图：

 

图5 3D打印产业链

 

一些知名3D打印公司有：

 

3Dsystems（美国）
：1986年创立，是世界上第一家3D打印公司
，主营设备制造、耗材开发、服务提供
。就设备制造来说
，兼及桌级和业级设备。就打印技术来说，主要使用SLA(光固化

，光敏树脂材料)、SLS(选择性激光烧结，工程塑料)
。应用领域非常广泛，有航空航天
、医疗、汽车这些工业级别的
，也有建筑
、艺术等设计行业的，另外还兼顾消费品、珠宝首饰领域。

 

Stratasys（美国）：1989年成立，主营设备制造、耗材开发
、服务提供
。就设备制造来说
，兼及桌级和业级设备
。就打印技术来说，主要指向FDM(熔融沉积、工程程塑)和Polyjet(喷墨技术

、光敏树脂材)。应用领域与3Dsystems一样非常广泛
。

 

EOS（德国）：1989年成立
，专注于工业级设备研发20年的严肃3d设备制造商，技术只聚焦在高端的SLS技术，并且只针对金属材料。早年就开始为奔驰、宝马这些公司提供打印设备
。

 

应用领域

 

当前，全球制造业格局正在发生深刻变化，新一代信息技术和工业融合发展呈现新趋势——智能制造。在互联网时代下
，智能制造引领的制造业转型已势在必行
，预计到2018年全球智能制造及智能工厂相关市场规模将达到2500亿美元

。作为智能制造领域的急先锋
，3D打印也已被应用于诸多领域
。以我国为例，排名前三的是汽车、消费产品和商用机器设备
，它们分别占市场份额的31.7%、18.4%和11.2%。

 

图6 中国3D打印应用领域格局

 

3D打印未来发展

 

3D打印已经坐上了技术发展的高速列车，被赋予了“第三次工业革命的大背景”
，以3D技术为代表的快速成型技术被看作是引发新一轮工业革命的关键要素。人们对3D打印都给予了高度的关注和极大热情，那么在不久的将来，3D打印技术的未来将走向何方？

 

技术

 

4D 打印技术

 

4D打印，比3D打印多了一个“D”，即时间维度
，通过软件设定模型和时间
，变形材料在设定的时间内变形为所需形状

。与3D相比，4D打印技术比3D打印技术更具有前瞻性和颠覆性，随着环境变化而自行改变。不仅是生产工具的革命，更是由生产材料改变引发的未来整个商业生态结构方式改变的一种技术。

 

目前，人们对4D技术正处于研究阶段
，并且取得了初步进展。2015 年 1 月，在美国 CES 消费电子展上，Tibbits 利用模型设计软件设定的时间和组合样式，让 2279 块 3D 打印机打印出来的三角模块
，在水中慢慢自合变形成了一件镂空的连衣裙
。该裙子解决了不合身的问题，根据穿戴者的体型情况进行自我改变
。此外
，还可以自动变化造型，并随人体形态而变化，即使变胖或变瘦
，4D 裙也不会不合身。Tibbits 和他的团队还打印出了世界上第一双 4D 鞋，可以根据人脚的形状和大小自我调节
，附有弹性的材料可以让制鞋的成本缩减到最小。此外，澳大利亚伍伦贡大学电子科学 ARC 实验中心也是 4D 技术的重要引领者

，他们在不断的测试中寻找各种刺激下影响的合成物质，目前已经取得许多重大进展
，已经应用于医疗
、军事、汽车和机器人制造。

 

 

纳米3D打印技术（Nanoscale 3DP）

 

纳米3D打印技术（3DP）使用专门的3D打印技术和相关工艺来创建具有更精细、复杂的结构或特征。基于纳米尺度和微尺寸的打印不仅需要专门的3DP设备和光学元件，还需要额外的加工
，如机械和化学

，可以用于小型化的物件，比如微型传感器，微型机器人，小型工艺品
，可打印的电子产品等。

 

未来一个令人惊叹的可能性是，利用纳米3D打印出分子级别的结构构造
。伊利诺伊大学已经成功的制造出这样一台3D打印连接分子的机器。期待未来能够通过纳米3D打印技术制造出种类数以亿计的分子结构
，并且方便化学家创造新的化合物，大大降低成本。

 

 

宏3D打印技术（Macro 3DP）

 

宏3D打印技术是指使用多种材料，包括砂和粘合剂
，混凝土
，塑料盒金属等来打印2米或更大尺寸物体的系统。比如Cincinnati的“BAAM”打印出了尺寸为8*20*6制造机，比3D打印机打体积大10倍，可以用于大型航空航天，汽车，建筑等领域。由于设备更大，且更昂贵，目前投资较少，技术不成熟，

 

荷兰一家初创公司正在尝试利用宏3D打印建造一座桥梁，这座桥梁预计将在今年完成，并横跨阿姆斯特丹的一条著名河道
。北京华商腾达公司计划在45天之内3D 打印出一套400平米的别墅
。这些都展现出宏3D打印技术在建造业极有希望的前景。

 

 

 

材料

 

毫无疑问
，材料将成为未来3D打印的主力市场，有市场研究机构预测，全球3D打印材料市场将从2016年的5亿3010万美元增长到2021年的14亿950万美元
，而目前已有并应用的材料具有非常大的局限性

。那么，未来的3D市场需要什么材料呢
？

表2  未来可用于3D打印的材料列表

 

 

海航未来的可能--3D打印与物流

 

作为一家集科技与物流于一体的公司，物流板块在海航中处于至关重要的地位
。然而
，在3D打印时代，没有了复杂的JIT配送，物流如果仅仅依靠为客户存储和配送3D打印耗材
，那么物流企业之间就很难实现差异化运营，因此，结合3D打印并充分利用3D打印是物流发展的必然趋势。那么，未来海航可以从哪些方面结合3D打印呢？我们认为以下几个方面是值得讨论的
：

 

按需打印备件
：传统的产品零备件，比如飞机的备件（我们海航拥有几百架飞机），大多是提前生产好
，储存在仓库里

，等到需要更换或维修时再从仓库取出调配，想象一下成百上千万的零备件储存在仓库而不用
，不仅浪费资源还占用了空间。这就可以用3D打印来解决，我们可以将3D打印机放置于各仓库及物流点
，因其大大缩短的周期以及质量的保障，那么就可以先得知需求，然后打印，最后运出
。这样一个革新的流程，不仅节省资源与空间，还节省了货物调配的时间（比如传统情况下那个仓库没有货，就要从别的仓库调运，而有了3D打印就不用担心了，我们可以直接将打印好的备件装入卡车或飞机）。

 

从物流环节为顾客提供个性化的定制服务
：需要大批量生产的商品，比如鞋子
、包包等，是很难从一开始的生产环节就做到为每位顾客定制的（因为固有的生产流水线）


。那么如若要满足很多用户的定制服务怎么办

？从物流环节下手是个不错的选择。这当然也要结合3D打印
，比如每个买鞋子的用户想要适合自己脚型的鞋垫，那就可以直接在物流环节中做到打印出来，接着配送
，这样一个顺序。比如我们海航科技物流最近做的智能集装箱项目，如若在集装箱中装配3D打印机，在物流的途中满足这种顾客的定制化需求，是个非常炫酷的主意
。

 

直接服务于商家或消费者的3D打印实体店：随着3D打印的成本降低，直接提供3D打印的实体店在未来会逐渐进入市场。比如在机场就可以设置这样的店
，旅客们若有急需（比如需要一双拖鞋
、一个充电器、一把雨伞等），可以直接自助打印出需要的东西
；又比如在旅游景点，有这样一个实体店可以配合旅客打印定制化的纪念币或其它类型的纪念品……