3D打印“後風口時代”


3D打印“後風口時代”


2016年6月,在公司敞亮的會議室中,季新陽和他的團隊接到了一項新任務。

這天,中國商飛的研發團隊風塵僕僕地趕往無錫,他們告訴季新陽,C919項目遇到了難題,一家供應商的鋁合金試驗失敗,發動機風扇進氣入口做不出來了。

當時,這款中國首次自主研發的幹線民航客機進入了研製的關鍵階段。四個月後,C919將迎來第一次發動機點火試驗,為萬眾矚目的首飛做準備。一個零部件趕不上進度,能直接影響點火節點,並使首飛時間推遲。

緊急情況下,商飛找到無錫飛而康快速製造科技有限公司,這家3D打印服務商2013年起就開始與商飛合作,此時臨危受命。季新陽擔任了這個項目的負責人,他那時並不知道需要克服多少困難,一度覺得又要攻克新技術,“很興奮”。

拿著商飛帶來的一堆數模和技術文件,季新陽和他的團隊投入到了這個緊急項目中。彼時,飛而康剛剛拿到當時國內最大尺寸的3D打印設備,他們大膽地發揮3D打印的優勢,把原來3個段的零件集合到1個上面。

不過,這樣打印出的完整零件尺寸相對較大(直徑400mm,長500mm),而且壁很薄,對傳統的3D打印技術而言是一項不小的挑戰。

當第一個樣件做出來的時候,所有人都傻眼了:整個件開裂得厲害,完全不能用。樣件還沒從機器上取下,季新陽便深切地感受到,這項技術的瓶頸遠遠超出他的想象,所有的工作還要在規定期限內完成,他壓力陡增。

後來,他們聯合了來自澳大利亞的技術顧問,吸取第一次失敗的經驗,嚴格地控制了原材料的配比,並對所有應力集中的地方進行了改進。但最終做出來的零件變形厲害,遠遠達不到商飛的0.5mm以內的偏差要求。

最後,季新陽和他的團隊通過數次的仿真模擬,終於尋找到產生形變的最重要原因,採用一種先進的支撐結構輔助解決成型過程中的應力集中問題,最終生產出形狀、尺寸、性能都合格的排氣管道零部件,並按時完成了產品交付。同年11月9日,C919發動機點火成功。

這件事在商飛內部引起了轟動,默默無聞的飛而康也在業內一戰成名。商飛一位C919項目工程副總經理甚至給飛而康發了一封感謝信,感謝其團隊為C919順利點火做出的“巨大貢獻”。

不過,如果不關注飛機制造或是3D打印,很少有人知道這麼一家3D打印服務商,更少人知道它們還是A股上市公司銀邦股份(300337.SZ)的參股子公司。2017年5月,C919第一架機首飛,大飛機產業鏈上下游的概念股提前“起飛”,銀邦股份不但沒趕上這波“躺贏”的紅利,反而下跌了幾個點。

飛而康和銀邦股份受到的資本待遇是整個中國3D打印行業的縮影。五年前的風口退去之後,3D打印如同風靡一時的流行歌曲,過氣後就再鮮少有人傳唱了。

從2014年開始,3D打印的熱潮開始冷卻。在消費級市場,人們吐槽它不夠快速不夠美觀,在工業級市場,製造商們又對它的質量、成本和效率感到失望。另一方面,儘管龍頭企業的設備還號稱大賣,但資本市場上的“熱錢”早已退場。3D打印的從業者們只好微笑著表示,行業進入了“理性發展期”。

但與此同時,3D打印在設計領域的獨特功效已經被反覆驗證,無論是消費級市場還是工業級市場,3D打印的技術與理念仍在不斷革新,而“規模化生產”這個與3D打印“先天不合”的應用場景也似乎漸行漸近。

經歷了失敗也見證了成功,被潑了冷水又能灑上熱血,目力所及,既是機遇又是挑戰。這是3D打印完成生命週期跨越的關鍵階段,也是3D打印的“後風口時代”。

“退燒”

10月26日,上海臨港一家五星級酒店大堂中人頭攢動,二十餘家3D打印企業的展臺聚集在大堂外廳中,人們三五成群地寒暄或自我介紹,積極與新認識的朋友推介最新研製的材料和最新打印的產品。

這是第三屆SAMA國際論壇暨2018世界3D打印年會的現場,今年會議的主題是“構建世界3D打印產業共同體,實現共贏共享”。論壇之外,主辦方上海增材製造協會進行了非洲、歐洲代表處的授牌儀式,以搭建中非、中歐在3D打印行業合作交流的橋樑。

這是一個頗具宏觀視野的主題,同時也在某種層面上暗合了當前3D打印所面臨的產業困境:行業整體上處於導入期之末、成長期之初,企業勢單力薄獨木難行;另一方面資本卻分外謹慎。3D打印正處於轉型的關鍵時期,但向上躍升的支點卻不再那麼容易找到。在此背景下,合作共贏成為發展突圍勢在必行的一步。

與五年前的火熱相比,目前3D打印產業進入了明顯的冷靜期:眾多消費級設備商、材料商、服務商離場,工業級玩家東奔西跑,在各個領域尋找合作機會;資本市場上,純粹的3D打印公司鮮少能在主板上市,3D打印概念股在暴漲之後趨於平穩,美國股市上,行業龍頭的估值也經歷了一波殘酷的回調。

2013年前後是3D打印最風光的時期。如平地一聲雷,英國《經濟學人》雜誌的一篇報道《第三次工業革命》,使這項發展了30年但異常小眾的技術迅速走入大眾視野,美國時任總統奧巴馬的高調“站臺”則讓它迅速火遍全球。

在那個階段,3D打印領域的一項核心技術,即熔融層積成型技術(FDM),專利到期了,加上該技術使用的耗材基本實現了國產化,很多創業者開始投入到其中,做“發燒友”的生意,例如杭州銘展、太爾時代等。

值得一提的是,太爾時代脫胎於清華大學顏永年教授的研究團隊。顏永年被譽為“中國3D打印第一人”,1990年成立了國內首個快速成型實驗室,並在1992年研製出了國內第一臺快速成型設備,2003年成立了太爾時代。

不過,最初太爾時代以生產工業級設備為主,而FDM則主要應用於消費級設備。這個轉型在很大程度上體現了當時消費級3D打印市場的火爆,因為國內市場不算太大而又競爭激烈,太爾時代甚至一度將產品賣到了國外。

但五年之後的今天,消費級設備如何發展卻不再是業內討論的話題。“很多人對FDM工藝失望透頂。”一位參展商對21世紀經濟報道記者坦言,因為產品雞肋且市場增量有限,很多公司都放棄了這塊業務。

對於消費級產品的“沒落”,上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院3D打印中心常務副主任姜文博總結的三個原因則是:技術門檻低造成價格戰,商業模式不完善,以及剛性需求不足。

工業級市場同樣難現“昔日輝煌”。以3D打印行業的龍頭設備製造商3D Systems和Stratasys為例,它們在納斯達克的股價都在2014年年初升至最高,分別達97.28美元/股、138.1美元/股,然而從2014年下半年開始,它們的市值便急轉直下,目前各自的股價分別為12美元/股、19美元/股左右。

資本退潮的原因之一是,這些3D打印公司並沒有帶來穩定增長的業績。數據顯示,無論是3D Systems還是Stratasys,近幾年的營業收入總是在原地徘徊(每年約在六七億美元),甚至還有下滑跡象,更不用談盈利。

投資者們普遍認為,3D打印在工業級應用上仍欠缺強度和精度,對於他們的潛在客戶而言,設備和原材料也未免太昂貴,因此,在產業化初期,這項技術僅僅適合新產品的開發和小批量零件的生產。換句話講,3D打印具有一定的應用價值,但商業價值幾何,難說。

“早期的宣傳是有點兒過頭了,動輒‘3D打印,包治百病’,但其實不是那麼回事兒。”維捷(蘇州)三維打印有限公司總經理金天拾對記者表示,前期的喧囂聲中,市場對3D打印這項技術抱有了過高的期待,可實際上,這項工藝儘管有特點,但也有很多限制,所以很多項目都處於停滯期。

落地

近日,在中南大學湘雅醫院手術室內,骨科副主任醫師鍾達副教授完成了一次特殊的人工關節置換手術,使病人擺脫了60年的左腿跛行之苦。

這是湖南省首例MR技術(Mixed Reality)與3D打印技術結合下的人工關節置換術,也是3D打印在醫療領域的一次典型案例。

在這個案例中,鍾達將病人的患處掃描文件數據導入到三維建模軟件中,重建出病變部位組織的三維解剖模型後,把這些通過3D打印機制作出1:1的實體模型,作為手術參考。

據提供該解決方案的湖南華曙高科技有限責任公司(下稱“華曙高科”)相關負責人介紹,將3D打印出的手術相關部位模型結合,能夠讓醫生對手術操作有更好的把握,“原本這個手術高度依賴醫生的臨床經驗,有了輔助模型後,手術精確度大幅提升。”

華曙高科是國內一家頗具規模的工業級3D打印設備製造商及服務商,由著名3D打印科學家許小曙於2009年創立。

儘管在媒體報道中,醫療3D打印更多是充滿獵奇感的“3D打印人體器官”,但目前應用較多的,還是在實施過程中的輔助性工具。在描述其3D打印場景時,有“醫療3D打印第一股”之稱的愛康醫療(01789.HK)列舉了三例:3D成像及建模、打印模型、制定個性化手術方案及模擬手術。

中國醫療器械行業協會的資料顯示,醫療3D打印率先在齒科行業得到了大量應用,主要產品包括可摘義齒、矯正器和種植牙,其次是在骨科臨床中,可以實施術前模擬,幫助制定最佳手術方案。而3D打印器官所屬的生物3D打印,目前只是研究的前沿熱點,尚具有極大的挑戰性。

事實上,3D打印最開始應用在原型設計上,即簡化傳統的“設計-模具-生產”流程,直接從設計到生產,並及時反饋結果,縮短研發週期。因此,3D打印目前應用最廣泛的領域是航空航天、醫療、汽車等領域。

在給C919“救火”的案例中,3D打印正是發揮了“一體成型、生產週期短、加工精度高”的優勢,在相對較短的時間內完成了產品設計與調試,並通過了最後的檢驗。

近年來,3D打印在中國應用的一個可喜突破是“走出實驗室”,真正成為終端產品的一部分。在C919的製造過程中,飛而康不僅提供了排氣管道入口構件,而且為每架C919提供了31個金屬3D零件,併成為商飛的3D打印零件批量供應商。

與醫療行業類似,在航空航天、汽車等工業領域,3D打印的主要用途在三方面,一是製造原型件驗證設計,二是製作蠟模、砂模間接參與鑄造,三是生產功能件直接使用。第三種情況下,功能件既可應用在產品中,也可應用在生產過程中。

德國3D打印公司EOS前大中華區總經理吳承軒曾對21世紀經濟報道記者表示,3D打印能突破傳統制造方式的技術限制,生產幾何形狀高度複雜、重量超輕且性能穩定的零件,因此能夠滿足一些高精尖行業對複雜零件的需求。

綜合近兩年的媒體報道,不難看出,3D打印在終端產品上的應用案例越來越司空見慣,尤其是國外相對成熟的市場,波音、空客、西門子、通用電氣等國際巨頭紛紛入局,3D打印的渦輪葉片、燃油噴嘴等關鍵部件,正逐步取代著傳統工藝和它們的產品。

而在生產製造領域,類似於醫療行業的手術模擬,3D打印也能在智能製造的過程中“錦上添花”。據Stratasys前大中華區總經理翟蓮子介紹,3D打印在生產的組裝、檢查、包裝等各個環節早有應用落地,尤其是在一些行業領先的企業。

以寶馬為例,其在製造過程中嘗試了利用3D打印來製作手持組裝工具,主要是400多個夾具和治具。據悉,3D打印完成的稀疏填充削減了72%的重量,並將交付時間和成本分別節約了92%、58%。

不過,客觀而言,3D打印目前對傳統行業尤其是製造業還談不上“顛覆”,更多像是對傳統行業的有力補充,所以市場規模其實還很小。

攻堅

真正做3D打印的人都在焦慮:什麼時候可以量產?畢竟整個設計市場容量有限,3D打印行業如果只是侷限於這一領域,市場很快就會見頂。

更為現實的是,如果只靠著在設計領域解決科研問題,很多公司的業務量根本不足以支撐它到盈利的那天。銀邦股份在今年上半年的年報中坦言,飛而康作為C919唯一的金屬3D打印零部件供應商,目前尚未實現盈利,而C919進入量產階段後,飛而康才有機會實現大量業務收入。

“3D打印可以用來做研發,這已經被市場證明了。但研發只是一塊小規模的市場,現在行業內的人們已經認識到這點,都有很強的危機感,3D打印用於量產才是出路。”金天拾說道。

有業內人士對21世紀經濟報道記者表示,目前從技術層面而言,國內的廠商或已經在尺寸、質量方面遇到了挑戰,所以目前的產品都難以符合大批量生產的要求,應用場景比較侷限。

“目前的主流技術粉床燒結和熔鑄本質上是一種焊接,要將材料從室溫加熱到非常高的溫度,劇烈的溫度變化會造成巨大的熱脹冷縮,從而在物體內部形成很大的應力。”上述人士指出,這樣的工藝,如果是小的零部件,還可以通過一些掃描上的策略平均應力的分佈,但是如果是大件,應力就可能超過整個零件能夠承受的極限,在加工過程中便出現開裂。

這也是飛而康在研製C919發動機風扇進氣口時遇到的核心問題之一。不過季新陽對記者表示,C919項目的成功,為未來進行大尺寸零部件的打印積累了很多經驗,也給他們樹立了很大信心。

事實上,通用電氣的燃油噴嘴案例已經讓3D打印從業者們看到了量產的希望。有數據顯示,GE用3D打印製作出的燃油噴嘴,能夠將原來的零部件從20個簡化為1個,而這樣的噴嘴GE每年要生產3.5萬-4萬個。

但是這顯然僅僅是個開端,更多精密的零部件體積更大、工藝更為複雜。這是一片廣闊的藍海,可3D打印暫時被擋在了門外。

在上一屆SAMA國際論壇上,翟蓮子曾介紹,Stratasys已與部分合作夥伴共同開發了一種“無限打印”的概念型產品:“3D Demonstrator”,用於製造較大尺寸的工具和零件。與傳統3D打印的逐層覆蓋工藝不同,3D Demonstrator是橫向打印,像傳輸機一樣,可以一邊打印一邊輸出,理論上可以克服尺寸的限制。

她當時還特別強調,這款機器還克服了傳統3D打印的“各向異性”特徵,打印出的大件能與傳統的鑄造材料一樣,是各向同性,即在各個方向都有著相同的性能,也就是說應力不會導致大件開裂。

不過據21世紀經濟報道記者瞭解,目前這款概念產品仍未投入市場。由於成本頗高,且技術上的可靠性仍需驗證,它尚不具備大幅推向市場的條件。但是,越來越多的廠商正在批量生產的賽道上佈局。

近期,維捷中國(蘇州)的母公司德國voxeljet AG宣佈,要與合作伙伴一起,為一家德國的汽車企業提供3D打印量產生產線。

金天拾告訴21世紀經濟報道記者,公司的這個項目,突破在於三點,一是首次將3D打印用於汽車行業工業品的批量生產,年產量20萬件,每分鐘1件;二是3D打印的量產工業品單件尺寸提升到100mm-1000mm,應用範圍大大擴展;三是全自動柔性生產線。

需要指出的是,voxeljet AG做的並非是工業領域應用較多的金屬直接3D打印,而是3D打印+鑄造,通過3D打印製造出砂型,再將砂型澆鑄金屬,從而大批量生產複雜金屬零件。

金天拾也坦言,3D打印量產的後處理是更大的挑戰。“目前後處理大多由工人手工進行。假設一個砂型需要10分鐘的後處理人工,一天產能1000件,後處理就需要160個工時,20個人工。一條高科技的3D打印生產線有20個工人在做後處理,這不是很可笑嘛?”如果零件幾何構造複雜,後處理清理還需要花更多時間。

正是因此,voxeljet AG才在後處理的自動化上力求突破。“(3D打印量產)實質上對整個工藝鏈的質量、效率和可靠性都有嚴格要求,從前端的數據到後期的後處理,任何環節都不能脫節。”金天拾表示。

在今年的SAMA論壇上,武漢薩普汽車科技有限公司技術總監蔣曉冬也表達了類似的觀點。談及“3D打印是否能可持續發展”這個話題時,蔣曉冬指出,工業級的3D打印要可持續發展,首先必須要完成工藝的健康發展,從材料、裝備、後處理以及廢料等一系列方面不斷完善。

從應用角度來看,3D打印的大批量推廣才剛剛開始,作為一種創新工藝,接下來才是它真正發揮獨特效益的時候。可以想象的是,未來3D打印將廣泛應用於各種各樣的工廠、車間裡。那時,即便風口不再,又何妨?


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