3D打印的市場(chǎng)與技術(shù)挑戰

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(lái)的新的商業(yè)模式，市場(chǎng)預測、目前所面臨的技術(shù)與商業(yè)挑戰等。

3D打印的優(yōu)勢和特點(diǎn)

　　3D打印改變了傳統格局。首先提升了設計和幾何的自由性，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(kāi)模。

　　3D打印也開(kāi)啟了全新的商業(yè)模式，如圖1，過(guò)去是供應商網(wǎng)絡(luò )提供原材料，之后在集中的制造場(chǎng)所制造，再由分銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò )分發(fā)到各個(gè)客戶(hù)。而新方式是通過(guò)電腦設計，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )/云分發(fā)到本地的制造場(chǎng)所去打印，然后分發(fā)給各個(gè)客戶(hù)。

　　3D打印也帶來(lái)了生產(chǎn)經(jīng)濟學(xué)的改變。如圖3，傳統是規模經(jīng)濟(即數量越大，成本越低)，在應用3D打印機后是范圍經(jīng)濟(即復雜度越高，生產(chǎn)成本越高)。

市場(chǎng)：2017年制造工具超過(guò)原型制作

　　據麥肯錫公司預測，到2025年，3D打印將對2300~5500億美元的經(jīng)濟產(chǎn)生影響。

　　3D打印有三種應用形態(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3D打印機公司Stratasys測算，2017年將迎來(lái)第一個(gè)拐點(diǎn)：即制造工具將超過(guò)原型制作。這個(gè)拐點(diǎn)也是最終零件生產(chǎn)應用起飛的前夜，從2018年開(kāi)始，3D打印在最終零件生產(chǎn)的應用將快速增長(cháng)。到2019年前后，有望迎來(lái)第二個(gè)拐點(diǎn)，即3D打印在最終零件生產(chǎn)的應用超過(guò)工具制作的應用。

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

　　多家市場(chǎng)研究機構的數據佐證了Stratasys公司的上述判斷。2017年4月，市場(chǎng)研究機構MarketsandMarkets發(fā)布了關(guān)于全球3D打印市場(chǎng)的最新報告，預測2017年至2023年間的年復合增長(cháng)率為25.76%，到2023年，3D打印市場(chǎng)預計將達到3278億美元。

　　Gartner預測，未來(lái)5~10年，3D打印將給人們帶來(lái)完全不同的世界。到2020年，10%的工業(yè)運營(yíng)商會(huì )將機器人、3D打印技術(shù)整合到制造業(yè)流程中;在醫療領(lǐng)域，30%的內部醫療植入物和設備將是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(xiàn)》，如圖5。該曲線(xiàn)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(xiàn)，一般分為5個(gè)階段，分別是早期的快速發(fā)展期(Technology Trigger)、過(guò)高期望的峰頂(Peak of Inflated Expectations)、泡沫化的底谷期(Trough of Disillusionment)、穩步爬升期(Slope of Enlightenment)和穩定生產(chǎn)期(Plateau of Productivity)。

　　Gartner認為，當一項技術(shù)達到穩定生產(chǎn)期，它成為主流的時(shí)間將不多于兩年。一項技術(shù)進(jìn)入穩步爬升期，它在未來(lái)二到五年內將進(jìn)入主流應用。Gartner技術(shù)成熟度曲線(xiàn)顯示，3D打印聽(tīng)力設備、3D打印原型的技術(shù)跨越穩定生產(chǎn)期已經(jīng)有一定時(shí)間。3D打印電子產(chǎn)品和纖維、3D打印牙科設備、粘合劑噴射、材料噴射、汽車(chē)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)等應用都在排隊進(jìn)入主流。

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

　　但是工業(yè)級完全不一樣，工業(yè)級要求多種工程性材料，而且穩定性、精確性等較高，與教育類(lèi)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(chǎng)，比國內早十年，因而北美應用的寬度和深度也比國內早很多。但是中國市場(chǎng)的發(fā)展速度較快。在中國，汽車(chē)、航空航天、消費電子、醫療等是3D打印企業(yè)的目標市場(chǎng) 。

　　由圖6可見(jiàn)，在2017年上半年的3D打印市場(chǎng)，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

　　不久前，Stratasys大中華區總經(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所示的第三階段應用，即直接打印出來(lái)的材料可用在最終的產(chǎn)品上，例如水杯架、報紙架、馬桶圈、格柵架等。因為它們非承重，而且也沒(méi)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。

　　但現階段的3D打印應用主要是原型，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工裝夾具，這種應用已經(jīng)開(kāi)發(fā)，在汽車(chē)廠(chǎng)已有很多應用。例如用于貼汽車(chē)標牌的貼標機(如圖7)。傳統的工藝是用金屬做，因為屬于機械加工，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百個(gè)標，會(huì )很累。另外也不符合人體工程學(xué)，再有需要較多的零部件，如果貼標機壞了，需要很多零件組裝起來(lái)。

　　這種貼標機就可以用3D打印。經(jīng)過(guò)重新設計后，中間部分被挖空。例如原來(lái)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。另外貼標機的手柄可以是有弧度的，這樣握起來(lái)會(huì )更舒服。且手柄原來(lái)是鋁管加工而成，非常重，現在是打印塑料。據測算，通過(guò)3D打印機一次性把貼標機打印出來(lái)以后，比原來(lái)輕75%。這不僅降低了工人的工作強度，還降低了成本。

　　第三個(gè)階段是批量生產(chǎn)的階段，挑戰很多。

　　第一，材料。材料的多樣性和功能性是否可以滿(mǎn)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(lái)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(lái)看，3D打印材料還需要耐高溫或抗嚴寒，或者是超高強度、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。

　　第三是設計。這也是在中國的較大挑戰，我國設計人才還較為欠缺。例如貼標機，圖7的產(chǎn)品是重新設計出來(lái)的，并不是依照原有的貼標機重新用塑料打印出來(lái)的，需要做很多改觀(guān)設計，例如鏤空、增加加強筋、重新優(yōu)化弧度等。這類(lèi)設計雖然不難，但是觀(guān)念的轉變是很難的，因為很多在產(chǎn)線(xiàn)上的工程師不一定有使用3D打印的觀(guān)念。但預計再經(jīng)過(guò)一二十年，這個(gè)挑戰會(huì )被解決，因為現在我國職業(yè)學(xué)校、高中、大學(xué)里開(kāi)展了專(zhuān)門(mén)的3D打印課，除了有設備、材料的介紹，還有軟件的設計。

　　第四是打印的可重復性。機械制造的一個(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(lái)的每個(gè)批次之間的誤差和精度會(huì )差得比較大，與機械制造不在一個(gè)數量級。

3D打印的未來(lái)方向?

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