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3D打印“后风口时代”
2018-11-03浏览量:104评论数:
2016年6月,在公司敞亮的会议室中,季新阳和他的团队接到了一项新任务。



这天,中国商飞的研发团队风尘仆仆地赶往无锡,他们告诉季新阳,C919项目遇到了难题,一家供应商的铝合金试验失败,发动机风扇进气入口做不出来了。

当时,这款中国首次自主研发的干线民航客机进入了研制的关键阶段。四个月后,C919将迎来第一次发动机点火试验,为万众瞩目的首飞做准备。一个零部件赶不上进度,能直接影响点火节点,并使首飞时间推迟。

紧急情况下,商飞找到无锡飞而康快速制造科技有限公司,这家3D打印服务商2013年起就开始与商飞合作,此时临危受命。季新阳担任了这个项目的负责人,他那时并不知道需要克服多少困难,一度觉得又要攻克新技术,“很兴奋”。

拿着商飞带来的一堆数模和技术文件,季新阳和他的团队投入到了这个紧急项目中。彼时,飞而康刚刚拿到当时国内最大尺寸的3D打印设备,他们大胆地发挥3D打印的优势,把原来3个段的零件集合到1个上面。

不过,这样打印出的完整零件尺寸相对较大(直径400mm,长500mm),而且壁很薄,对传统的3D打印技术而言是一项不小的挑战。

当第一个样件做出来的时候,所有人都傻眼了:整个件开裂得厉害,完全不能用。样件还没从机器上取下,季新阳便深切地感受到,这项技术的瓶颈远远超出他的想象,所有的工作还要在规定期限内完成,他压力陡增。

后来,他们联合了来自澳大利亚的技术顾问,吸取第一次失败的经验,严格地控制了原材料的配比,并对所有应力集中的地方进行了改进。但最终做出来的零件变形厉害,远远达不到商飞的0.5mm以内的偏差要求。

最后,季新阳和他的团队通过数次的仿真模拟,终于寻找到产生形变的最重要原因,采用一种先进的支撑结构辅助解决成型过程中的应力集中问题,最终生产出形状、尺寸、性能都合格的排气管道零部件,并按时完成了产品交付。同年11月9日,C919发动机点火成功。

这件事在商飞内部引起了轰动,默默无闻的飞而康也在业内一战成名。商飞一位C919项目工程副总经理甚至给飞而康发了一封感谢信,感谢其团队为C919顺利点火做出的“巨大贡献”。

不过,如果不关注飞机制造或是3D打印,很少有人知道这么一家3D打印服务商,更少人知道它们还是A股上市公司银邦股份(300337.SZ)的参股子公司。2017年5月,C919第一架机首飞,大飞机产业链上下游的概念股提前“起飞”,银邦股份不但没赶上这波“躺赢”的红利,反而下跌了几个点。

飞而康和银邦股份受到的资本待遇是整个中国3D打印行业的缩影。五年前的风口退去之后,3D打印如同风靡一时的流行歌曲,过气后就再鲜少有人传唱了。

从2014年开始,3D打印的热潮开始冷却。在消费级市场,人们吐槽它不够快速不够美观,在工业级市场,制造商们又对它的质量、成本和效率感到失望。另一方面,尽管龙头企业的设备还号称大卖,但资本市场上的“热钱”早已退场。3D打印的从业者们只好微笑着表示,行业进入了“理性发展期”。

但与此同时,3D打印在设计领域的独特功效已经被反复验证,无论是消费级市场还是工业级市场,3D打印的技术与理念仍在不断革新,而“规模化生产”这个与3D打印“先天不合”的应用场景也似乎渐行渐近。

经历了失败也见证了成功,被泼了冷水又能洒上热血,目力所及,既是机遇又是挑战。这是3D打印完成生命周期跨越的关键阶段,也是3D打印的“后风口时代”。

“退烧”

10月26日,上海临港一家五星级酒店大堂中人头攒动,二十余家3D打印企业的展台聚集在大堂外厅中,人们三五成群地寒暄或自我介绍,积极与新认识的朋友推介最新研制的材料和最新打印的产品。

这是第三届SAMA国际论坛暨2018世界3D打印年会的现场,今年会议的主题是“构建世界3D打印产业共同体,实现共赢共享”。论坛之外,主办方上海增材制造协会进行了非洲、欧洲代表处的授牌仪式,以搭建中非、中欧在3D打印行业合作交流的桥梁。

这是一个颇具宏观视野的主题,同时也在某种层面上暗合了当前3D打印所面临的产业困境:行业整体上处于导入期之末、成长期之初,企业势单力薄独木难行;另一方面资本却分外谨慎。3D打印正处于转型的关键时期,但向上跃升的支点却不再那么容易找到。在此背景下,合作共赢成为发展突围势在必行的一步。

与五年前的火热相比,目前3D打印产业进入了明显的冷静期:众多消费级设备商、材料商、服务商离场,工业级玩家东奔西跑,在各个领域寻找合作机会;资本市场上,纯粹的3D打印公司鲜少能在主板上市,3D打印概念股在暴涨之后趋于平稳,美国股市上,行业龙头的估值也经历了一波残酷的回调。

2013年前后是3D打印最风光的时期。如平地一声雷,英国《经济学人》杂志的一篇报道《第三次工业革命》,使这项发展了30年但异常小众的技术迅速走入大众视野,美国时任总统奥巴马的高调“站台”则让它迅速火遍全球。

在那个阶段,3D打印领域的一项核心技术,即熔融层积成型技术(FDM),专利到期了,加上该技术使用的耗材基本实现了国产化,很多创业者开始投入到其中,做“发烧友”的生意,例如杭州铭展、太尔时代等。

值得一提的是,太尔时代脱胎于清华大学颜永年教授的研究团队。颜永年被誉为“中国3D打印第一人”,1990年成立了国内首个快速成型实验室,并在1992年研制出了国内第一台快速成型设备,2003年成立了太尔时代。

不过,最初太尔时代以生产工业级设备为主,而FDM则主要应用于消费级设备。这个转型在很大程度上体现了当时消费级3D打印市场的火爆,因为国内市场不算太大而又竞争激烈,太尔时代甚至一度将产品卖到了国外。

但五年之后的今天,消费级设备如何发展却不再是业内讨论的话题。“很多人对FDM工艺失望透顶。”一位参展商对21世纪经济报道记者坦言,因为产品鸡肋且市场增量有限,很多公司都放弃了这块业务。

对于消费级产品的“没落”,上海交通大学医学院附属第九人民医院3D打印中心常务副主任姜文博总结的三个原因则是:技术门槛低造成价格战,商业模式不完善,以及刚性需求不足。

工业级市场同样难现“昔日辉煌”。以3D打印行业的龙头设备制造商3D Systems和Stratasys为例,它们在纳斯达克的股价都在2014年年初升至最高,分别达97.28美元/股、138.1美元/股,然而从2014年下半年开始,它们的市值便急转直下,目前各自的股价分别为12美元/股、19美元/股左右。

资本退潮的原因之一是,这些3D打印公司并没有带来稳定增长的业绩。数据显示,无论是3D Systems还是Stratasys,近几年的营业收入总是在原地徘徊(每年约在六七亿美元),甚至还有下滑迹象,更不用谈盈利。

投资者们普遍认为,3D打印在工业级应用上仍欠缺强度和精度,对于他们的潜在客户而言,设备和原材料也未免太昂贵,因此,在产业化初期,这项技术仅仅适合新产品的开发和小批量零件的生产。换句话讲,3D打印具有一定的应用价值,但商业价值几何,难说。

“早期的宣传是有点儿过头了,动辄‘3D打印,包治百病’,但其实不是那么回事儿。”维捷(苏州)三维打印有限公司总经理金天拾对记者表示,前期的喧嚣声中,市场对3D打印这项技术抱有了过高的期待,可实际上,这项工艺尽管有特点,但也有很多限制,所以很多项目都处于停滞期。

落地

近日,在中南大学湘雅医院手术室内,骨科副主任医师钟达副教授完成了一次特殊的人工关节置换手术,使病人摆脱了60年的左腿跛行之苦。

这是湖南省首例MR技术(Mixed Reality)与3D打印技术结合下的人工关节置换术,也是3D打印在医疗领域的一次典型案例。

在这个案例中,钟达将病人的患处扫描文件数据导入到三维建模软件中,重建出病变部位组织的三维解剖模型后,把这些通过3D打印机制作出1:1的实体模型,作为手术参考。

据提供该解决方案的湖南华曙高科技有限责任公司(下称“华曙高科”)相关负责人介绍,将3D打印出的手术相关部位模型结合,能够让医生对手术操作有更好的把握,“原本这个手术高度依赖医生的临床经验,有了辅助模型后,手术精确度大幅提升。”

华曙高科是国内一家颇具规模的工业级3D打印设备制造商及服务商,由著名3D打印科学家许小曙于2009年创立。

尽管在媒体报道中,医疗3D打印更多是充满猎奇感的“3D打印人体器官”,但目前应用较多的,还是在实施过程中的辅助性工具。在描述其3D打印场景时,有“医疗3D打印第一股”之称的爱康医疗(01789.HK)列举了三例:3D成像及建模、打印模型、制定个性化手术方案及模拟手术。

中国医疗器械行业协会的资料显示,医疗3D打印率先在齿科行业得到了大量应用,主要产品包括可摘义齿、矫正器和种植牙,其次是在骨科临床中,可以实施术前模拟,帮助制定最佳手术方案。而3D打印器官所属的生物3D打印,目前只是研究的前沿热点,尚具有极大的挑战性。

事实上,3D打印最开始应用在原型设计上,即简化传统的“设计-模具-生产”流程,直接从设计到生产,并及时反馈结果,缩短研发周期。因此,3D打印目前应用最广泛的领域是航空航天、医疗、汽车等领域。

在给C919“救火”的案例中,3D打印正是发挥了“一体成型、生产周期短、加工精度高”的优势,在相对较短的时间内完成了产品设计与调试,并通过了最后的检验。

近年来,3D打印在中国应用的一个可喜突破是“走出实验室”,真正成为终端产品的一部分。在C919的制造过程中,飞而康不仅提供了排气管道入口构件,而且为每架C919提供了31个金属3D零件,并成为商飞的3D打印零件批量供应商。

与医疗行业类似,在航空航天、汽车等工业领域,3D打印的主要用途在三方面,一是制造原型件验证设计,二是制作蜡模、砂模间接参与铸造,三是生产功能件直接使用。第三种情况下,功能件既可应用在产品中,也可应用在生产过程中。

德国3D打印公司EOS前大中华区总经理吴承轩曾对21世纪经济报道记者表示,3D打印能突破传统制造方式的技术限制,生产几何形状高度复杂、重量超轻且性能稳定的零件,因此能够满足一些高精尖行业对复杂零件的需求。

综合近两年的媒体报道,不难看出,3D打印在终端产品上的应用案例越来越司空见惯,尤其是国外相对成熟的市场,波音、空客、西门子、通用电气等国际巨头纷纷入局,3D打印的涡轮叶片、燃油喷嘴等关键部件,正逐步取代着传统工艺和它们的产品。

而在生产制造领域,类似于医疗行业的手术模拟,3D打印也能在智能制造的过程中“锦上添花”。据Stratasys前大中华区总经理翟莲子介绍,3D打印在生产的组装、检查、包装等各个环节早有应用落地,尤其是在一些行业领先的企业。

以宝马为例,其在制造过程中尝试了利用3D打印来制作手持组装工具,主要是400多个夹具和治具。据悉,3D打印完成的稀疏填充削减了72%的重量,并将交付时间和成本分别节约了92%、58%。

不过,客观而言,3D打印目前对传统行业尤其是制造业还谈不上“颠覆”,更多像是对传统行业的有力补充,所以市场规模其实还很小。

攻坚

真正做3D打印的人都在焦虑:什么时候可以量产?毕竟整个设计市场容量有限,3D打印行业如果只是局限于这一领域,市场很快就会见顶。

更为现实的是,如果只靠着在设计领域解决科研问题,很多公司的业务量根本不足以支撑它到盈利的那天。银邦股份在今年上半年的年报中坦言,飞而康作为C919唯一的金属3D打印零部件供应商,目前尚未实现盈利,而C919进入量产阶段后,飞而康才有机会实现大量业务收入。

“3D打印可以用来做研发,这已经被市场证明了。但研发只是一块小规模的市场,现在行业内的人们已经认识到这点,都有很强的危机感,3D打印用于量产才是出路。”金天拾说道。

有业内人士对21世纪经济报道记者表示,目前从技术层面而言,国内的厂商或已经在尺寸、质量方面遇到了挑战,所以目前的产品都难以符合大批量生产的要求,应用场景比较局限。

“目前的主流技术粉床烧结和熔铸本质上是一种焊接,要将材料从室温加热到非常高的温度,剧烈的温度变化会造成巨大的热胀冷缩,从而在物体内部形成很大的应力。”上述人士指出,这样的工艺,如果是小的零部件,还可以通过一些扫描上的策略平均应力的分布,但是如果是大件,应力就可能超过整个零件能够承受的极限,在加工过程中便出现开裂。

这也是飞而康在研制C919发动机风扇进气口时遇到的核心问题之一。不过季新阳对记者表示,C919项目的成功,为未来进行大尺寸零部件的打印积累了很多经验,也给他们树立了很大信心。

事实上,通用电气的燃油喷嘴案例已经让3D打印从业者们看到了量产的希望。有数据显示,GE用3D打印制作出的燃油喷嘴,能够将原来的零部件从20个简化为1个,而这样的喷嘴GE每年要生产3.5万-4万个。

但是这显然仅仅是个开端,更多精密的零部件体积更大、工艺更为复杂。这是一片广阔的蓝海,可3D打印暂时被挡在了门外。

在上一届SAMA国际论坛上,翟莲子曾介绍,Stratasys已与部分合作伙伴共同开发了一种“无限打印”的概念型产品:“3D Demonstrator”,用于制造较大尺寸的工具和零件。与传统3D打印的逐层覆盖工艺不同,3D Demonstrator是横向打印,像传输机一样,可以一边打印一边输出,理论上可以克服尺寸的限制。

她当时还特别强调,这款机器还克服了传统3D打印的“各向异性”特征,打印出的大件能与传统的铸造材料一样,是各向同性,即在各个方向都有着相同的性能,也就是说应力不会导致大件开裂。

不过据21世纪经济报道记者了解,目前这款概念产品仍未投入市场。由于成本颇高,且技术上的可靠性仍需验证,它尚不具备大幅推向市场的条件。但是,越来越多的厂商正在批量生产的赛道上布局。

近期,维捷中国(苏州)的母公司德国voxeljet AG宣布,要与合作伙伴一起,为一家德国的汽车企业提供3D打印量产生产线。

金天拾告诉21世纪经济报道记者,公司的这个项目,突破在于三点,一是首次将3D打印用于汽车行业工业品的批量生产,年产量20万件,每分钟1件;二是3D打印的量产工业品单件尺寸提升到100mm-1000mm,应用范围大大扩展;三是全自动柔性生产线。

需要指出的是,voxeljet AG做的并非是工业领域应用较多的金属直接3D打印,而是3D打印+铸造,通过3D打印制造出砂型,再将砂型浇铸金属,从而大批量生产复杂金属零件。

金天拾也坦言,3D打印量产的后处理是更大的挑战。“目前后处理大多由工人手工进行。假设一个砂型需要10分钟的后处理人工,一天产能1000件,后处理就需要160个工时,20个人工。一条高科技的3D打印生产线有20个工人在做后处理,这不是很可笑嘛?”如果零件几何构造复杂,后处理清理还需要花更多时间。

正是因此,voxeljet AG才在后处理的自动化上力求突破。“(3D打印量产)实质上对整个工艺链的质量、效率和可靠性都有严格要求,从前端的数据到后期的后处理,任何环节都不能脱节。”金天拾表示。

在今年的SAMA论坛上,武汉萨普汽车科技有限公司技术总监蒋晓冬也表达了类似的观点。谈及“3D打印是否能可持续发展”这个话题时,蒋晓冬指出,工业级的3D打印要可持续发展,首先必须要完成工艺的健康发展,从材料、装备、后处理以及废料等一系列方面不断完善。

从应用角度来看,3D打印的大批量推广才刚刚开始,作为一种创新工艺,接下来才是它真正发挥独特效益的时候。可以想象的是,未来3D打印将广泛应用于各种各样的工厂、车间里。那时,即便风口不再,又何妨?

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