3D打印的市場與技術挑戰(zhàn)

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、帶來的新的商業(yè)模式，市場預測、目前所面臨的技術與商業(yè)挑戰(zhàn)等。

3D打印的優(yōu)勢和特點

　　3D打印改變了傳統(tǒng)格局。首先提升了設計和幾何的自由性，可以做出更有個性化的產(chǎn)品，可減少生產(chǎn)中的材料消耗、減輕重量和減少開模。

　　3D打印也開啟了全新的商業(yè)模式，如圖1，過去是供應商網(wǎng)絡提供原材料，之后在集中的制造場所制造，再由分銷網(wǎng)絡分發(fā)到各個客戶。而新方式是通過電腦設計，通過網(wǎng)絡/云分發(fā)到本地的制造場所去打印，然后分發(fā)給各個客戶。

　　3D打印也帶來了生產(chǎn)經(jīng)濟學的改變。如圖3，傳統(tǒng)是規(guī)模經(jīng)濟(即數(shù)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：2017年制造工具超過原型制作

　　據(jù)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(jù)3D打印機公司Stratasys測算，2017年將迎來第一個拐點：即制造工具將超過原型制作。這個拐點也是最終零件生產(chǎn)應用起飛的前夜，從2018年開始，3D打印在最終零件生產(chǎn)的應用將快速增長。到2019年前后，有望迎來第二個拐點，即3D打印在最終零件生產(chǎn)的應用超過工具制作的應用。

　　零部件市場的規(guī)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)，其市場將會突然加速。如果第一個拐點的到來花了三年多時間，那么第二個拐點的到來只需要一年左右的時間。

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

　　Gartner預測，未來5~10年，3D打印將給人們帶來完全不同的世界。到2020年，10%的工業(yè)運營商會將機器人、3D打印技術整合到制造業(yè)流程中;在醫(yī)療領域，30%的內(nèi)部醫(yī)療植入物和設備將是3D打印的;此外，產(chǎn)品生產(chǎn)時間將因3D打印而減少25%，全球75%的制造業(yè)務將整合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打印的技術成熟度曲線》，如圖5。該曲線是Gartner的一個分析工具，是新技術、新概念在媒體上的曝光度隨時間的變化曲線，一般分為5個階段，分別是早期的快速發(fā)展期(Technology Trigger)、過高期望的峰頂(Peak of Inflated Expectations)、泡沫化的底谷期(Trough of Disillusionment)、穩(wěn)步爬升期(Slope of Enlightenment)和穩(wěn)定生產(chǎn)期(Plateau of Productivity)。

　　Gartner認為，當一項技術達到穩(wěn)定生產(chǎn)期，它成為主流的時間將不多于兩年。一項技術進入穩(wěn)步爬升期，它在未來二到五年內(nèi)將進入主流應用。Gartner技術成熟度曲線顯示，3D打印聽力設備、3D打印原型的技術跨越穩(wěn)定生產(chǎn)期已經(jīng)有一定時間。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打印服務等應用都在排隊進入主流。

　　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，一般采用PLA(聚乳酸)材料，材料價格較為低廉。小孩子可以設計小軟件/小東西，能夠打印出來，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(wěn)定性、精確性等較高，與教育類屬于完全兩個不同的領域。北美是工業(yè)級最成熟的市場，比國內(nèi)早十年，因而北美應用的寬度和深度也比國內(nèi)早很多。但是中國市場的發(fā)展速度較快。在中國，汽車、航空航天、消費電子、醫(yī)療等是3D打印企業(yè)的目標市場 。

　　由圖6可見，在2017年上半年的3D打印市場，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(zhàn)

　　不久前，Stratasys大中華區(qū)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，而且也沒有特殊的力學、化學/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(xiàn)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)開發(fā)，在汽車廠已有很多應用。例如用于貼汽車標牌的貼標機(如圖7)。傳統(tǒng)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，然后加上兩個手柄。但是很重，工人拿這種工具一天貼數(shù)百個標，會很累。另外也不符合人體工程學，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。

　　這種貼標機就可以用3D打印。經(jīng)過重新設計后，中間部分被挖空。例如原來是一塊鋼板，把它挖空了以后，還要做掏空后處理。而3D打印時，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，這樣握起來會更舒服。且手柄原來是鋁管加工而成，非常重，現(xiàn)在是打印塑料。據(jù)測算，通過3D打印機一次性把貼標機打印出來以后，比原來輕75%。這不僅降低了工人的工作強度，還降低了成本。

　　第三個階段是批量生產(chǎn)的階段，挑戰(zhàn)很多。

　　第一，材料。材料的多樣性和功能性是否可以滿足最終的材料要求?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。所以材料科學的發(fā)展，目前還是3D打印里發(fā)展的一個主要領域。

　　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(zhàn)，我國設計人才還較為欠缺。例如貼標機，圖7的產(chǎn)品是重新設計出來的，并不是依照原有的貼標機重新用塑料打印出來的，需要做很多改觀設計，例如鏤空、增加加強筋、重新優(yōu)化弧度等。這類設計雖然不難，但是觀念的轉變是很難的，因為很多在產(chǎn)線上的工程師不一定有使用3D打印的觀念。但預計再經(jīng)過一二十年，這個挑戰(zhàn)會被解決，因為現(xiàn)在我國職業(yè)學校、高中、大學里開展了專門的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。機械制造的一個最大優(yōu)勢是可大批次生產(chǎn)，每個批次之間的公差精度控制得非常好。但是增材制造關注的是單個級別的制造，打印出來的每個批次之間的誤差和精度會差得比較大，與機械制造不在一個數(shù)量級。

3D打印的未來方向?

　　關于上文提到的幾大挑戰(zhàn)：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，其中一個挑戰(zhàn)是材料性能還不夠高，另外是材料成本貴。Stratasys會在2018年年中推出兩款為中國用戶量身定制的新材料，使材料成本降下來。