3D打印技術(shù)是一種增材制造技術(shù) （AddictiveManufacturing），由ASTM定義為“基于三維模型，通過材料的逐漸累積，通常是逐層堆積，來制造物件的技術(shù)”。
可以通過與傳統(tǒng)制造業(yè)的減材制造對比來理解增材制造：減材制造先由一塊大料（如木頭、金屬等），然后通過切削或其他手段，最終留下所要的形狀。與之相反，增材制造技術(shù)則先從液體或粉末等原材料出發(fā)，利用不同的能量源，將原材料逐層打印成三維實體。3D打印也是一種數(shù)字化成型技術(shù)，在三維軟件完成設(shè)計建模之后，直接轉(zhuǎn)化為實體，過程中不需要任何模具。
最早成立的三家3D打印公司也是目前全球最大的三家3D打印技術(shù)的供應(yīng)商。1984年美國人查爾斯·胡爾（CharlesW.Hull）發(fā)明了 SLA（StereoLithographyAppearance），即光固化成型技術(shù)。胡爾在1986年成立了3DSystems公司。1988年美國人斯科特克倫普（ScottCrump）發(fā)明了FDM（FusedDepositionModeling），即熔融沉積成型技術(shù)。他在第二年（1989年）成立了Stratasys公司。1989年美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的CarlDechard發(fā)明了SLS（SelectiveLaserSintering），即選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。同年，德國EOS公司成立。
早期的3D打印局限于塑料打印。一個關(guān)鍵的技術(shù)轉(zhuǎn)折點是在上世紀(jì)90年代中期，針對金屬燒結(jié)或金屬熔化技術(shù)的增材制造的出現(xiàn)。EOS在1995年推出了全球第一套商業(yè)化的金屬3D打印設(shè)備，能夠直接制造出金屬件，使得3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍瞬間拓展。雖然當(dāng)時可用的金屬材料很少，但從那時起，3D打印技術(shù)開始慢慢拓展到不同行業(yè)。
對前沿技術(shù)比較感興趣的行業(yè)，比如航空航天，最早開始嘗試這項技術(shù)。比如波音認(rèn)為這項技術(shù)可以打破一些傳統(tǒng)加工的限制，實現(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計。由于飛機(jī)的零部件材料需要耐高溫，波音當(dāng)時投資了一筆資金，讓我們研發(fā)適用材料。
這些年來，隨著材料的多樣化，打印速度、打印尺寸，精度等方面的提升，都在持續(xù)推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。現(xiàn)在看來，3D打印技術(shù)還在過渡中，沒有做到真正的大批量生產(chǎn)。但把3D打印技術(shù)發(fā)展成為工業(yè)化生產(chǎn)的一種主要手段，是行業(yè)的一個目標(biāo)。
值得注意的是，由于3D打印技術(shù)還比較新，對于不同級別的3D打印技術(shù)的區(qū)分還沒有一個統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。一些市場調(diào)研有一些初步區(qū)分，比如按設(shè)備價值金額。有一份報告將設(shè)備分為三類，消費級、專業(yè)級和工業(yè)級，超過5萬美金是工業(yè)級。但這樣的區(qū)分仍然粗略，售價超過5萬美金的設(shè)備中，產(chǎn)品跨度也很大。比如EOS的設(shè)備售價就超過5萬美金10倍以上，金屬機(jī)平均是500萬元人民幣，塑料機(jī)也有不同尺寸，售價在300萬-800萬元人民幣之間。
航空航天、醫(yī)療、工業(yè)應(yīng)用
3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域目前集中在七大方面。除了最早期的快速原型打印應(yīng)用之外，隨著技術(shù)不斷發(fā)展，該技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了航空航天、醫(yī)療、工業(yè)、消費品、汽車以及模具，而且是用于打印最終部件或產(chǎn)品。另外科研領(lǐng)域也會用到這項技術(shù)做新材料或前沿應(yīng)用的開發(fā)。
航空航天是應(yīng)用比較快的一個行業(yè)，關(guān)鍵是由于其產(chǎn)業(yè)的特性，和目前3D打印技術(shù)所處的階段有很多契合的方面：航空航天產(chǎn)品對復(fù)雜度有先天的需求，產(chǎn)品沒有汽車或手機(jī)那樣的大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)品單價相對高，所以行業(yè)對成本相對不是很敏感。
我們在國內(nèi)的客戶中，航空航天業(yè)占25%的比重，集中在四大集團(tuán)公司：中航工業(yè)、中國航天科技(34.200, 0.33, 0.97%)集團(tuán)、中國航天科工集團(tuán)和發(fā)動機(jī)集團(tuán)公司。從全球來講，航空航天也占據(jù)至少1/4的市場。
另一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域就是醫(yī)療，主要在骨科和齒科兩個領(lǐng)域，也有一些醫(yī)療設(shè)備的案例。醫(yī)療領(lǐng)域有很多3D打印應(yīng)用不需要工業(yè)級3D打印就可以實現(xiàn)，比如一些協(xié)助醫(yī)生在手術(shù)前做直觀的術(shù)前模擬的模型。
工業(yè)級則面向附加值更高的醫(yī)療產(chǎn)品，例如骨科植入體，以及一些重要的醫(yī)療設(shè)備。我們最近看到的一個例子，醫(yī)療上常用的CT斷層掃描設(shè)備，里面有一個零部件叫作格柵，這種網(wǎng)格狀的零部件是比較關(guān)鍵的部件，作用是阻隔放射線，不讓它大面積泄露，在使用中不輻射人體。格柵用傳統(tǒng)的方式很難加工，每一片分別制作，然后再拼接起來。
格柵的結(jié)構(gòu)對3D打印技術(shù)來講輕而易舉，但是它對材料有要求，必須是一種鎢合金。鎢的熔點是3000度以上，能量吸收率較低，屬于典型的難熔金屬。我們和客戶合作開發(fā)了鎢合金粉末燒結(jié)工藝，讓這個應(yīng)用變得可行。目前飛利浦已經(jīng)完成開發(fā)，并申請了專利。
3D打印在工業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域也很廣。我們其中的一個關(guān)注領(lǐng)域是在工業(yè)自動化。一家工廠想要實現(xiàn)自動化升級，依靠機(jī)械手臂并不足夠，過程中需要有很多配套的夾具、治具，去實現(xiàn)整個自動化的流水線。例如，很多行業(yè)都會用到的注塑成型這種傳統(tǒng)加工方式中，注塑機(jī)完成注塑以后，傳統(tǒng)模式是人工抓取，然后進(jìn)行下一道工序。導(dǎo)入自動化之后，在注塑完成之后開模，機(jī)械手臂能完成自動夾取以及后續(xù)的動作。3D打印可以快速制作這些配套的夾治具，大幅提升自動化生產(chǎn)線的靈活性。
隨著工業(yè)生產(chǎn)模式不斷地朝向少量多樣化趨勢發(fā)展，充分的利用3D打印的特點可以讓整個生產(chǎn)線快速靈活地響應(yīng)變化，這是我們在工業(yè)領(lǐng)域最先關(guān)注的應(yīng)用。自動化是智能制造和工業(yè)4.0很關(guān)鍵的手段之一，工廠要實現(xiàn)智能制造，自動化水平是很關(guān)鍵的基礎(chǔ)。
挑戰(zhàn)：匹配需求
在把工業(yè)級3D打印技術(shù)推向用于大規(guī)模生產(chǎn)制造的過程中，如何有效地和我們服務(wù)的終端制造業(yè)達(dá)成需求匹配將成為我們的重要挑戰(zhàn)。
企業(yè)關(guān)于引入增材制造的挑戰(zhàn)通常是，特別是在開始階段，它們?nèi)匀挥蓚鹘y(tǒng)制造工藝驅(qū)動。零部件一般以傳統(tǒng)的思維設(shè)計，而這樣的設(shè)計往往無法發(fā)揮3D打印的優(yōu)勢。因此，3D打印的價值無法被充分地體現(xiàn)。在這一點上，重要的是讓企業(yè)放棄舊的設(shè)計思維。
我們也在思考怎樣搭建橋梁，思考新的商業(yè)模式。傳統(tǒng)的商業(yè)模式是賣設(shè)備，后面賣服務(wù)、賣材料，這是種比較傳統(tǒng)的模式。我們意識到我們應(yīng)該跳脫純設(shè)備商的角色，更好地扮演咨詢顧問的角色，協(xié)助我們的目標(biāo)用戶，完成從第一步的了解，進(jìn)一步的探索，到應(yīng)用的開發(fā)，然后實現(xiàn)用于批量生產(chǎn)，這樣一個過程。
兩年前，我們在德國組織了“增材思維”咨詢服務(wù)部門，由來自不同專業(yè)背景的資深工程師組成團(tuán)隊，提供一些課程或者培訓(xùn)，針對不同階段的客戶，我們都能提供一些咨詢服務(wù)。比如針對剛剛開始接觸3D打印的用戶，我們讓他們在三天的培訓(xùn)課程中迅速地掌握3D打印的技術(shù)和特點。針對不了解如何把3D打印應(yīng)用在自身行業(yè)的客戶，咨詢顧問到客戶現(xiàn)場去了解用戶的產(chǎn)品和生產(chǎn)過程，一起找出并開發(fā)適合利用3D打印的環(huán)節(jié)。這個團(tuán)隊的目的是更好地引導(dǎo)用戶更好地去使用這個技術(shù)，搭建需求和技術(shù)之間的鴻溝。
過去這幾年，我們看到越來越多的制造業(yè)都開始關(guān)注3D打印，關(guān)注怎么樣能夠更好地利用新的加工技術(shù)，來降低成本，提升產(chǎn)品附加值，或者縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，得到更大的利潤空間，不斷提升自己在行業(yè)中的競爭力。
在一個3D打印的行業(yè)展會TCT亞洲展上，我們觀察到一個明顯的現(xiàn)象，過去幾年中國的參展商越來越多，特別是工業(yè)級設(shè)備供應(yīng)商，去年有五六家，今年有十余家。這是一個合理的現(xiàn)象，也說明大家對未來市場發(fā)展前景的看好。
WohlersAssociates2016年版的WohlersReport基于51家工業(yè)系統(tǒng)制造商、98家服務(wù)提供商、15家第三方材料廠商、各種3D打印機(jī)廠商以及來自全球33個國家的80多個打印專家所提供的信息，表示3D打印行業(yè)連續(xù)第二年增長達(dá)10億美元，總市值已經(jīng)接近51.65億美元。相比2015年，2016年銷售工業(yè)級增材制造系統(tǒng)（價值超過5萬美元）的廠商要多出13家，該數(shù)量也是2011年的兩倍有余。
3D打印，或者增材制造技術(shù)，實際上給制造業(yè)的全生命周期都將帶來改變。除了設(shè)計和生產(chǎn)環(huán)節(jié)，我們這幾年看到一些公司將這個技術(shù)應(yīng)用到交付，也就是供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)。一個案例是奔馳的卡車，卡車由德國生產(chǎn)并出口到全世界，零配件怎么供應(yīng)？傳統(tǒng)方式是在德國統(tǒng)一生產(chǎn)，通過全球售后渠道，還要在當(dāng)?shù)刭A存一定的零配件庫存，才能就近服務(wù)當(dāng)?shù)氐目蛻?，這是集中式生產(chǎn)和管理。通過3D打印技術(shù)，世界上任何地方只要有3D打印的設(shè)備，就可以把零配件的生產(chǎn)和庫存分散到全世界各地，節(jié)約運輸成本，對客戶的服務(wù)更及時，可以降低庫存需求，因為庫存對企業(yè)運營來講是成本。當(dāng)然最大的潛在應(yīng)用是在生產(chǎn)過程中，因為這個階段的使用量最大，可創(chuàng)造出的潛在價值也最大。
2015年國務(wù)院副總理馬凱在德國漢諾威工業(yè)展參觀期間，曾經(jīng)到EOS總部參觀并與創(chuàng)始人交流。當(dāng)時的背景正是德國在2013年提出“工業(yè)4.0”概念，中國在2015年推出“中國制造2025”概念。3D打印技術(shù)所具備的自由成型、快速制造、訂制化及小批量生產(chǎn)等特點，對制造業(yè)帶來的沖擊曾被英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》認(rèn)為將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動、實現(xiàn)第三次工業(yè)革命”。這項技術(shù)接下來的挑戰(zhàn)就是做好實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的準(zhǔn)備。
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