三维打印的一个未来

作为一项被制造业最早研发和应用的技术,三维打印技术最早出现在上个世纪的80年代。而真正让三维打印焕发出新生机的一个标志性事件,是2013年时任美国总统奥巴马的国情咨文——直到今天,三维打印已经从最初仅仅被应用于工程技术领域视觉原型的制造手段,迅速拓展到包括建筑、航空航天、汽车等领域的功能原型和备用零件制造,甚至拓展到消费领域。由于三维打印技术涉及到包括工程、软件、制造、材料、数控等各个不同学科门类,也因此成为近年来难得一见的、同时被包括投资者、IT企业和应用共同关注的一项“面向未来”的新型加工技术。

三维打印技术越来越火爆,首先有一个最主要的原因,是包括工业、建筑业等各个领域,行业自身发展都已经到了一个“节点”,需要实现某种程度的突破以实现行业发展模式的转变。以离散制造业为例,随着数控加工技术、CAD技术、软件技术等被广泛应用,行业自身业务发展已经迈过了“提升效率”的门槛——至少有明确的方法和步骤——因此如果构建更有优势的竞争力和业务模式,成为这类企业自身发展的问题。而三维打印技术,很大程度上给了这类企业实现从设计到制造更有成本优势的方向,甚至可以从根本上改变现有业务形态、工艺方式,这对这类企业来讲,非常具有吸引力,值得尝试。而且对于业界来讲,对三维打印技术未来价值的期待,也一定不仅仅是满足个人用户的“创造”兴趣,而是真正能够在企业级应用当中发挥更大的价值。

另外一个不能忽视的原因,是技术的逐渐成熟:第一批三维打印技术的专利保护已经解禁,更多人参与研发的三维打印技术已经发展到了历史上技术最成熟的阶段。与三维打印技术自身发展相对应的:包括材料技术、数控加工技术,以及CAD、PLM、ERP等工业企业相关软件技术也到了一个相对成熟的阶段,加上互联网、云计算、5G等技术的发展,实际上就使得从虚拟世界的设计到现实世界的生产,在理论上具有了实现的可能——从CAD系统产生的三维模式数据,可以通过网络传递到世界上任何一台三维打印机上进行生产,而且整个过程都可以通过PLM和ERP等进行管理。

然而从技术的发展模式到现实的应用,目前三维打印依然面临二个最大的现实阻碍:首先是实用性的问题。依然以制造业为例,目前制造业所有的设计标准、参数和方法都是面向传统的材料和传统的加工方式,而三维打印由于零部件成型机理与传统加工方法完全不同,而且应用完全不同的全新材料,因此暂且不论加工精度和成本的问题,利用传统设计知识、采用新型方法制造的零部件是否能够满足最终使用的性能要求和安全要求?这还需要在学术和实践层面的验证。其次是材料问题。三维打印与传统加工方法最大的不同,在于对材料的处理方式不同,因此虽然一方面刺激了材料行业的发展,另一方面也对新材料提出了更多的需求。在此基础上,从整个经济构成上看,随着新材料提供企业成为一种新生力量,原有从材料领域(钢厂)到工业领域(制造厂)再到用户之间原有的产业链条、生态和商业模式,也在发生改变。

“三维打印技术能够运用的非集中制造,能够在全世界的制造厂打印出他们所需要的部件,而传统的加工方式是集中式。”Jos Burger,Ultimaker首席执行官,在强调三维打印对于现有制造方式和企业运营模式存在巨大的改造价值的同时,尤其强调目前在三维打印技术和传统加工制造方式之间,存在一个发展过程中的彼此弥补,而在此过程中,三维打印技术正在努力在其中获得更多的价值空间:“我们的策略是在产品的生产周期里,某一项或者是某一些项目投入更多专注。例如现在Ultimaker可以缩短制造原型,并且能够制造出非重要的零件或者急需的机器零件……还不到能够大量制造出最终使用的零件,这也不是我们所要去的一个领域,因为用传统的制造方式做的更好,更便宜,更快。”

成立于2011年的Ultimaker是在本轮三维打印技术大潮中涌现出来的代表,其凭借桌面级三维打印硬件设备和软件系统,已经在全球多地设立了办事处,与众多的工业企业、CAD厂商等都有密切的合作,号称“每周有超过100万件物品从UltimakerCura中诞生。”而Jos Burger则是一位拥有多个行业20多年从业经历的职业经理人。

在Jos Burger为Ultimaker规划的市场定位中:三维打印技术短期内的目标是在现有工业产品生命周期当中的概念模型、视觉原型、生产工具(工夹具)、功能原型、小批量/特殊产品和备用零件生产等关键节点进行渗透,发挥自身优势,弥补原有工业领域效率、业务模式等方面的不足。

“传统制造其实不是我们的竞争者,反而是互相扶持:他们能够做到的,我们做不到;我们能够做到的,他们做不到。他们用传统的方法制造出简单、便宜,而且在非常短的时间内制造很多的部件。但是如果想要制造出复杂、定制的部件,三维打印技术还是占优势的。例如在医疗方面。”陈世蔚,Ultimaker现任亚太区副总裁进一步解释说。

这实际上不仅改变了原有普遍存在的将“三维打印技术”和“传统加工方法”对立起来的看法,而且也的确符合三维打印技术从技术到应用的科学发展逻辑,很大程度上解决了三维打印的实用性问题。

与此同时,作为FFF熔丝制造成型技术的代表,Ultimaker的材料主要集中在非金属的PLA和ABS树脂方面。“复合材料,塑料和金属等三维打印材料,其实Ultimaker没有把哪一个看得比另一个重要,它们都是在一个平等的位置上。”即便如此,Jos Burger还是认为,现在的复合材料的属性都已经非常接近金属的属性,“它的韧性或者是它的刚度,都和金属接近。而且复合材料的一个好处是:他们比起金属更轻,因此对航天航空工业和汽车工业来讲,更有吸引力。”

因此在2018年5月,Ultimaker与全球材料公司合作成立了“Ultimaker材料联盟项目”:通过与这些全球顶级材料公司的合作,共同开发用于Ultimaker三维打印机上的高级工程塑料和复合材料,以满足与来自企业用户的工业级工程材料需求。而从产业的角度看:三维打印技术产品提供商与材料提供者之间形成技术联盟,在很大程度上是降低了企业对三维打印技术、硬件和材料等方面的选择难度,缩短了从材料到产品之间的链条,提高了企业应用三维打印技术的信心。

“FFF 桌面3D打印依然是所有3D打印技术中最实用和最容易使用的。我们希望通过在Ultimaker Marketplace中提供独特和先进的材料,为更多工程师提供无限的新应用。”日前包括Polymaker、Essentium和易生在日前的TCT 亚洲展上宣布加入该项目,Polymaker总裁罗小帆如是说。

 

写在最后

实际上,作为一个关注工业领域近20年的从业者,笔者对于三维打印技术之前一轮的“爆红”始终保持一种审慎的乐观。现在,各个领域显然都已经开始用一种更加有利于技术发展的态度来看待三维打印技术:像Ultimaker一样,正确定位三维打印技术的现实价值和应用突破口,并且从产业链上做更多的整合,以实现对行业更有效的渗透。我们可以憧憬一个从虚拟到现实的产品诞生过程,但这这一过程仍然需要大量的实践——我们终将能够用三维打印制造一个全新的世界,但是那将发生在未来。