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3D打印:从量变到质变

Token经济2021-08-02 12:07:41

  什么都可以做,但是做什么都有一定问题——这是3D打印给人们的初步印象。“前几年3D打印概念很火爆,但国内3D打印整个行业的市值加起来,可能都没有3D打印概念股一个涨停多。”中国最早的3D打印机制造商之一北京太尔时代科技有限公司(下称太尔科技)总经理郭戈说。

  但技术的发展总是非线性的,往往一个不经意的突破,长期的积累就会跨越临界点。3D打印,又名增材制造,正摆脱“中看不中用”的尴尬,已经在很多行业中登堂入室,替代传统工艺制造的零部件,不仅在复杂性上进一步发挥其固有优势,在材料性能上已经可以媲美甚至超越传统部件。从美国国家航空航天局(NASA)到欧洲航天局(ESA)、从波音到空客、从西门子到通用电气,3D打印制造的发动机、涡轮叶片、燃油喷嘴等关键部件,不仅为航空航天设备减轻了重量、提高了燃烧效率,制造速度更提高数倍。

  曾被称为“第三次工业革命”的3D打印,曾经在许多业内人士看来只能是传统制造业的补充,现在终于有了挑战传统的底气。

中看不中用

  3D打印这一技术早在上世纪80年代就已经出现,比日本佳能公司推出喷墨打印机的时间只晚了四年。1984年,美国发明家查尔斯•霍尔(Charles Hull)给自己的一项技术起了一个新奇的名字——Stereolithography,这种被称为立体印刷的新技术,成为3D打印的鼻祖。

  霍尔利用的材料,是一种可以在紫外光照射下固化的树脂,通过计算机控制紫外光束的移动让一层层的树脂形成特定的图形,叠加在一起就形成了立体的形状。

  随着“立体印刷”概念逐渐深入人心,科学家们逐渐开发出有别于霍尔光固化技术的其他立体成形技术,其中熔融沉积成形(FDM)和选择性激光烧结(SLS)把立体成形技术所能使用的材料拓展到更加广泛的领域。虽然霍尔的技术成形精度很高,但FDM和SLS技术所能使用的材料更加广泛,从金属到聚苯乙烯都可以用,因此可以达到更高的强度。

  霍尔的3D Systems公司2012年底获得来自美国空军的29.5亿美元投资,开发使用激光熔融技术的3D打印系统,这套系统将用于制造F-35战机和其他武器系统。在美国空军之前,波音和空客公司都已经开始尝试使用3D打印机打印飞机机翼等配件。

  2012年度国家科学技术奖励大会上,北京航空航天大学材料学院材料加工工程系主任王华明团队的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获得国家技术发明奖一等奖。

  相较于传统的大型钛合金结构件整体锻造,激光直接制造是用高功率的激光束对粉末丝材进行熔化,实现材料逐层添加,直接根据构件的计算机辅助设计(Computer Aided Design)模型一次加工成形。这种方法无需大型锻造工业装备、材料利用率高、生产周期短,加工设计灵活度高,大大降低了制造成本。

  这种技术已经被应用于制造飞机上的结构件。2010年,王华明团队利用激光直接制造技术制造了国产大飞机C919的中央翼根肋,比传统方法节省90%以上的材料,且性能更佳。不过,当时3D打印技术还只能用于试生产,因为质量的可重复性和稳定性都是问题,在量化生产上也存在缺陷。

  王华明教授当时曾对财新记者表示,3D打印最多是做一部分零部件,“如果说是第三次工业革命,目前还到不了这个层次”。

  这也是郭戈曾经的观点——3D打印技术在各个行业,只要涉及实体开发都用得到,但因为材料和精度的限制,在生产上应用还比较少,在牙科、医疗及产品开发过程中应用较多,或者小批量的零件生产。

  不过,现在郭戈的看法有所改变,虽然在他所从事的塑料打印领域变化不大,但金属的快速成形技术进步飞快,这跟航天军工对于成本不够敏感有关,而且打印的部件性能已经足够满足要求。

  主要从事3D打印完整解决方案的杭州喜马拉雅信息科技有限公司是这个领域的新来者。在该公司政企合作投资中心总监韦旭刚看来,其实这两年3D打印行业发生了翻天覆地的变化,从2017年开始,已经进入从量变到质变的阶段。

  “很多人还停留在两三年前的感觉,一开始挺新鲜,用了一下感觉也不过如此。”他说,泡沫过去后,做产业的人沉淀下来才容易出成绩,现在到了厚积薄发的时候。

  “3D打印不再是不过如此的技术,变革已经在路上,马上就要呼啸而来。”他说。



做大做强

  上世纪90年代初,清华大学机械系教授颜永年在美国了解到快速成形技术,回国后四处收集资料,并邀请外国专家来华讲学,中国科学家也由此开始研究。清华大学、西安交通大学、华中科技大学还专门成立了快速制造研究中心,从事产业化开发的太尔科技、西安瑞特、武汉滨湖等企业也先后成立。

  2012年4月,已经74岁的颜永年在江苏昆山成立了昆山永年先进制造技术有限公司(下称昆山永年),专门开发3D打印技术设备。五年多后的今天,他们生产的激光金属3D打印设备YLM已经可以跟国际最领先的德国设备媲美,零部件已在军工行业有所应用,3D打印义齿也是首批拿到卫生部门认可的产品。

  “高技术的发展到一定的时候,提高的速度就比较快,现在的3D打印技术在精度和效率上都提高了很多,几乎可以放在生产线上。当然现在更多是在用得起的地方,例如航天、军工和高端模具。”颜永年对财新记者说。

  在他看来,3D打印零部件首先要耐高温、耐疲劳,这是工业应用的保证,就要首先解决强度问题,这相对来说比较容易;第二是提高塑性,塑性越高,疲劳性能越好,才能做大梁等承力件,而不止是结构件、装饰件。一直以来3D打印部件作为承力件还是比较难,就是塑性不够。

  目前金属3D打印包括两大类技术:一是激光选择熔化技术,可以达到0.15毫米的精度,但速度还是不快,精度高就要光斑小、粉末细,速度就上不去;另一种激光熔覆技术速度快,但精度就差。既要精度高,又要速度快,颜永年的解决方法就是使用多个激光器。

  昆山永年设备的特点是精度和速度兼顾,体积比较小,价格上比国外产品要少一半。他们跟中航重机、中国一重都准备合作,生产航空锻件和核电站锻件。

  华中科技大学快速制造中心蔡道生教授告诉财新记者,这几年3D打印发展非常快,因为尝试得比较多了,就有了很多的经验。现在不仅是关键零部件,甚至成为一种生产工序。

  “以前的技术受到原理限制,现在出现了很多新技术,不是以前的成形原理。以前一层要打几分钟算很快的,现在快的达到几秒钟。”他说,成形方式变了,一次就一个面,甚至都不用激光。

  蔡道生所提到的不用激光的金属3D打印技术,就是结合金属沉积(BMD)技术,该技术是美国Desktop Metal公司的发明专利,打印速度是传统的选择性激光熔融(SLM)等金属设备的50-100倍,也为3D打印机进入大规模制造迈出了坚实的步伐。

  这家在2015年才成立的初创公司也因此被称为一家“神”一样的公司。2017年7月,DM公司宣布获得1.15亿美元D轮融资。至此,DM公司已进账2.12亿美元融资款,估值超过10亿美元,成为金属3D打印领域的独角兽企业。投资者队伍中就包括了谷歌、通用电器公司(GE)、宝马等巨头。

  DM公司的优势在于,普通3D打印机一天可以打印12个金属零件,而它们一天可以打印560个同样的金属零件。2017年,DM公司被世界经济论坛评选为全球最具发展前景的前30大技术先锋之一,并入选《麻省理工科技评论》的“全球50家最聪明的公司”榜单。

  DM公司已经研发出了两款金属3D打印机,采取与当前大多数3D打印机完全不同的机制,而且不会使用激光器,让工业金属3D打印更小、更快、更经济,比现有的激光技术便宜10倍,速度则提升了100倍,公司承诺打印出来的金属零件可以媲美传统意义上的注塑成形工艺。

  韦旭刚说,中国应该欢迎这样的独角兽企业到中国来上市,还有塑料3D打印独角兽Carbon公司,相比之下,BAT(百度Baidu、阿里巴巴Alibaba、腾讯Tencent)这些巨头的高成长期已经过去了。



真正的革命

  曾经在西门子供职多年的维尔纳•科赫(Werner Koch),2016年创立德国3D打印网络联盟3D Netzwerk,致力于3D打印在德国工业界的推广和与传统工业的结合。

  科赫曾经撰文指出,工业4.0不是革命,而3D打印才是。他认为,工业4.0只是所谓的第三次工业革命的继续,在工业4.0中,批量化和个性化大量生产只能通过3D打印技术来实现,3D打印改变了生产产品的方式——何时何地由谁如何来生产。“使用新的高性能、超快速和低成本的3D打印工艺的工业革命正在进行中。”他说。

  2014年9月,首台Zero-G Printer被送入国际空间站,同年12月,实现人类首次空间微重力环境下的增材制造。NASA指出,此举有望将国际空间站转变为制造工厂,缓解空间站的补给压力。

  欧洲空间局的AMAZ战略,也实现了多金属增材制造及轻质高强度结构的设计与成形。他们更进一步提出了3D打印月球基地的建造战略,建造速度高达3.5米/小时,可实现链状屋顶结构、胞状墙体结构的优化设计与直接成形。

  如果使用传统的制造方法,一些发动机关键零件是由多个铸件或锻件通过焊接/钎焊或螺栓组装而成,而3D打印技术可以让这些复杂零件一次成形,使得发动机中子部件的数量显著减少。

  2017年12月27日,GE航空集团新一代先进涡轮螺旋桨发动机ATP顺利完成首次点火试车。GE中国相关负责人介绍,ATP是目前全球应用3D打印技术最为纯熟的首款发动机,约35%发动机零部件采用了3D打印制造,将原先应用传统制造技术制造的855个零件减少为12个3D打印零件,包括轴承座、发动机机匣、排气管、燃烧室衬套、热交换器和气路静子部件。依托于各种新技术,ATP发动机的空中功率增加10%,燃油消耗率降低20%,首翻时间延长33%。

  目前,世界上最大的商用航空发动机GE9X——波音777X的核心动力源,也采用了3D打印技术打印其燃油喷嘴。2017年年中,GE宣布计划建造世界上最大的激光粉末添加剂制造机atlas,该设备使用激光模制金属粉末,并能够构建测高达1立方米的零件。

  不仅GE,国际上另外两家航空发动机巨头也未缺席。罗罗公司的湍达XWB-97引擎,采用3D打印1.5米前轴承壳和叶片,实现9.7万磅起飞推力和8000海里航程,引擎生产时间减少三分之一;普惠公司的GTF-PW1000G引擎,采用3D打印构件后,燃烧效率提高16%,减噪50%-75%,降低了生产成本和时间。

  美国前总统奥巴马曾说,3D打印将为几乎所有产品的制造方式带来革命性变化。2017年12月,中国12个部委联合发布《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》,要“培育2-3家以上具有较强国际竞争力的龙头企业,打造2-3个具有国际影响力的知名品牌”。

2016年12月9日,美国旧金山的一家初创公司Apis尝试用移动3D打印机建成一座房子,引起围观。


  也是在2017年12月,中国航空发动机集团公司与中国商用飞机有限责任公司、国新国际投资有限公司签订《中央企业金属3D打印协同创新合作框架协议》,三家央企将以市场化方式共同开展金属3D打印协同创新合作,促进金属3D打印技术的研发和产业化应用。

  2018年1月31日,证监会发布了新一年的工作计划,其中有一条与3D打印高度关联:符合国家发展战略的“智能制造”等产业的相关公司将得到特别的支持。毫无疑问,3D打印就是智能制造的典型代表。

  韦旭刚说,目前A股市场还没有一个纯粹的3D打印企业上市,也从侧面说明业内龙头企业的年扣非净利润还没达到3000万元以上。毕竟这个产业国内年产值才刚刚突破100亿元,而公司数量则多达500家以上,可谓僧多粥少。



中国绝活

  3D打印技术目前至少有数十种,主流的或在市场应用上流行的也有十来种。就技术和应用而言,如果说美国处于第一梯队,那么德国、中国、瑞典等国处于第二梯队。

  在金属3D打印主流技术中,美国3D System公司、德国EOS公司是选择性激光烧结(SLS)的代表企业;国内方面,以华曙高科为代表的SLS设备取得了不错的成绩。在SLM技术领域,德国EOS是该技术的领军企业;国内方面,以铂力特为代表的公司成绩显著。

  西安铂力特激光成形技术有限公司是中国新崛起的3D打印设备龙头之一,他们以西北工业大学凝固技术国家重点实验室为技术依托,主要从事高性能致密金属零件的激光立体成形制造,以及金属零件的激光修复再制造,涵盖各种钛合金、高温合金、不锈钢、模具钢、铝合金等材料。2017年6月,铂力特的股份制改造已初步完成,年营收预计在1.5亿元-2亿元。

  而在新出现的结合金属沉积(BMD)技术上,美国Desktop Metal公司独树一帜,打印速度是传统的SLM等金属3D打印设备的50倍-100倍。其工作原理是将金属和陶瓷粉末结合成软性聚合物,然后将其挤压出想要打印的形状,再移动到烧结炉中定型。通过这种方式3D打印出的物体可以直接使用无需重新加工,在结构完整性方面,与通过普通铸造方式制造的金属部件一样稳定。

  “结构易仿,制造不易,科学更难。”南京航空航天大学教授顾冬冬说,未来3D打印技术发展的创新要素包括大跨尺度设计的新结构、多相材料的设计与布局、精准可控的增材制造工艺、实现复杂整体构件的高性能和多功能化,其中包含了结构、材料、工艺等方面的新挑战。

  虽然很多3D打印的零部件性能已超过铸件,但还难达到锻件的性能。

  华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室工艺方向学术带头人、武汉天昱智能制造有限公司

  首席科学家张海鸥教授的研发重点在应用于航空领域的高端金属锻件。1998年回国后,他和妻子张桂兰带领团队用了15年终于破解了困扰金属3D打印的世界级技术难题,实现了国际首创的微型边铸边锻的颠覆性原始创新。

  他们首先在金属3D打印中复合了铣削,边打印边铣削加工,解决了金属3D打印出的制件表面粗糙的问题;而后,通过在3D打印中复合锻打的方式,打印出飞机用钛合金、高温合金、海洋深潜器、核电用钢等高端金属锻件,其稳定性能均超过传统制件。

  2016年7月,张海鸥团队研发出微铸锻同步复合设备,并打印出全球第一批锻件:铁路关键部件辙叉和航空发动机重要部件过渡锻。2017年,他的团队和欧洲空中客车公司签署了科研项目合作协议。

  目前由“智能微铸锻”打印出的高性能金属锻件,已达到2.2米长,约260公斤,大小是欧美国家能够打印出来的高端金属件的4倍,也是世界上惟一可以打印出大型高可靠性能金属锻件的增材制造技术装备。

  “GE也已经认可了我们的技术。”张海鸥说,他们正在帮助GE公司测试航空发动机承力的关键零部件。在他看来,3D打印不光是在性能上要超过传统零部件,也是数字化智能制造的方向。张海鸥透露,今年下半年他们将会推出比较关键的产品,在工业上的应用大大推进一步。

  张海鸥认为,单纯的3D打印不可能与传统制造业形成有效竞争,一定要和传统技术结合,并且要低成本高效率的结合,实现数字化。他们的战略是,先能够制造国防工业上的关键零部件,形成造血功能后向工业界渗透,逐步铺开。

  鑫精合激光科技发展有限公司(下称鑫精合激光)执行董事李广生告诉财新记者,现在3D打印技术的成熟度让从业者对技术的理解更深了,不光是激光技术、粉末技术的进步,关键是软件的进步,扫描策略越来越成熟。在他看来,实现3D打印件达到锻造水平其实不难,但工业界对此还没有标准,随着成本降低,推广力度加大,工业界的接受程度也越来越高。

  李广生介绍,鑫精合激光是国内公司级能达到锻件疲劳性能的惟一一家企业,其技术在国际上也属领先。目前,大尺寸3D打印机主要采用同轴送粉及扑粉两种方式,方法属于激光直接沉积技术(LDM),属于送粉技术,结合挤压的工序,可以达到锻造水平。

  鑫精合激光在辽宁省沈阳市有一个11台3D打印机的生产基地,年产100多吨钛合金零件,在天津成立的装备公司今年准备开始对外销售。李广生透露,他们从盈利能力上达到了上主板的条件,准备在2020年上市。

  不过,从整个国内金属3D打印设备来看,还有很多差距,核心算法的缺失是最大的短板。

  据李广生介绍,目前3D打印的核心算法都掌握在比利时Materialise公司手中。“一台两三百万元的3D打印设备能挣二三十万,需要给他们15万到20万,其实就是给你一张光盘。这和数控机床领域的情况是一样的,一台数控车床8万-10万,操作系统就要给西门子一两万,最后我们只有几千块的利润。”

  “我们硬件的一致性越来越好,但软件还是很难突破。”在李广生看来,3D打印的突破比数控机床要容易,因为运动比较简单,“如果说数控系统要落后30年,在3D打印系统上我们落后三到五年”。■