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工业3D打印叫好不叫座:便宜材料干不了事

发布时间:2019-12-05 07:10:18

作为第三次科技革命最受瞩目的技术之一,3D打印在全球范围内的发展速度用“突飞猛进”来形容毫不为过。但需要注意的是,从经济性和技术角度看,其定位是对现有制造工艺的补充和完善,而不是对传统制造业的颠覆。同时,3D打印材料性能还不够稳定,且材料的通用性比较差、成本高企,也制约着3D打印在工业领域应用的进一步发展。

目前,中国的3D打印已在航空航天、汽车、生物医疗、文化创意等领域得到了初步应用,但离实现大规模产业化、工程化应用还有一定距离。

“与热闹的消费级3D打印机相比,工业机的生产与应用要冷清许多。‘高精尖’工业市场毕竟有限,3D打印在其他工业领域的应用还未铺开。”世界3D打印技术产业联盟首席执行官罗军表示,中国国内现在90%的3D打印企业是做打印“小玩意”的桌面机,工业3D打印机的竞争尚未真正开始。

多位业内人士告诉《每日经济新闻》记者,材料品种少、价格贵、性能低,正是制约工业级3D打印应用的关键。工信部、发改委、财政部在今年3月出台的《国家增材制造产业发展推进计划(2015~2016年)》中,将着力突破增材制造(即3D打印)专用材料,鼓励优势材料生产企业从事增材制造专用材料研发和生产,作为推进计划的第一步。

随着首个3D打印国家政策的出台,3D打印在工业领域的机遇和挑战又一次引发了业内的关注。

高精尖领域“尝甜头”

记者从相关渠道获悉,卫星每减重一公斤,即可减少10万美元的发射成本。通过运用点对网的3D打印零件,卫星的减重比已达到30%,远超过去减重13%的期望。

华中科技大学史玉升教授带领的团队向记者展示了一台其研发的大型工业级3D打印机。这台外观看起来像大柜子一样的3D打印机,内里分布着等同于一个制造车间的精密仪器,将物件的三维数据输入电脑并按下“打印”键后,这台“制造车间”就能在数小时内打印出工业级的零件。

史玉升告诉《每日经济新闻》记者,在3D打印工业领域的应用中,航空航天业已经开始有所运用。

与此同时,3D打印在复杂结构的造型方面还具有独特优势。“过去设计师在设计零件时,要考虑工艺性,否则到车间制造时会做不出来。但现在基本只要想象比较合理的,就可以3D打印出来。”上海航天技术研究院高级工程师王联凤表示,能做一些传统工艺难以做到的“奇形怪状”的结构。

东方航空技术有限公司日前发布消息称,其3D打印制造的飞机舱门手柄盖板、飞机座位指示牌等客舱部件,已成功配装到全新波音B777-300ER型客机上并执行正常航班飞行。一个小小的指示牌,等待周期从180天减至一个晚上,采购成本也从1000美元降至30元人民币。

其实,大家能看到的3D打印应用只是冰山一角,某些军工领域早已成熟运用。而且诸如航空航天等高精尖领域对成本不敏感,零件多为单次小批量生产,恰恰与3D打印的特性相符。

《国家增材制造产业发展推进计划(2015~2016年)》已经明确将增材制造作为航空航天制造等高端装备制造及修复的重要技术手段。结合重大工程需求,在航空航天等涉及国防安全及市场潜力大、应用范围广的关键领域和重要产业链环节实现率先突破,也是国家发展增材制造的基本原则之一。

用史玉升的话来说,航空航天领域的3D打印应用正热火朝天,但很多技术在实际应用中仍是摸着石头过河。“有的零件可以用3D打印,但零件所处的温度和运动条件一旦变了,就不一定行了。”他表示,“就像是做宫保鸡丁的技术成熟了,但换做热干面,又不行了,火候、手法还需摸索。”

史玉升表示,他希望3D打印的建模软件能升级,现在的软件只能生成几何信息,如果能自动生成对应的尺寸大小和应用材料,将进一步提升3D打印的工艺技术。

材料又贵又少成掣肘

“3D打印属于增材领域,所以材料发展是3D打印的物质基础,材料发展决定了3D打印的应用范围。”中北大[微博]学材料科学与工程学院教授白培康认为。

在白培康看来,3D打印的材料种类少很难满足需求。目前增材制造的材料仅100多种,而传统减材制造、等材制造的材料有数万种。“这就导致了3D打印与工业应用的结合面太窄。”三的部落总经理徐建辉告诉《每日经济新闻》记者,“出现了‘叫好不叫座’的局面。”

其次,材料的性能还不够稳定,且材料的通用性比较差、成本高企,都制约着3D打印在工业领域应用的进一步发展。

以目前在3D打印工业应用中使用最多的钛合金材料为例,其一公斤的价格为2000~3000元左右。这意味着做一个20多公斤的零件要花5、6万元,而传统铸造业只用花几百元就能搞定,这使得3D打印在“高精尖”以外的其他工业领域难以推广开来。

“3D打印的材料最好能降到几百元一斤,否则太贵了没人用。”史玉升说。此外,材料的丰富性问题也是其团队在实践中遇到的困难。不少材料难以做到工业需求的抗疲劳和高温耐久等特性,很多应用施展不开。史玉升将其比喻为,“锅碗瓢盆有了,但柴米油盐还缺很多。”

材料成本为何居高不下?业内人士指出,业内对3D打印材料的投入还不够,材料市场尚未形成充分竞争。剑桥大学工程学院制造研究所教授Bil O'Neil对《每日经济新闻》记者表示,不少3D打印巨头又做设备又做材料,材料与设备捆绑式销售,相对封闭的系统导致成本难以降下来。

“我们现在的感受是,便宜的材料干不了事,能干事的价格又高。”一位从事3D打印的企业负责人对记者坦言。

3D打印不能“包打天下”

在国务院5月发布的《中国制造2025》规划中,有5处提到了3D打印,并将其列为要突破的10个重点领域之一。近年来,国际上3D打印工业级设备商和材料商销售增幅巨大的事实,被业内视作3D打印的工业应用来到了爆发临界点。

作为全球金属3D打印设备巨头之一,德国EOS公司销售数据的变化暗含着行业趋势的密码。该公司大中华区总经理吴承轩表示,目前用于塑料加工的3D打印设备销售占比为三分之二,但金属打印设备的成长态势远超塑料,很快金属设备的销售占比会超过50%。而用3D打印制造金属结构件,又是3D打印真正开启工业化的标志。

另一家3D打印的原材料公司,钛粉末材料巨头加拿大AP&C公司的销售连续多年维持在50%-60%的增长幅度,对中国市场更是雄心勃勃。该公司总裁兼CEO Jacques Malette对《每日经济新闻》记者表示,他们正通过在中国投资、实现本地化生产的方式,进一步降低3D打印金属粉末材料的价格。

种种迹象表明,3D打印的上游技术正日渐成熟,下游应用也在扩大。但也要看到,目前全球的设备商主要是做非金属、桌面级3D打印机,做金属3D打印设备的公司还不到10家。

罗军认为,3D打印行业最终的核心竞争力将在工业领域。5年时间里,3D打印行业将实现从消费级应用到工业化应用,从非金属3D打印设备为主到金属设备为主的过渡。全球做金属3D设备的公司将达到30家,中国将产生10家。

未来,3D打印能否“包打天下”?从事3D打印研发多年的清华大学教授颜永年并不这么认为,这位被称作中国3D打印第一人的老人对《每日经济新闻》记者表示,3D打印不是替代传统的技术,而是补充传统制造技术的不足,其发展方向应该是和传统技术相结合。

其实,突破材料限制的关键手段之一,就是与传统行业充分结合,并且应该用大型项目来推动3D打印工业领域的重大应用。颜永年团队多年实践证明,3D打印与传统铸造技术的结合,能补足3D打印韧性不足、易断裂的缺陷。“尤其在重型、大型装备制造方面,3D打印能推动大项目更有效率的进行。”颜永年解释,他们目前正在努力将3D打印应用在核电主设备制造中。如果用传统路径,对钢锭的材料利用率只有20%;而如果用重型3D打印+传统锻造的方式,其制造周期可以缩至过去的1/3,材料利用率将提升至80%。

在王联凤看来,今天的3D打印就像上世纪90年代的互联网,前端技术、硬件已经积累到一定程度,一旦发展起来,后端的应用规模与产值将会爆发出难以想象的巨大能量。

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