3D打印技术五大未来发展趋势

来源:业界供稿    2019-08-23 21:08:58

关键字: 3D打印

现在,3D打印的成功案例越来越多,而且这项技术具备的商业优势也显而易见,证明3D打印已经可以作为主流制造技术使用。

张海滨,捷普北亚区运营副总裁

3D打印技术的未来充满光明,在制造业复兴过程中也将发挥日益重要的作用。随着3D打印(又称增材制造)技术的不断普及,关于这项技术的讨论也比两年前更具体。以前,我们一直从财务和技术领域的角度,讨论是否可以将大量传统的流程交由3D打印机来完成。现在,3D打印的成功案例越来越多,而且这项技术具备的商业优势也显而易见,证明3D打印已经可以作为主流制造技术使用。

随着3D打印技术及其材料供应链的成熟,医疗、汽车、航空航天和国防等多个行业的关键业务领域均经历了生产和业务方面的重大转型。例如,飞机设计师会使用3D打印技术生产飞机部件比如风管、通风孔和气流系统等,从而减轻飞机重量、减少部件数量,以及契合客舱内饰的紧凑设计。此外,3D打印技术还给设计工作带来了一定的自由度,便于设计人员尝试更有效、更高效的零件形状,同时减少潜在的故障点。这使得飞机制造商在生产产品时变得更为灵活,同时也能够跟上不断缩短的生产周期。

根据捷普近期开展的一项调查发现,在短短一年多的时间里,采用3D打印技术的公司以及各类相关应用在数量上均大幅增加。其中,3D打印技术在零件生产、桥梁建造和维修工作中的使用占比分别从原来的27%、23%、14%增加到52%、39%、38%。。虽然目前3D打印行业规模仅为93亿美元左右,但是根据全球包装、纸张和印刷业供应链管理权威Smithers Pira集团发布的一份报告预测,到2027年,3D打印行业的规模将达到558亿美元。

捷普作为全球领先的产品解决方案公司,也早已经将3D打印技术应用于从产品设计到生产的全过程,帮助客户缩短产品上市时间、降低生产成本。捷普的蓝天创新中心(Blue Sky Center)作为其创新协同中心,也一直使用3D打印技术进行硬件和软件的设计与开发。在中国,捷普广州公司和捷普无锡公司在使用工业3D打印机制造生产装配夹具方面也已经拥有多年经验,在生产速度以及生产灵活性方面均为捷普公司带来巨大帮助。此外,捷普也和多家全球知名品牌商合作将3D打印技术应用于产品的生产,对3D打印技术的发展有着实质性的贡献。

而随着3D打印技术的发展,有五大趋势将对制造业的方方面面以及其他行业的发展带来重大影响。

一、3D打印技术可从原型设计延伸至生产

仅在短短两年内,3D打印技术在桥梁建造方面的应用就增长了70%。同期,汽车、运输和重型设备等行业也在广泛使用这项技术。

3D打印技术可以从原型设计轻松延伸到全面生产,关键原因在于3D打印技术可以提供更为有效的生命周期管理,因此可以在未制定愿景和不具备专业知识的情况下,也能将原型设计用于全面生产。

例如,如果某品牌产品产量相对较低的时候,想要打印100个零件用于工程测试,使用3D打印技术就能轻而易举地做到这一点。即使要生产的零件达到这个数量的四倍,3D打印技术也可以在不增加再加工成本的情况下实现这个目标。3D打印技术非常适用于中低规模生产,通过适当的规划、工程和材料开发,使用3D打印技术生产的部件可以无缝地应用在可以大批量生产的设备,如注塑成型设备。

3D打印技术可以让制造商按需生产零件,而不需要从仓库中调取。按需生产将有助于企业大幅降低库存和仓储成本。根据麻省理工学院的一份报告显示,在汽车行业中,使用3D打印技术可以减少90%的备件库存。

我们当前讨论的主题正在从功能转向产量。3D打印技术能够为新产品上市提供多方面的支持时,以量制价的生产方式将逐渐失去其优势。

二、3D打印技术可规范数字化和重组供应链

3D打印技术引领着工业4.0时代的数字化转型,是最纯粹的数字技术之一,因其不需要模具和夹具,因此消除或降低了将文件移动到不同位置和不同打印机的切换成本,这与过去200年来制造业采用的劳动密集型方法截然不同。

事实上,3D打印技术最具颠覆性的方面与实际的打印机几乎没有关联——3D打印技术是将数字表单转化为物理形式的产品,也就是说仅仅一个文件就代表了最终产品。3D打印技术是迈向数字化转型的第一步。

3D打印技术将浓缩的数字文件存储在可以轻松访问读取的云中,大量减少实体零件所占据的空间,避免可能过时或大量用不到的零件储存在仓库中增加仓储成本。

除了数字库存,分布式制造也在改变企业将3D打印技术纳入其数字化战略的方式。不同于集中式解决方案,分布式制造使企业能够分散生产,以便在更接近客户的地方生产最终产品。

借助3D打印技术,制造商可以更好地结合实体供应链与数字线程,从产品设计概念到整个产品生命周期的过程中,更高效地管理产品。只需发送文件,便可以将制造任务下发到任何配备数字制造系统的地方,这种分散式制造可以使供应链变得更具协作性、更透明和更高效。如果发生自然灾害,3D打印技术也能够进行自我纠正并恢复正常运作,可以比传统制造业更快地向前推进。

未来,大型工厂以及众多具备3D打印设备的小型工厂,或甚至是部署了打印机的其他场所(如服务和支持中心、配送中心,甚至在个人家中),将可采用混合制造模式。3D打印最终会变得非常简易普遍,人们在家里就可以轻松提取文件并打印产品。这样的转变已经开始发生了,我们也开始将产品的生产更贴近消费端,并且变得更加敏捷。

三、3D打印技术更加灵活且更能满足个性化需求

我们注意到,在许多行业中,追求个性化已成为一个普遍的消费趋势。与购买批量生产的产品相比,消费者更倾向于购买专为他们设计的产品,以满足他们的个人品味和偏好。

3D打印技术支持小规模生产的特点可以实现追求个性化的需求。3D打印使制造商在响应性设计方面更为灵活,制造商不需要再将大量相同的产品呈现在大众面前,而是可以先生产少量的产品,让设计师和工程师能够根据迸发的灵感或客户反馈,以更具成本效益的方式调整产品设计和进行创新。

四、3D打印技术的未来在于材料

虽然针对3D打印生态系统的大量投资推动了这一行业的发展,但我们也不能低估材料的重要性。除了设备成本较高之外,材料问题和封闭的生态系统将成为影响3D打印行业发展的另一个重大障碍。现在市场上3D打印材料类型繁多,但能达到所有行业质量要求和监管要求的材料却少之又少。

由于目前大多数行业都面临着产量方面的挑战,使得供应商和制造商无力开发新应用所需的材料。然而,3D打印技术的未来在材料——特别是工程和应用所需的特定材料。每个行业都有各自的需求,必须针对不同的问题制定相应的解决方案。集成新的工程材料将改变新一代应用,其中包括接受严格监管的行业。

五、3D打印技术有助于打造更具可持续性的未来

最后,3D打印技术的两个关键因素是可持续性和环保,其中一个重要的益处就是减少废料的产生。正如Simon Ford和Mélanie Despeisse在其论文《3D打印和可持续性:针对优势和挑战的探索性研究》中指出的,3D打印通过逐层创建物体来模仿生物过程,而不是在生产过程中通过切割和雕刻成块达到所需形状的笨重物品。与传统的减量化生产方法相比,这种方法本身就非常环保,而且还有可能在不影响环境的情况下创造社会经济价值。

除了减少浪费外,3D打印还可以节约能源。金属粉末工业联合会(Metal Powder Industries Federation)开展了一项研究,将减量化生产方法和3D打印的制作步骤进行对比,从中可以看出使用减量法制造卡车齿轮需要17个步骤,而采用3D打印完成同样的任务仅需要6个步骤,借助3D打印技术生产同一款产品的能耗还不到前者的一半。此外,3D打印技术还可以拉近产品生产与客户之间的距离,从而减少了对产品和材料的运输需求,因而减少了碳排放量。因此,3D打印技术将有助于打造更具可持续性的未来。

这是制造业面临的重要时刻,而我们正处在中心位置,无论是在实体呈现和打印机设备方面,还是数字化管理等方面,都还没有完全成熟的技术。但是3D打印技术正在展示其可引领变革的潜力,同时也已开始重塑各大企业。

根据我们的调查,在未来两到五年内,86%的企业对3D打印的使用量将至少呈双倍增长,其中40%左右的企业的增幅将达到五倍或以上。随着3D打印技术的运用,企业将能够实现更小规模的生产,更快地开发和推出新产品,并最终在成本曲线相交时,将其全面用于批量生产。我们现在正在为3D打印的发展奠定基础,而分布式制造模式也将蓄势待发,不难看出,3D打印技术的未来充满光明。

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