过往的人类制造史是以等材制造、减材制造为主。3D打印又称增材制造,是基于近年来自动化控制、材料、激光等多领域科技进步基础上诞生的制造理念创新,从这个角度可更深刻的理解为何3D打印得到各国政府与诸多企业的广泛关注。
从概念上看,3D打印确实可以“无所不能”;但从经济性和技术角度看,其定位是对现有制造工艺的补充与完善,而不是对传统制造工艺的颠覆,未来等材制造、减材制造和增材制造三者将长期共存。
3D打印(3DPrinting)技术作为快速成型领域的一种新兴技术,目前正成为一股迅猛发展的潮流。3D打印起源于已有较长时间工业应用历史的“快速成型技术”,是在计算机控制下,基于“增材制造”的原理,采用各种方法堆积离散材料,最终完成零件的成形与制造的技术。3D打印与传统的加工工艺通过切削、打磨、冲压来实现产品成型的过程具有本质区别,其分层制造的特性能够便捷地实现数字模型向产品实物的转化,且无需模具,产生极少的废料,在非批量化生产中具有明显的成本和效率优势。随着互联网在人类生活中的应用不断深化,以及物质文化消费需求逐渐凸显出个性化的特征,3D打印作为一种制造技术得以迅速崛起。
1、3D打印催生新一轮工业革命
3D打印具备颠覆现有制造业生产模式的巨大潜力。模具专家罗百辉表示,由于3D打印无需模具,单个生产与批量生产的成本差别不大,使3D打印在非批量生产中极具优势。同时,节省材料、成本与形状复杂度无关的特性,也使得3D打印在很多场景成为比传统工艺更优的选择。
基于人们对个性化产品需求的不断增强,以及研发设计环节在整个制造产业链中愈发重要的判断,罗百辉认为,3D打印存在巨大的市场前景,在多个领域具备颠覆传统生产模式的可能。在消费级3D打印市场,基于工程塑料的热塑挤压技术将成为主流;在模型、设计领域,光敏树脂固化将成为主要技术;在金属、合金构建直接制造领域,激光烧结具有巨大的发展前景;生物材料同样具备巨大的发展潜力,在医疗、美容、保健等领域具有颠覆性。另外,由于3D打印使得产品的制造环节可以实现由数字模型到产品实物的“一键实现”,使得制造过程完全可以在用户处进行,对集约生产下的物流模式也会产生巨大冲击。
技术不断突破和应用持续拓宽给人们带来极大的想象空间。由于3D打印技术极易将商品的流通转化为数字模型的传播,因此,罗百辉认为,3D打印将成为催生新一轮工业革命的新兴技术。目前,3D打印比较成功的应用包括设计过程中的原型制造,冲模、手板等模具相关物品的制造,以及在航空和军工领域的飞行器结构件制造等。在线的3D打印服务在全球范围内也迅速兴起,成为获得个性化个人消费品、工艺品的重要途径。上述领域主要受益于3D打印无需模具的特性,在非批量制造中取得成本和效率优势。
结合社交网络对产品模型的分享传播和众包模式下大众对设计过程的广泛参与,3D打印将成为一种颠覆性的制造技术,和满足人类个性化需求的重要途径。美国Shapeways公司和Quirky公司的案例已经很好的验证了上述观点。同时,我们可以想象,随着3D打印材料类型的日益扩充、对产品性能控制能力的增强以及打印精度和体积的提升,Shapeways和Quirky这类公司的业务范围将不再局限于“中看不中用”的塑料工艺品和结构件。
2、3D打印在全球迅猛发展
在2008年开始的本轮全球金融危机当中,欧美国家普遍意识到以服务业作为主导产业的空心经济在面对经济周期波动时的脆弱性。同时,新兴国家的成本优势又使得发达国家在传统制造业上不再有竞争力。因此,结合自身技术领先的优势,发达国家普遍将目光投向以ICT技术、新材料技术、高精密机电技术和高端装备技术为代表的先进制造业,希望以前瞻布局和技术先发优势占领未来制造业的高端环节,继续保持在全球经济的主导地位。而3D打印作为一种具有全新禀赋的制造技术,被各国政府寄予厚望,成为发达国家振兴本国制造业的“救命稻草”之一。
“重振美国制造业计划”将3D打印作为首个振兴美国制造业的支撑技术。2012年8月,美国总统奥巴马拨款3000万美元,在俄亥俄州建立了国家级3D打印研究中心,并计划第一步投入5亿美元用于3D打印,以确保美国制造业不继续转移到中国和印度。该计划是3D打印第一次得到国家层面的重视和支持。
美国率先拉开制造业变革序幕。2012年10月,全球3D打印服务的代表企业Shapeways进行业务扩充,位于纽约皇后区的“未来工厂”投入运营。“未来工厂”里的机器,就是50台工业3D打印机,通过Facebook和Twitter等社会媒体,接受客户的各种产品的三维设计方案,并在数天内完成产品的打印生产,然后寄送给客户。同时,该公司还为商家和设计者设立平台,使他们可以利用公司的3D打印机生产并销售自己设计或收集的产品,目前该公司已有近15万个平台会员,6000余名设计者,至2012年6月20日,已打印了100多万个3D产品。成为以3D打印机作为生产设备的运营典范。