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找寻3D打印技能中的投资机会

发布时间:2018-12-16 01:06:01 文章来源:未来智讯    
    找寻3D打印技能中的投资机会作者: 刘变兰   3D打印(又称三维打印,英文是3D printing)是一种打印方式,它打印出来的不是平面图案,而是一个三维物体。三维打印技能是一种快速成形的技能,主要是运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过多层打印的方式来构造对象。在模具制造、工业设计等领域,3D打印主要用于建造模型,而如今正在向产品制造方向发展,变成“直接数字化制造”。一些高价值应用(比如髋关节、牙齿、飞机零部件等)已经有打印而成的零部件出现。
  大略地说,3D打印机是这样事务的:先用计算机建立所需打印物体的三维模型,然后把模型分成多层结构,用机器将原料(目前而言常常是金属或塑料)熔化,再运用喷墨打印机的事务原理,使熔化材料从喷嘴喷出,从而打印出多层结构的第一层,然后是第二层、第三层……逐层叠加,当所有层都打印完时,所需要的物体就出现了。该技能被应用在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工、汽车、航空航天、牙科和医疗家当、教育、地理信息系统、土木工程以及许多其他领域。
  3D打印常常是选取数字技能材料打印机来实现的。进入新世纪以来,这类机器的销售有了快速增长,其价格则出现大幅降落。3D打印制造物品所需要的,不过一台3D打印机、原材料和抑制打印机的软件。用软件画出模型,把原料投入打印机,点下“打印”选项,过一会儿就能够拿到新鲜出炉的物品了,这便是这种打印方式的惊人之处。
  流水线改变了生产制造的方式,从而使世界进入了现代化时代。同样,3D打印也可能使人类生活进入一种新状态。工程师和设计师们使用3D打印机已经有数十年了,但大多数情况下,不过为了能在产品大规模生产之前快速而廉价地得到其原型,从而摆脱价格昂贵且效率低下的模具制造的束缚。随着可以处理的材料越来越多,3D打印机起初更多地被用来生产成品。研讨3D打印的人们喜欢用“加法”或“减法”对传统工业制造进行分类。在工业界,使用3D打印机生产被称为“加法”制造,这种方式与使用切割、钻孔和金属蚀刻这些需要用车床等工具对材料进行加工的“减法”制造完全相反。加法制造过程中所需的原材料很少,而且3D打印机由软件驱动,无需费时费力地重新调整机器,就能够很容易制造出不同部件。3D打印这种所需材料更少、生产流程更大略的特点是传统制造方法无法比拟的。
  将3D打印设备称为“打印机”,是参照其技能原理的结果,因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。随着这项技能不时进步,如今已经可以生产出与原型的外观、感觉和功能极为接近的3D模型。对于生产者来说,3D打印技能可大幅降低成本,提高原材料和能源的使用效率,削减对环境的影响,它还使消费者能根据自身需求量身定制产品。3D 打印机既不需要用纸,也不需要用墨,而是通过电子制图、远程数据传输、激光扫描、材料熔化等一系列技能,把电子模型变为实物,其优点是大大节省工业样品制作时间,而且能够“打印”造型复杂的产品。许多专家认为,这种技能代表制造业发展新趋势。
  3D打印的优势
  3D打印技能可以改变制造业,因为它降低了产品的成本和生产风险。3D打印不需要庞大的机器、巨大的厂房,企业因此就不需要一直扩大生产规模,以赚取巨大的固定资产投资。不但如此,3D打印还可以大幅削减原材料消耗并削减对装配人工的需求,因此是一种耗能低、污染低甚至无污染的生产方式。
  当今世界,大量同质化的产品偶尔会不受消费者欢迎,尤其当很多东西都能够通过3D打印量身定制之后,传统的制造方式将被逐渐淘汰。可以定制化、小批量生产而几近不增加成本,是3D打印的一个巨大优势。在消费者追求个性化的当代社会,此种方式可以很好地迎合消费者需求。
  对发达国家来说,它们这种用规模化、机械化的加工方式取代需要人工精密加工的生产步骤,能够削减对人工的依赖,削减运输费用,单位人员的产出会更高,从而削减对发展中国家制造业的依赖,
  将来人们会看到,消费者能在家中像下载音乐一样下载产品模型,然后打印出来;或者在当地的3D打印中心,根据自身的喜好设计出各种产品。这样的情景可能很遥远,但技能发展的速度经常是不可想象的,一场新的工业革命可能即将来临。
  可能很多人以为,3D打印便是在电脑上设计一个模型,不管内面和结构多复杂,只要摁下“打印”按钮,3D打印机就能打印出一个成品。这个想法其实不准确,因为真正设计一个模型,特别是一个复杂的模型,需要大量工程、结构方面的知识,需要精细的技巧,并需要根据具体情况进行调整。以塑料熔融打印为例,如果一个复杂部件的内部没有设计合理的支撑,打印出的成品很可能会变形。媒体喜欢将3D打印机描述成产品打印完毕就能直接使用的神器,可真相上,产品制作完成后还需有一些不可避免的后续工艺:或打磨,或烧结,或组装,或切割,这些过程常常需要大量的手工事务。
  都说3D打印能给人们巨大的生产自由度,能生产前所未有的东西,可直到目前,几近还没有这种市场“杀手”级别的产品出现。用3D打印机小规模做些饰品、艺术品是能够的,做逆向工程也是能够的,但要谈到大规模工业生产,3D打印还不能取代传统的生产方式。如果3D打印能生产出其他工艺无法生产的产品,而这种产品在某些本能方面有极大提高,或是可以极大改善消费者的生活品质,或许能促进3D打印机实现更快普及,但目前这方面还不尽如人意。
  发展瓶颈
  目前,3D打印技能面临的发展瓶颈主要有以下几个:
  最初是价格因素。大多数桌面级3D打印机的售价在2万元人民币左右,国内的一些仿制品价格虽然能够低至6000元,但据代办商透露,国产低价3D打印机的生产质量很难有保障。另外,桌面级3D打印机仅能打印塑料产品,因此使用范围相当有限。而且对于家庭用户来说,3D打印机的使用技能要求仍然很高。因为使用者必须懂得3D建模,然后将模型数据转换成3D打印机可以读取的格式才能进行打印。
  其次是原材料因素。3D 打印不是一项高深的技能,它与普通打印的区别就在于使用材料不同。以色列的3D打印机制造商 Object是掌握打印材料品种最多的公司。目前,它已经能够使用14 种基本材料,还能在此基础上混搭出 107种材料。但与大千世界为人类提供的材料品种相比,这个种类规模还相差甚远。不但如此,材料的价格也是个问题,便宜的材料每公斤几百元,而最贵的材料每公斤售价可达4万元左右。   第三是社会风险成本因素。如同核反应既能用于发电,但又具有可怕的破坏力一样,3D打印技能在发展初期已让人们看到了一系列隐忧,而未来进一步的发展也令很多人有所担心:什么都能彻底复制,想到什么就能制造出什么,听上去很美的同时,这种不受抑制的创造也着实令人恐惧。
  3D打印是一层层地制作物品,想把物品制作得更精细,就需要减小每层的厚度;想提高打印速度,就需要增加层厚,而这势必影响产品的精度。在生产同样精度的产品时,与传统工业生产相比,3D打印没有成本优势,尤其是没偶尔间成本和规模成本优势。
  如今3D打印机市场百花齐放,如同处于战国时代,导致机器品质参差不齐。目前3D打印机缺乏统一的制造标准,致使同一个3D模型在不同的打印机上打印时,得到的产品可能大不相同。此外,打印原材料也缺乏标准,3D打印机生产商都想让消费者购买自己提供的打印原料,以便获取稳定的收入。这种做法能够理解,毕竟普通打印机的打印原料也是选取这种模式供给的。但问题在于3D打印机生产商所用的原料一致性太差,从形式到内容千差万别,这让材料生产商很难与之合作,因为研发成本和供货风险都很大,从而难以变成家当链。表面上看,是3D打印机捆绑了3D打印材料,真相上却是材料捆绑了打印机,这相当不利于降低成本和抵制风险。
  应用领域
  3D打印技能迅速兴起,成为炙手可热的新型家当,它能够打印的立体产品种类正迅速增加。3D打印机的应用对象能够是任何行业,只要这些行业需要模型和原型。以色列的Object公司认为,对3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天、国防、医疗设备、高科技、教育以及制造行业。
  2011年6月,欧洲一位患有慢性骨骼感染病的83岁老人,换上了由3D打印机“打印”出的下颚骨,这是世界上首个使用3D打印技能制作人体骨骼的案例。据国外媒体报道,在未几的将来,外科医生们或许能够在手术现场利用打印设备打印出各种尺寸的骨骼来使用,用于替代真实人体骨骼的打印材料也正在紧锣密鼓地研制,在实验室测试中,这种骨骼替代打印材料已经被表明能够支持人体骨骼细胞在其中生长,其有效性也已经在老鼠和兔子身上得到了验证。未来数年内,打印成的、质量更好的骨骼替代品或将帮助外科医师修复病人损伤的骨骼,帮助骨质疏松症患者恢复健康,也能够用于牙医诊所。
  为了打印骨骼替代品,来自华盛顿州立大学的机械和材料工程师萨斯米塔·博斯(Susmita Bose)和她的同事们对可从商业销售渠道获得的ProMetal 3D打印机进行了测试。这种3D打印机会在一层粉末基底之上逐层喷洒原材料胶粒并逐层成型,每一层的厚度仅非常于人的头发丝宽度的一半。使用这台打印机制造的骨骼支架的主要材料成分是磷酸钙,其中还额外添加了硅和锌以增强其强度。当它被植入人体内之后,能够临时起到支撑骨骼的作用,并在此过程中帮助正常的骨骼细胞生长发育,由此修复之前的损伤,这种材料最后能够在人体内自然溶解。科学家们花费了4年时间才找出这种合适的材料配方,使用的技能涉及到化学、材料学、生物学和工艺科学等诸多学科。
  美国德雷塞尔大学的研讨人员通过对化石进行3D扫描,利用3D打印技能做出了适用于学术研讨的3D化石模型。模型不仅保留了原化石所有的外在特征,同时还能按比率缩减,更符合研讨使用。在微软的3D模型打印车间中,当产品设计出来之后,用3D打印机制作模型,能让设计制造部门更好地改良产品,从而打造出更出色的产品。
  博物馆里通常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害,同时复制品也能让艺术或文物有机会影响更多的人。因为托马斯·杰斐逊雕像的原件要送到弗吉尼亚州展览,史密森尼博物馆就将一个巨大的3D打印替代品放在了雕像原来所在的位置。
  在建筑业里,工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印建筑模型的思绪。这种方法快速、成本低、环保,而且模型制作精美,完全合乎设计者的要求,还能节省大量材料。制造业也需要很多3D打印产品,因为从某些方面来说,3D打印在成本、速度和精确度上都比传统制造好很多。
  如今,研讨人员已经起初尝试用巧克力做原材料来打印了。或许在未几的将来,很多看起来一模一样的食品便是用3D食品打印机“打印”出来的。当然,这种打印食品的售价可能会比传统食品贵很多倍。
  汽车行业中同样有3D打印机发挥作用的领域。并不是说汽车能够直接用3D打印机打印出来(或许未来这也是有可能的),但汽车制造商在进行平安性测试等事务时,能够将一些非关键部件用3D打印出的产品替代,在获得效率的同时降低成本。
  一位名叫恩里科·迪尼(Enrico Dini)的发明家称,他已经与建筑大师诺曼·福斯特(Norman Foster)和阿尔塔空间公司(Alta Space)的科学家进行过讨论,希望能设计出一种能够用月球尘土做原材料的打印机。届时,就能够在月球上用这种打印机快速建造出人类的月球基地。
  预计到2050年,3D打印技能将能制造出飞机。据飞机制造商空中客车公司(Airbus)的设计师透露,该公司的3D打印飞机打算预计可在2050年前形成现实。据《福布斯》杂志报导,此打算会使用体积为机库大小的3D打印机制造飞机零件。空中客车公司的员工巴斯蒂安·谢弗(Bastian Schafer)描述了他的构想:这架飞机长80米,曲面机身由透明材质制成,乘坐这种飞机的乘客会感到自己彷佛正在云端翱翔。
  行业现状
  如果未来3D打印技能能走进我们的生活,将提供无数的商业机会,包括3D打印设备制造、打印材料制造、应用软件和服务等。环顾我们生活中的四周,绝大局部消费品都能够用3D打印技能制造。据相关机构统计,到2015年,3D打印行业的市场容量至少可达到1600亿美元。
  3D打印家当分为3D打印设备制造、材料制造和相关的应用软件和服务三个局部。3D打印机是整个家当的基础,随着家当的发展,无论是家用的桌面3D打印机还是制造业使用的3D打印机的需求量都会大大增加。在这个领域,未来会呈现传统巨头与新兴企业并存的场合。在消费市场,各种打印材料的性质完全不同,制作出的产品也可能无奇不有;而在工业市场中,可能每一个项目都要由不同的3D打印机来完成。因此,3D打印设备制造商将面临相当细的市场区分和极高的定制要求。   如今这个行业还未出现明确的领导者,参与者有一直从事3D打印的科技公司,也有惠普这样的传统打印行业巨头。目前3D打印机与传统喷墨打印机能够说是一脉相承,但随着技能的发展,两者可能会体现出越来越多的区别,也可能有越来越多的企业进入这个行业。
  在3D打印材料制造领域,将诞生专业的材料提供商。打印材料是3D打印家当的核心局部之一,材料技能的发展水平直接决定着3D打印机的制造能力,决定着打印出的产品能否完全取代传统制造业生产的产品。材料制造商追求的指标是:更好的材料质量,与之匹配的打印技能,像如今的打印机墨盒一般廉价且方便使用。
  目前,打印材料制造行业的主要参与者还是各家设备制造商。但与传统打印行业耗材单一、技能含量不高的特点不同的是,3D打印需要使用各种高技能材料。因此,专业的材料提供商未来也必然会成为这个行业中的重要成员。
  与3D打印相关的应用软件与服务的需求潜力十足,其市场之大可能超出想象。应用软件用于抑制3D打印机,软件使用平台的易用性对3D打印家当有巨大影响。如今的3D建模软件较为复杂,售价昂贵而且普通用户难于使用。如果能让用户快速、方便地建立自己需要的模型,比如在平板电脑、智能手机等平台上开发各种与3D打印有关的应用,让消费者能随时随地打印出自己的灵感,3D打印的需求肯定会迅速提升。在这方面,总部位于荷兰的创新制造公司Shapeways提供了一个很好的模式:消费者将3D模型图甚至是2D图片上传到公司网站,公司就能制造出相应的饰品,然后邮寄到消费者手中。消费者甚至还能够在网上出售自己创造的3D模型。
  3D打印在国内外都得到了高度重视,机器本身并不是技能推广的难点,但其是否会成为未来制造业的发展方向,仍需要时间检验。但能够确定的是,在军工、航天、科研等不在意加入产出比的行业中,3D打印已经得到了很多的重视。从3D打印家当链来看,未来有很多方面都具有发展潜力:
  在输入端,3D图纸设计最具有发展潜力。无论三维打印发展到何种地步,图纸设计都是无法取代的。此外,三维设计软件、图纸设计服务、扫描软件以及扫描设备制造领域都可能有较大的发展。
  在制造端,与打印机相关的行业都有发展潜力。作为行业的核心,3D打印机生产的发展已基本走上正轨。例如,3D System公司研发了应用于不同行业的使用不同材料的打印机,净利润率可达到15%左右。目前来看,3D打印机的瓶颈仍然是多种混合材料打印,如果可以发现更多成本低、易于应用的打印材料,可极大地扩展3D打印的应用。
  在服务端,3D打印服务同样具有发展潜力。打印服务目前在美国已有应用,建立的连锁打印服务机构不免让人想起当年的柯达彩印店;日本也推出了根据孕妇B超结果打印胎儿模型的服务。将类似的应用推而广之不难发现,打印服务必然拥有辽阔的市场。
  中国的3D打印市场
  成立于2009年的杭州铭展网络科技公司是3D 打印机的生产者和代办商。公司是三维立体打印机生产商3D Systems 局部产品的中国区代办服务商,同时也基于开源3D打印技能制造出了个人3D打印机系列,发展指标是批量生产经济型家用打印机,以方便设计师、工程师、科技人员甚至普通爱好者的使用。此外,铭展还建立了“我爱3D”设计作品分享社区,让更多人参与3D打印作品的创新和分享。
  南京宝岩自动化有限公司自主研发了3D打印机,既有可打印手机座、茶杯、梳子等生活用品的家用型版本,也有冰柜大小的大型彩色3D打印机,可用于打印齿轮、螺帽及零部件等模型,市场售价在1万~25万元之间。
  实威国际的总部位于台北,这家软硬件及顾问服务解决方案提供商经营3D打印机相关软件,其产品涉及3D设计软件、3D产品文件编写,能够加强客户建立2D、3D图档和动画的能力。在2012年8月举办的台北国际模具暨模具制造设备展上,实威国际展出了Solidworks系列软件,这种3D 产品设计软件能够帮助制造业企业缩短研发时间。
  3D打印机的市场需求增长迅速,市场规模不时矿大。目前,国内的3D打印主要集中在家电及电子消费品、建筑、教育、模具检测、医疗及牙科正畸、文化创意、文物修复、汽车及其他交通工具、航空航天等领域。据业内人士估计,3D 打印机在国内企业的装机量在400台左右,2010年以来的年增速均在70%左右,市场规模超过1亿元。
  因为3D打印的制造方式与传统方式完全不同,所以从原材料处理、成品制造到相关服务都能够被纳入3D打印家当链中。保守估计,国内这些行业的年产值能达到人民币5万亿元以上。
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