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3D打印开启制造新空间

发布时间:2019-01-01 01:06:04 文章来源:未来智讯    
    3D打印 开启制造新空间作者: 牛禄青   没有人能正确预测3D打印   对当前经济模式产生的深远影响,   但3D打印技能将对它能接触到的   一切领域特别是制造业产生冲击
  新一代信息技能与制造业深度融合,正在引发影响深远的家当变革,变成新的生产方式、家当形态、商业模式和经济增长点。各国都在加大科技创新力度,推动3D打印(业内称“增材制造”)等领域取得新突破。
  3D打印对经济的影响将是广泛而深远的。15世纪中叶的印刷术、18世纪中叶的蒸汽机、20世纪中叶的计算机,都曾经给那时的世界带来翻天覆地的变革。但是在那时,没有人曾正确预测到这些新技能对人类的深刻影响。同样,今天也没有人能正确预测3D打印对当前经济模式产生的深远影响。但3D打印技能将对它能接触到的一切领域特别是制造业产生冲击。
  随着《中国制造2025》及重点领域技能路线图的发布,提高制造业创新能力的呼声日益突出。作为一项传统制造技能的颠覆性创新,3D打印技能备受瞩目。
  3D打印是以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技能,体现了信息网络技能与先进材料技能、数字制造技能的亲密联合,是先进制造业的重要组成局部。当前,3D打印技能已经从研发转向家当化应用,其与信息网络技能的深度融合,或将给传统制造业带来变革性影响。加快3D打印技能发展,尽快变成家当规模,对于推进我国制造业转型升级具有重要意义。
  Wohlers Report 2015汇报显示,3D打印在2014年覆盖了41亿美元的市场。该行业仅在2014年就增长了逾10亿美元份额,在过去三年里的复合年增长率为33.8%,增长强劲。2015年略有放缓,2016年全球总销售额将增加至73亿美元,2018年这个数字将是127亿,到2020年市场预计将达到212亿美元。
  曾经默默无闻的3D打印如今越来越受到国家的重视。8月21日下午,国务院总理李克强主持国务院专题讲座,讨论加快发展先进制造与3D打印等问题。主讲人卢秉恒是我国机械制造与自动化领域著名科学家,也是我国3D打印领域唯一的工程院院士。
  李克强听完专家讲解后指出,以信息技能与制造技能深度融合为特征的智能制造模式,正在引发整个制造业的深刻变革。3D打印是制造业有代表性的颠覆性技能,实现了制造从等材、减材到增材的重大转变,改变了传统制造的理念和模式,具有重大价值。
  今年2月28日,工信部、国家发改委、财政部结合发布《国家增材制造家当发展推进打算 (2015-2016年)》。该打算指出,把培育和发展增材制造家当作为推进制造业转型升级的一项重要任务,以直接制造为增材制造家当发展的主要战略取向,兼顾增材制造技能在原型制造和模具开发中的应用,面向航空航天、汽车、家电、文化创意、生物医疗、创新教育等领域重大需求,聚焦材料、装备、工艺、软件等关键环节,实施创新驱动,发挥企业主体作用,加大政策指引和扶持力度,营造良好发展环境,促进增材制造家当健康有序发展。
  制造业面临内忧外患
  “三期叠加”之下,“中国制造”正遭遇着空前的困难。中国物流与采购结合会、国家统计局服务业调查中心最新发布的2015年9月份中国制造业采购经理指数(PMI)为49.8%,虽然比上月上升0.1个百分点,但仍处于50%荣枯临界值以下,而且这是自2014年10月份以来连续12个月同比降落,显示中国制造业发展持续放缓。
  此外,国家统计局公布的2015年8月份工业品出厂价格指数(PPI)为94.1,自2012年3月份以来一直处于负增长,工业企业的利润大幅被挤压,说明高投资速度放缓以后,工业产能严重过剩。
  国务院发展研讨中心原副主任刘世锦表示,以往中国经济高增长主要依托于高投资,高投资中主要包括三块,基础设施大体占20%到25%,房地产占25%左右,制造业投资占30%以上,这三项合起来是中国投资的80%到85%,其中制造业投资直接依赖于基础设施和房地产的投资以及出口的增长。中国的高投资要调整到位,就要有三个“落地”,通俗称为基础设施、房地产和出口这三只靴子要落地。目前基础设施投资和出口这两个靴子已经相继落地,房地产投资也起初回落。
  据统计,我国出口总值由过去每年20%以上的增长回落到2012年以来的5%到8%的增长区间。2015年上半年,我国进出口总值11.53万亿元人民币,比去年同期降落6.9%。其中,出口6.57万亿元,增长0.9%,出口局势更加严峻。
  许多专家表示,出口降落涉及国际和国内多重因素,一方面,一些东南亚国家正在中低端制造业上发力,凭借比中国更加廉价的劳动力,抢劫中国成本优势地位,而原本在华生产的外资高端制造业也回流发达国家,“前后夹击”让中国制造生存空间变狭小;另一方面,由于我国的劳动力、土地、环境等要素成本以及汇率水平的上升,使得我国的出口竞争力在降落。
  面对经济下行压力以及发达国家先进技能和发展中国家低成本竞争的的双重挤压,一些制造企业已经扛不住了,不时传来停产半停产、破产倒闭的消息,以东莞、苏州、温州最为突出。2014年12月,先是知名手机零部件代工场苏州联建科技宣布倒闭,随后联建的兄弟公司,位于东莞的万事达公司和联胜公司相继倒闭。同样位于苏州的诺基亚手机零部件供应商闳晖科技也宣布关门停产,并遣散了大局部员工。
  据明白,联建科技曾是苹果手机屏幕供应商,后来与小米也有过几年合作,鼎盛时有员工两万多人,2014年业务则每况愈下,至倒闭前还有3000多名员工。万事达公司和联胜公司两家工场倒闭时共拥有员工7000人。
  2015年1月,东莞手机零部件制造商奥思睿德世浦电子的老板欠债1.35亿元跑路。而在以制造服装、眼镜、鞋、打火机等小商品闻名世界的温州,2009年以来每年都有数十家大小加工制造企业倒闭,正在履历着制造家当的空心化。   由于2008年后疯狂扩张,中国建筑陶瓷和卫浴的年产能全世界人民即使全部使用中国货也需要二到三年才能消化完成。去年以来,随着房地产转趋冷淡,倒闭潮接踵而来。
  家具业同样不能幸免,大型家具企业倒闭层出不穷。去年深圳家居巨头华源轩、富之岛宣告破产,今年5月3日拥有23年历史的广州标卓家私破产,有“东莞家具航母”之称的东莞永信家具制造有限公司也相继倒闭。据最新数据统计,两年来仅深圳龙岗、东莞厚街、佛山龙江三个镇倒闭的家具厂多达849家。
  提质增效升级是出路
  只管各地接连出现企业破产倒闭,但也有不少制造企业顺势而为,锐意创新,利用3D打印、机器人、“互联网+”等新兴技能,不但生存了下来,甚至提高了市场竞争力。
  据明白,浙江一些传统制造企业早已意识到3D打印技能的辽阔前景,并积极加入研发,其中还有企业与卢秉恒院士进行3D打印技能合作。据统计,目前浙江约有1万家企业在使用3D打印新技能,其中民企占了很大比率。
  此外,积极应用3D打印技能、加快转型升级的典型企业还有家电行业的海尔、美的;汽车行业的比亚迪、吉利;机械行业的玉柴机器、新界泵业;化工行业的上海家化等。
  实际上,美国经济现在有所“复苏”,3D打印新技能的推广功不可没。2011年,杰里米・里夫金重磅推出的新书《第三次工业革命》,将3D打印推向了经济发展战略高度;2012年,美国领袖奥巴马宣布斥资3000万美元建一个新的国家级制造创新研讨所,即3D打印实验室和培训中心,推动了3D打印技能的应用。奥巴马政府认为3D打印技能是一项重要的战略家当,它能颠覆传统制造业,完全改变大多数产品的设计和生产模式,并且成为未来新兴家当的必争领域。
  现在在美国,3D打印技能已进入电动汽车的车身和底盘、航空航天和国防军工领域金属零件、牙齿骨骼等多个制造领域,推动美国在高科技和高端装备制造领域继续保持领先优势。
  浙江省3D打印联盟相关负责人表示,“美国经济复苏的成功经验,也能够借鉴到我们传统经济的转型升级中。3D打印新技能,能够促使中国人创新能力和设计能力的极大释放,堪称经济转型升级的‘牛鼻子’,从而解决一般‘中国制造’缺乏创新和美感等难题,最后推动‘中国制造’转向‘中国创造’。”
  国务院参事室特约研讨员姚景源认为,在新常态,创新才是经济结构改革的动力。“过去我们在国际化的分工中,基本上处在国际家当链的末端,缺少自主知识产权,贴牌生产,赚微薄的辛苦费。如今我们要通过国际化不时提升自己的核心竞争力。”
  中国制造的根本问题在于大而不强。据明白,中国的机床占到世界产量的38%,然而高档的数控机床基本得靠进口;中国钢铁产量世界第一,然而港口码头上高吨位起重机的钢丝绳和航空母舰的甲板得进口。中国的铝产量是世界第一,然而飞机上用的铝需要进口;中国给每人每年平均做3套半衣服,然而这么大的出口服装基本上都是贴牌。
  姚景源举例说,苹果手机非常一局部是在中国生产,“而我们每生产一部苹果手机,其中49%的利润被美国拿走了,日本拿走了30%多,韩国还拿走了百分之十几,剩下我们中国拿3.63%。”
  姚景源认为,低成本的时代一去不复返了。中国制造业想要在全球市场上拿到话语权,就要勇于转型升级,推动中国制造业结构调整,提高创新能力,从过去更多地依赖传统优势转变为新的优势,比如科技优势、高素质劳动力优势,以及整个社会的综合配套优势,惟有在这些方面下工夫,才能在国际大品牌中看到更多的中国品牌。
  实际上,中国制造提升的空间还是非常大的。财经作家吴晓波写了篇《去日本买只马桶盖》的文章风靡网络,他提到中国的中产阶层到日本去买电饭煲、吹风机、马桶盖、保温杯、陶瓷菜刀等商品。这些在中国遍地都是的商品为何能大卖特卖?因为它们更精细、更贴心、更好用。
  如今,中国已经是制造业大国,不能再一味用“市场换技能”的后发战略和贴牌仿制的低端路子了,必须提高设计研发水平,实现技能上的不时创新,才能缩短中国制造的“最终一公里”。
  李克强总理在8月份的国务院专题讲座上表示,促进中国制造上水平,既要在改造传统制造上“补课”,同时还要瞄准世界家当技能发展前沿,加快3D打印等新技能新装备的运用和制造,以个性化定制对接海量用户,以智能制造满足更辽阔市场需求,以绿色生产赢得可持续发展未来,使中国装备价格优势叠加本能、质量优势,为国际产能合作拓展更大空间,在优进优出中实现中国制造水平跃升。
  3D打印注入制造业新活力
  2015年9月初,来自法制晚报的一则“清华毕业生研发“3D煎饼打印机” 可用电脑操作打印百变卡通煎饼” 的新闻爆红网络。这7名清华大学软件学院的毕业生去年8月发现3D打印很有市场,于是创办了生产3D打印机的北京清软海芯科技有限公司。他们生产的打印机,原本都是制作各种物件,在受到一个卖煎饼的伙伴启发后,他们将科技与美食联合――打印煎饼。
  由于第一代煎饼打印机的外形太大、过于笨拙,加热也不均匀。他们又接着做第二代煎饼打印机,今年7月终于研发成功,可用平板电脑操作。他们打印煎饼的食材有面粉、牛奶、黄油、鸡蛋、糖和泡打粉,未来会增加更多口味。据明白,一台煎饼打印机的成本约为3000元,他们还在继续改良中,希望能够将图案打印得更精美,并加快打印速度。目前已经获得了徐小平万万元的天使投资。
  除了打印食品,还能够3D打印汽车。美国的设计公司KOR Ecologic、数字制造商RedEyeOn Demand以及3D打印制造商Stratsys合作完成了第一款用3D打印制造的高燃油效率混合动力车Urbee 2,车辆除了底盘、动力系统和电子设备等,超过50%的局部都是由ABS塑料打印而来。2014年,Local Motors公司推出了升级版的3D打印电动汽车Strati(斯特拉迪),此车的进步之处最初在于它的底盘局部也选取了3D打印技能制造,其次它的打印时间仅为44个小时。如果加上组装时间,最新的数据证明只需要三天就能造出Strati。从超过100天到3天,效率的飞速提升预示着3D打印汽车的未来发展不可预估。   华曙高科董事长许小曙博士表示,目前3D打印在汽车中的应用主要有五大方面:1、用于设计;2、结构复杂零件的直接制作;3、汽车上的轻量化结构零件的制作;4、定制专用的工件和检测器具;5、整车模型的制作。
  经过多年的发展,我国3D打印技能与世界先进水平基本同步,在高本能复杂大型金属承力构件增材制造等局部技能领域已达到国际先进水平,成功研制出光固化、激光选区烧结、激光选区熔化、激光近净成形、熔融沉积成形、电子束选区熔化成形等工艺装备。3D打印技能及产品已经在航空航天、汽车、生物医疗、家居、电动工具、复杂模具制造、食品、服装、玩具、建筑、工艺品等领域得到了初步应用,涌现出一批具备一定竞争力的骨干企业,譬如滨湖机电、华曙高科、陕西恒通、北京隆源、太尔时代、先临三维等。
  世界3D打印技能家当联盟首席执行官罗军表示,航空航天行业将成为3D打印技能的率先受益者,通过使用3D打印技能和快速成型技能,能够降低航天器的生产成本。3D打印通过大量使用基于金属粉末和丝材的高能束流增材制造技能生产飞机零件,从而实现结构的总体化,降低成本和周期,达到“快速反应,无模急迅制造”的目的。
  在航空航天领域,北航王华明教授3D打印的的钛合金结构件已经应用到了我国的飞机上,滨湖机电为欧洲航天局打印飞机机匣蜡模、为空客公司打印大型钛合金铸件蜡模,华曙高科用3D打印技能为中国航天科工生产固体火箭发动机点火装置壳体结构,实现地面试车一次成功。
  3D打印技能在医学领域的新应用层出不穷,不但可以打印医疗模型、医疗器械,还能够根据患者需要打印出相应的器官,精准教导手术。中国工程院院士戴�∪炙担�未来3D打印机或许能够定制出与人体原来器官一样具有生物活性的人造器官,实现个性化治疗方案,为器官功能衰竭的患者带来福音。
  目前,国内3D打印牙齿、骨骼修复技能已经成熟,并在各大骨科医院、口腔医院快速普及;而3D打印细胞、软组织、器官等方面的技能还需要进一步研发。国内3D打印在医疗领域的已有案例包括假肢、气管支架、肝脏、牙齿等。
  汽车制造领域,华曙高科与德国化工巨头结合开发适用于汽车工业的3D打印装备与材料,实现汽车功能件的直接制造,已在德国、美国知名汽车制造厂商启动测试验证;核电装备领域,核泵上的关键零件原来依赖进口,如今国内许多生产核泵的企业纷纷与滨湖机电合作,选取3D打印技能来开发。
  在今年3月份的中国家电博览会(AWE 2015)上,海尔推出了一款面向市场的功能齐全的3D打印空调,这是全球首款3D打印空调。据明白,这款空调选取了可定制的3D打印部件,用户可根据个人的喜好,自由选择空调的颜色、款式、本能、结构等。而且,这款空调也具有液晶显示屏,也是3D打印一体完成,能显示温度和状态。
  据现场海尔空调的事务人员介绍,此台3D打印空调是海尔智慧空气生态圈的高端定制产品。目前,不过打印外观,后续空调内所有结构包括电脑板等都将实现3D打印。这款3D打印空调定价6395美元(约合人民币4万元)。在9月4日举办的2015年德国IFA展上,海尔再次推出了能够送风的3D打印空调,让参观者目瞪口呆。
  卢秉恒院士在会上说,以3D打印为代表的“增材制造”的前景是“创材”,即按照材料基因组,研制出超高强度、超高耐温、超高韧性、超高抗蚀的新材料。目前3D打印已制造出了耐温3315摄氏度的合金,用于“龙飞船2号”,大幅增强了飞船推力。进而能够从“创材”到“创生”,即打印细胞制造器官,甚至把基因打印在细胞里实现基因变异。
  神奇的3D打印技能,不但能够提高劳动生产率,解决传统制造所不能解决的技能难题,而且可以为传统制造业的创新发展注入新鲜动力,是传统制造史上一次重大突破。
  3D打印有利于降低生产成本,主要表如今:一是提高生产效率。具体为:1、提高产品设计效率。在现有生产技能条件下,产品设计环节还难以实现标准化生产,3D打印技能的应用使制造业中快速原型环节制作效率大大提高,使产品设计环节更高效、更经济。2、缩短产品研制周期。在传统制造方式中,模具的加入与开发占据企业较高成本,3D打印无需机械加工或任何模具,就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,从而极大地缩短产品研制周期。3、简化工艺流程。3D打印利用由三维CAD模型制造形状复杂的原型,省去了许多传统的工序。美国3DSystem公司已经把这项技能的覆盖面扩大到直接制造上,不再需要复杂的机加工和供应。4、削减生产时间。3D打印可一步将零件加工到最后形状,制造时间降低为从前的1/10到1/5,从观念到制出成品的事件将缩短50-80%,从而加快上市时间。5、提高劳动效率。3D打印极大地解放劳动力,一个技能工人能够看管数台打印机,使劳动效率数倍甚至数十倍地提高。二是降低生产线投资。3D打印免除了对生产线投资,由于“数字化生产工场”的出现,企业不再需要将大量资金花在投资设备上。三是削减原材料加入。3D打印运用“增材制造”技能,使企业在原材料上的加入削减,所需的原材料仅为传统制造技能的1/10左右。四是削减废料与浪费。
  3D打印对生产管理及商业模式具有颠覆性影响,主要体如今:(1)能够实现按需定制,避免产能过剩。传统制造是大规模生产,3D打印能够满足个性化定制生产,产品上市时间缩短,同时不再需要库存大量零部件,也不需要大量生产。
  (2)柔化供应链。3D打印更大的颠覆性在于产生了柔性供应链。在传统制造模式中,客户提出身产需求时,须根据市场预期确定每批生产数量后开展批量生产,一旦工场加入运作,即使供过于求或供不应求,生产线都很难再停下。而3D打印则可先打印实验性产品,依据市场反馈效果后再做决定,更易于根据市场的反馈进行产品的优化升级,根据市场的需求能够随时调整产量,并通过用户的使用反馈来进一步批改设计。
  (3)提高价值链反应速度。3D打印可随时即开即停,降低各个环节和各业务单元的协调成本,有效地降低生产过程的刚性,提高价值链的反应速度,提高过程的连续性。   破解3D打印家当化障碍
  对于我国3D打印发展的现状,卢秉恒院士介绍,相比国外,我国的研讨起步并不晚,技能并不落后,某些方面还处于领先地位,但家当发展太慢,企业规模不足。我们国家应该准时拿出自己的应对策略来。
  上海家当技能研讨院李小丽博士认为,在我国,3D打印家当的发展至少面临五大障碍。最初是打印耗材。耗材是目前制约3D打印技能广泛应用的关键因素。目前已研发的材料主要有塑料、树脂和金属等,而3D打印技能要实现更多领域的应用,就需要开发出更多的可打印材料。为此,要根据材料特点深入研讨加工、结构与材料之间的关系,开发质量测试程序和方法,建立材料本能数据的规范性标准等。在一些关键家当领域,寻找合适的材料也是一大挑战。例如空客观念飞机的仿真结构,要求机身必须透明且有很高的硬度。为适合这些要求就需要研发新型的复合材料。目前对金属材料进行3D打印的需求尤为迫切,如工具钢、不锈钢、钛合金、镍基合金、银和金等,但目前这些打印技能尚未完全突破。
  其次是打印机本身。世界上目前惟有一种3D打印机可以同时打印出多种材料的产品。由于3D打印工艺发展还不完善,快速成型零件的精度和表面质量大多不能满足工程直接使用要求,只可做原型使用。3D打印产品由于选取叠加制造工艺,层与层之间连接得再紧密,目前也很难与传统锻件相媲美。
  再者是3D打印的价格。目前,3D打印不具备规模经济的优势,价格方面的优势尚不明显。目前,1kg打印材料少则几百元,多则要4万元左右。因此,3D打印技能在一段时间里还无法全面取代传统制造技能。然而在单件小批量、个性化订制和网络社区化生产方面,对于大多数产品来说,不管打印1件还是100件,价格都相差无几,因而3D打印具有无可比拟的优势。
  知识产权保护问题。3D打印技能的意义不但在于改变资本和事务的分配模式,而且也在于它能改变知识产权的准则。该技能的出现使制造业的成功不再取决于生产规模,而取决于创意。但是,单靠创意也是很危险的,模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上快速推出新产品,极有可能就像当初的音乐领域一样面临盗版的威胁。
  政策方面。3D技能的研发需要大量的政府加入或家当界的资金支撑。如在医疗领域,可能会因缺少食品和药品监管部门的许可,造成许多临床医疗产品应用的滞缓等。
  今年2月发布的《国家增材制造家当发展推进打算 (2015-2016年)》也指出,我国增材制造家当化仍处于起步阶段,与先进国家相比存在较大差距,尚未变成完整的家当体系,离实现大规模家当化、工程化应用还有一定距离。关键核心技能有待突破,装备及核心器件、成形材料、工艺及软件等家当基础薄弱,政策与标准体系有待建立,缺乏有效的协调推进机制。
  该打算提出,到2016年,初步建立较为完善的增材制造家当体系,家当销售收入实现快速增长,年均增长速度30%以上,总体技能水平有望与国际同步。并明确了五项政策措施。其中在加大财税支持力度方面,通过国家科技打算(基金、专项等)支持增材制造技能的研发事务。落实好增材制造设计及工艺抑制软件的税收支持政策。对增材制造领域国家支持发展的装备适时纳入到重大技能装备进口税收政策支持范围。
  在拓宽投融资渠道方面,采取政策指引和市场化运作相联合的方式,吸引企业、金融机构以及社会资金投向增材制造家当。鼓舞适合条件的增材制造企业通过境内外上市、发行非金融企业债务融资工具等方式进行直接融资。
  北京工业大学3D打印国际合作基地主任陈继民认为,3D打印技能或将改变如今的生产、生活模式。他举例说,现行的生产模式是集中式生产,工人们集中在流水线上,分段承担制造工序;而随着3D打印技能出现,一个人在家就可以凭借自身的创造力,生产一件完整的产品,将实现高科技的小作坊“回归”。在大众创新、万众创业时代,这种分布式生产将极大激发创造者的活力。
  全球3D打印市场研讨机构Wohlers的汇报数据显示,在全球3D打印市场,机器(事务母机)和服务的份额基本呈1:1的比率。2014年服务方面是21亿,比2013年增长38.9%,机器方面是19.97亿,比2013年增长31.6%。总的市场大约40亿美元。
  不可否认,3D打印与创新驱动、中国制造2025国家战略息息相关。“3D打印展现了全民创新的通途。”卢秉恒院士在国务院专题讲座中如是说。他举例道,2014年,美国GE公司挑战3D打印,将飞机的一个零部件让创客设计。收集的700多个方案中,第一名只用了原始结构的1/6的重量就完成了全部测试。设计者是一个19岁的年轻人,方案超过了GE公司的资深专家。
  力推“双创”的李克强当即再次强调,提高中国制造总体竞争力,关键要用大众创业、万众创新激发亿万人的创造活力。对于下一步的部署,李克强提出要深入推进简政放权、放管联合、优化服务改革,完善政府监管方式,营造破束缚、汇众智、促创新和维护公平的良好环境。
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