3D打印悄然走进现实 离颠覆传统制造方式还有多远?

“目前,增材制造产业(俗称3D打印)已经度过了导入期,处于快速成长的新阶段。”工业和信息化部装备工业发展中心政策规划处副处长、中国增材制造产业联盟副秘书长李方正的一番线D打印在发展道路上的最新足迹。

3D打印,即以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。更形象地来理解,其与普通打印机工作原理大致无异,在打印机内装有液体或粉末,再通过计算机控制将上述打印材料一层层叠加起来,最终把蓝图变成实物。

从产业动作来看,8月底,3D打印龙头铂力特发布定增预案,拟加码金属增材制造。锐科激光于今年4月推出新型3D打印激光器产品,可应用于医疗、航空航天、传统制造业、汽车、牙科等领域。此外,上海联泰、鑫精合、清研智束等一大批非上市公司也在摩拳擦掌,力图乘上这匹“产业黑马”。

在业内人士的眼中,3D打印无疑是工业发展的未来。但在行业真正迎来爆发之前,包括原材料端、装备端、工艺端、质量检测端、推广成本端等在内的生产链各环节都亟待突破,广泛涉及原材料收得率、装备自主研发能力、工艺水平、检验和准入成本等多个方面。

不过,从上海证券报记者调研掌握的情况看,在数字经济方兴未艾、智能制造大行其道的背景下,3D打印产业发展正在悄然提速。

走进位于上海松江的上海联泰,装备车间里热火朝天,工作人员把一个个犀牛大小的仪器装进集装箱,准备发往外地。该公司创立至今已有22年,是增材制造产业发展壮大的见证者之一。

“最初的10年里,产业的赛道很窄。尤其是2008年金融危机后,由于主要客户的购买力下降,公司曾一度陷入生存危机。我们当时只好定了一个规矩,人员只出不进。”谈起那段难忘的岁月,公司总经理马劲松仍感慨不已。

在公司展厅里,栩栩如生的动漫手办、工艺精湛的铸造零件、小巧细致的齿科模具……不同材料打印的3D成品诉说着与不同行业之间的故事。“这些故事才刚刚开始。”马劲松对未来充满信心。

世界其他国家也在大力发展增材制造。据《2022年沃勒斯报告》披露,2021年全球增材制造市场规模达到152.44亿美元,同比增长19.5%,过去4年的平均增长率高达20.4%,其中,增材制造专用材料、装备和服务总产值达到122.5亿美元。据麦肯锡预测,到2025年,全球增材制造有望产生2000亿美元到5000亿美元的经济效益。

聚焦中国,“增材制造”在《中国制造2025》全文出现6次,贯穿始末。《2021年中国增材制造产业发展调研报告》显示,2021年我国增材制造企业营收约为265亿元,近4年平均增长率30%。

体现在企业主体上,据国家统计局数据,中国增材制造规模以上企业由2016年的20余家增长至2021年的100余家,营业收入超过1亿元的企业数量已超过40家。

与此同时,增材制造技术的应用领域也在不断拓展。记者调研发现,3D打印不仅在饰品工艺、航空航天、医疗器械、汽车制造等领域应用逐步深入,还不断向生物、服装设计制造等领域拓展,应用方式也逐渐从原型设计向直接制造转变。

在增材制造公司鑫精合的实验室中,摆放着一台巨型设备,几乎占去实验室四分之一,操作起来需要工作人员先登上一个四级楼梯。

“这在几年前是很先进的设备,当时光从德国引进就花了2000多万元人民币。”全国增材制造标准化技术委员、中关村高聚工程首席科学家刘斌告诉记者,“过去增材制造企业普遍使用进口设备,一个主流的小型设备就是四五百万元起步。现在实现了国产化,设备成本基本可以下降50%,有些情况下特制的专用设备100万元就能造。”

北京清研智束与清华大学林峰团队合作,剑指3D打印设备国产化的课题。公司常务副总裁王洁瑶对记者透露,目前公司自主研发了EBSM双枪同幅电子束增材制造设备,可实现同步预热、填充和轮廓扫描,成型效率提高了一倍以上,解决了我国先进金属材料大尺寸构件制造问题。

3D打印在技术上的另一重大突破,来自材料收得率的提升。“以前公司使用的粉末材料收得率只有30%左右,也就是说投入100公斤原料,可能只有30公斤材料成品能用于打印,其他原料都报废了。而现在部分粉末材料的收得率可以达到60%左右,相比过去基本翻倍了。”刘斌表示,粉末制备技术的不断进步,可有效带动3D打印原材料成本的大幅下降。

此外,刘斌进一步表示,增材制造离不开专用特制的原材料。随着近期业内持续跟进新材料的研发,未来如高强铝、高性能钛合金等材料可能会有更多大展拳脚的舞台。

面对3D打印的广阔赛道与技术进步的日新月异,A股公司正加快布局,积极“落子”产业链。尤其是科创板设立,吸引越来越多增材制造细分龙头登陆资本市场,借力加速发展。

在上游材料端,科创板公司有研粉材主攻3D打印粉体材料,包括气雾化为主要工艺生产的铝、铜、钛、高温合金、模具钢、钴铬合金等粉末材料。银禧科技则主要围绕熔融堆积成型(FDM)材料和选择性激光烧结(SLS)材料展开研究与生产。

在核心零部件端,光韵达全资子公司通宇航空专注于3D打印在航空领域的应用,主要生产航空零部件、机加工及3D打印零部件,其中3D打印航空零部件有望成为公司重要的业绩增长点之一。锐科激光主要布局3D打印专用光纤激光器。

在中游设备端,光韵达现有设备涵盖陶瓷3D打印设备、金属3D打印设备、非金属3D打印设备、全彩3D打印设备及自主研发3D打印设备等。爱司凯主要设计研发砂型3D打印设备。

在下游产品端,大博医疗主营业务系医用高值耗材的生产、研发与销售,产品涉及3D打印髋关节假体等。迈普医学利用生物增材制造技术,实现可吸收硬脑(脊)膜补片等主要产品的开发和销售。

据Choice数据统计,自今年4月底以来,A股3D打印板块指数涨幅接近30%。

李方正对记者表示:“近期,资本市场对增材制造的关注度持续回暖。一方面,得益于增材制造技术趋于成熟、产品趋于完善、行业认同度提高;另一方面,铂力特等产业龙头公司的上市,提高了资本对产业的整体关注度。”

铂力特2019年7月登陆科创板,累计涨幅达250%,市值超过160亿元,在全球增材制造公司中位居前列。半年报显示,公司上半年实现营业收入2.77亿元,同比增长92.83%。

借力资本,铂力特的扩产动作还在加紧。8月29日晚间,公司发布定增预案,拟募资不超过31.09亿元,投向金属增材制造大规模智能生产基地项目及补充流动资金。铂力特表示,此举将大幅提升公司金属增材定制化产品和原材料粉末的产能,满足航空航天、医疗齿科及汽车等应用领域对增材制造快速增长的需求,同时满足公司和行业对金属增材制造粉末的需求。

产业发展势头迅猛,但痛点难点仍存。长久以来,3D打印一直面临一个共识性问题,即相较传统行业,如何实现更低的成本和更高的效率?更进一步说,怎样有效提升产业链各环节的水平?3D打印能不能跟其他行业找到匹配点?这些问题都需要从业者们在不断摸索和尝试中求解。

“目前,3D打印和航天结合比较顺畅,因为航天设计师本身有需求和意愿使用新的技术,探索不同场景中使用增材制造的优势和合理性。3D打印本身在传统工业领域也需要有一个发展的过程,需要企业和客户互相走近,找到合适的结合点和切入点。”刘斌表示。

相对而言,由于部分传统企业生产规模较大、产能产值较高、改变动力不足,致使3D打印“接入”困难。刘斌告诉记者,当前3D打印在很多传统工业领域中渗透率比较低,处于刚起步的阶段。未来如果能有更多政策鼓励、支持和推动,行业会走得更快更顺。

如何让更多的传统企业“尝鲜”3D打印?多位受访者均向记者表示,各行业需要出现一些融合增材制造技术的标杆企业,共同带动行业内的企业使用增材制造技术。除此之外,业内工程师们也需要进行思维模式的转变。

在李方正看来,传统企业增进对3D打印技术的了解,可以促进其设计和装备技术的升级。与此同时,只有更多传统企业加入到3D打印的队伍,与后者的应用结合点多了,才能更好地促进3D打印的应用和改进,形成聚集效应和良性循环。

此外,应用标准的缺失,也是3D打印产业化路上的另一掣肘。铂力特相关负责人在接受记者采访时坦言,增材制造的技术成熟度还不能同减材、等材等传统制造技术相比,仍要在科学基础、工程化应用、产业化生产等环节开展大量基础性研究工作。行业标准的缺失则在一定程度上制约了增材制造技术成果的累积、固化和推广应用,减缓了产业发展进程。

“作为一种新型制造技术,目前国内外都在积极探索3D打印应用的标准。”李方正信心满满地说,“一旦应用标准制定了,后面的检测认证跟上了,那3D打印规模化应用的量就可以迅速起来了。”

脚踩全3D打印的鞋子,北京艾迪智联科技有限责任公司增材制造总监郭丹风风火火走进了会议室。

如其脚步,郭丹认为,3D打印前进的步伐已势不可挡。“产业技术的迭代源于实际应用的需求。几年前,国内外企业关注的重点是要不要用增材制造,近两年则更多关注产品怎样通过增材制造实现,思考的角度已经发生了质的变化。”但他同时表示,“现阶段,产业还没有跨越鸿沟,没有从创新者进入大众产业的全生命周期中。只有走过蓄力期,3D打印市场规模才会迎来几何式增长。”

从行业发展的视角来看,人才长期紧缺制约着我国增材制造产业的发展。人力资源和社会保障部发布的《2021年第四季度全国招聘大于求职“最缺工”的100个职业排行》中,增材制造设备操作员赫然在列。

不过这一情况也在发生积极转变。今年6月,人力资源和社会保障部发布了“增材制造工程技术人员”等新职业的信息,跨出了从以往政策支持学校培养到职业认可的重要一步。与此同时,企业自身也在积极培养专业人才,为产业发展贡献力量。

“3D打印不再遥不可及,低成本消费级设备有望走进千家万户。”刘斌说,“未来可能会出现家用小型金属增材制造设备,用以制造家用产品,如专用的锤子、钳子等工具。如果人们需要金属零件,只要下载模型或自行设计,并把模型传输到设备中,就可以在家自主打印零件。”

随着行业优质人才的输入,设备研发技术的进步,产业新模式的涌现,新一代信息技术的赋能,以及政策支持力度的升级,在不久的将来,3D打印或将“喷绘”出一个立体丰实的产业实景。

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