技术预测:未来的3D打印技术

作者:艾伦•伊尔斯、维诺德•贝雅

几乎,每天都会有用户咨询南极熊3D打印网:3D打印的发展趋势是怎么样的?未来会有哪些机会?下面这篇《3d打印机的未来之路》

如今,3D打印机的打印速度变得越来越快,变得更易使用,同时还可处理多种材料、打印有源元件或系统,3D打印机在未来的应用不仅仅只局限于快速成型。

通过打印机和打印方法、设计和打印软件以及打印材料这三方面的统筹发展,3D打印技术在未来会不断发展。

3D打印技术,也就是增材制造技术,自1980年代便以某种形式存在。然而,3D打印技术至今仍旧无法开展或无法以成本效益的方式开展大部分成品生产或大规模商业化生产。人们越来越期望,3D打印技术的这些缺点在不久的将来都会被克服。

一系列的技术发展趋势正证实着人们的期望。目前,新兴的中级3D打印机开始具备高端系统功能的同时,保证了桌上型尺寸和低价位。在不同产品范围内,3D打印机的速度不断提升。目前正在研制的高端系统可提供的打印速度比现有的顶尖机器的速度要快500倍。然而,因为关键的专利技术快要到期,这一现象可能会加快创新的脚步。

最近的一项PwC调查便调查了多于100个工业制造商。南极熊3D打印网页进行过类似的研究。其中,三分之二的工业制造商已经在使用3D打印技术(见图1);大多数的制造商仍然只是在试用3D打印技术或将其用于快速成型。自3D打印技术开发以来,快速成型便是重心。市场调研公司“易观国际”专注于预测未来的发展;其预测,3D打印机和服务的全球市场在2018年会上升到162亿美元(2013年只有25亿美元),实现45.7%的复合年增长率(CAGR)。

尽管3D打印技术具有以上发展趋势,3D打印行业也面临着挑战。快速成型的地位仍旧重要,但是其不再是可以将技术变为大规模使用的“游戏规则改变者”了。3D打印行业需要着重于打印功能更加完善的成品或元件,而且打印的数量要远远超出原型产出数量。比如,助听器和牙套制造商便采用了成品技术。此外,3D打印需要补充或取代传统生产的产品和元件,并创造出无法由其他方式生产的物品。

你的公司目前是如何应用3D打印技术的?

来源:PwC和Zpryme调研和分析

表1:3D打印技术在不同行业的最新利用

为改进设计和生产策略,很多产业都在使用市面上的3D打印解决方案(见表1)。通过打印机和打印方法、设计和打印软件以及打印材料这三方面的统筹发展,3D打印技术在未来会不断发展。此期《PwC技术预测》便针对以上三个方面展开了调查。本文评估了3D打印机和打印方法在性能、多材质管理以及生产成品能力方面的发展趋势。未来的文章会调查软件和材质本身。

3D打印行业的最新状况

在3D打印中,成千上万层材质会叠加到其他材质或“墨水”(最常见的为塑料聚合物或金属)的层面之上进行打印。很多打印技术通常都需依靠于材料(见花絮报道“3D打印技术”)。比如,熔丝制造(FFF)就利用了塑料、涉及到光敏聚合物的立体光刻、金属激光烧结等等。

2 术语“墨水”指的是在3D打印中从喷嘴中挤压出或喷出的材料。除了喷墨式打印方法,“墨水”术语还适用于其他方法。

3D打印技术

•立体光刻(SLA):此3D打印技术利用紫外线光束来硬化液体树脂,进行逐层连接。

•熔丝制造(FFF):融化热塑流会从喷嘴中挤压出,形成一层层材料;每一层都会与前一层相连接。常见的墨水包括ABS(丙烯脯二乙烯丁二烯树脂)和聚乳酸聚合物。

•选区激光熔化(SLM):SLM类似于SLS;不同点便是SLM融化粉质材料。粉末会在极高的温度下被融化。

•电子束熔化(EBM):EBM类似于SLS,但是EBM利用电子束作为能量源。

•目标分层制造(LOM):在此加工过程中,材料(比如金属、塑料或纸质)的分层会逐层连接,后被切割成不同形状。在一些情况下,切割后需进一步加工(比如,通过模具加工或钻孔)来定型产品。

如今,面临着快速成型的广泛使用,3D打印机只有在以下三个方面得到一定发展,才可抓住快速成型领域之外的机遇:

性能:提高关键的性能,比如速度、分辨率、自动化操作、方便使用、可靠性和重复性。

多材质功能和多样化:结合多种不同材质,包括在打印一个物品时混合使用多种材质的能力。

成品:打印功能完善、具有多种组件的有源系统的功能。组件可包括内嵌式感应器、电池、电子器件、微电机系统(MEMS)等等。

如今,3D打印机只要集中于两个极端:高成本—高性能、低成本—低性能(见表2)。高端打印机通常都是针对企业和3D打印服务部门的;而低端打印机通常都是公开源代码RepRap打印机的衍生品,针对消费者和业余爱好者。

在过去的一年里,中级打印机得以面世。很多新进入者和著名供应商的中级打印机都具有较多的高端性能,而价格又较低。比如,FSL3D和Formlabs的打印机就具有加高的分辨率而较小的机型,使用立体光刻技术,只需几千美金。MarkForged的台式打印机可利用碳纤维复合材料进行打印,其价值不到5000美金。CubeJet的3D打印系统的定价也低于5000美金,可打印多彩物品,在保证低价的同时还提供了专业的性能。

3. RepRap是最老的台式3D打印机之一,可应用于任何机器。RepRap 3D打印机可精确仿制任何机器。更多信息详见http://reprap/org/wiki/RepRap.

4. 布莱恩•黑特:“CubeJet可提供专业的3D打印技术,具有符合消费者要求的规格,而其定价低于5000美金。” “瘾科技”,2014年1月7日。

图2:打印机新兴市场正在定义一种新类别:高性能、低价位

很多特点都决定着打印机的性能,但是打印机的关键挑战便是速度和易用性。

顾能公司预测,在2016年年底,价值(功能和性能)符合企业和其他机构要求的3D打印机会得以开发,而其定价低于1000美元。我们也可以期待,打印机在未来几年会得到加速发展,尽管不同打印技术和不同供应商的发展程度和性质会有很大不同。

3D打印性能的发展趋势

虽然很多特点都决定着打印机的性能,但是打印机的关键挑战便是速度和易用性。

人们期望打印机的打印速度可以更快

即使是简单商品,3D打印的时间还是很长,一般需要几个小时,有时甚至是几天。渐进式改善以及可能改变强度的打印方法可加快打印机的打印速度。“由很多方法可以加快打印速度,我们可以使用高质量原件,也可优化激光器的设计和运动,”FSL3D的首席工程师安德鲁•博格利说。FSL3D是台式立体光刻打印机的供应商。比如,Form1+是Formlabs的立体光刻打印机,其中的激光器比前一代打印机Form1中的激光器强大四倍,打印的速度比Form1快50%。

如今大多数的打印机都使用单个打印头来放置材料。可保证同时打印的打印头的引入可更快地喷出材料,从而加快打印速度,同时又可结合多种不同材料或不同颜色的同种材料。在一个打印头打印一件物品的时间内,多个打印头的设计还可复制多件该物品。苏子和打印头的增多,打印速度也会成正比的增大。

针对业余爱好者,Robox提供一个双喷头打印机。Robox说,双喷头打印机的打印速度要比单喷头打印机快3倍。

5. Pete Basiliere:“3D打印技术如何影响商业并创造新机遇?”顾能公司G00249922,2014年4月

6. Signe Brewater:“Formlabs发行Form1+——更快、更可靠的SLA 3D打印机”Giagaom,2014年6月10日。

http://gigaom.com/2014/06/formlabs-reveals-the-form-1-s-faster-and-more-reliable0sla-3d-printer“这些(业务3D)打印机的个人维修费比人们所适应的家电维修费贵得多。”密歇根理工大学教授约书亚•皮亚斯说。

在打印大型物品时,速度对打印机来说尤其是个挑战。大型物品需要更多材料从打印机喷头中挤压出,而打印机喷头的材料处理速度通常都是一定的。国立橡树岭实验室和机床生产商辛辛那提股份有限公司便展开合作力求解决这个问题。目前,这两个机构正在开发一个大型叠层制造系统。该设计结合了较大的喷头(可更快地喷出聚合物)、高速激光切割器(可在英尺范围内工作,而不再局限于英寸范围内工作)和高速电机(当打印头进入范围内加快打印头移动速度)。最终,两个机构开发出的系统能够以比现有叠层机器快200—500倍的速度打印大10倍的聚合物原件。

为控制打印头的运动,3D打印机使用了不同方法或架构。笛卡尔打印机的配置在如今非常流行,其打印头在平面上可在两个向度上移动。Deltabor打印机(也叫作三角型机器人打印机)的机械手臂是平行四边形,就像一个机器人(见图3)。“三角型打印机基本上要优于笛卡尔打印机,因为三角型打印机可带来显著利益,其中之一便是速度,”密歇根理工大学(MTU)副教授约书亚•皮亚斯预测道。约书亚•皮亚斯也是公开源代码3D打印机的活跃开发人员。三角型的配置可带来更快的速度,因为其打印头更轻,在两点之间移动时会采用更短的路径。

打印机会愈发自动化、更易使用

现有的3D打印机可自动执行不同的任务。然而,一些针对业务爱好者的打印机要求打印头定期清洗,要求底座保持水平,要求人工修补,要求人工监督以将误差最小化。“这些打印机的个人维修费比人们所适应的家电维修费贵得多,”约书亚说。减小或消除人类元素是有可能的,而且这也是未来几年创新的关键。

图3:笛卡尔和三角型打印机的配置

来源:PwC

7. 国立橡树岭实验室,“国立橡树岭实验室(ORNL)和辛辛那提股份有限公司一起协作开发商用大型叠层制造系统”,新闻稿,2014年2月17日。

将造成常见错误和可靠性问题的特性(比如支撑结构生成、零件放入方向等等)自动化可能会提高业余打印机的易用性。比如,如果组件平台没有水平防止,打印量可能会受到影响。很多打印机,如Robox、XYZprinting和MakerBot打印机都涉及到自动化:打印机可以与平台校准。我们期望未来会开发出反馈系统——实时监控打印过程,侦测出设计缺陷或偏差(对照由CAD(计算机辅助设计)工具制作的3D模型),并允许恰当干预。这些特性的自动化可能会提高打印步骤的可靠性和重复性。

3D打印机处理材料的最新趋势

大多数打印机在运作时只涉及到一种材料——塑料、金属、陶瓷、木材或生物材料。为制作更加有用的产品、扩大市场,3D打印机在一个打印周期中需要处理多种不同材料。不同的因素(大多与材料本身有关)使得这个要求尤具挑战性。比如,大多步骤都是围绕一种理想材料展开的,这种材料符合较小范围的温度输出或光频、打印机使用热度或光线时通常会将物质液化或固化,从而将材料处理成特定的形状。而就当前的先进水平而言,其他的潜在材料则无法允许打印机有效处理材料形状。

多材质功能的开发可使某些打印方法优于其他打印方法。FFF打印技术极有可能适应多种材料,同时无需扩展当前技术,因为在处理其他聚合物时,可以增加打印头的数量。Hyrel 3D、XYZprinting和MakerBot目前已退出定价低于几千美元的多头打印机。

“就多材质打印而言,喷墨式技术(如Voxeljet)代表着现在和未来,”博格利预测道。一些打印方法使用了喷墨式技术的,如选区激光熔化。因为喷墨式技术可以使用多个打印头,其可以处理某一范围内的多种材料,这一范围称为粉末化“基础”。因此,用不同材质制作的零件或组件可以一次打印完成。如今,Voxeljet、斯特塔西公司、3D Systems推出的高端打印机可提供此项技术。

喷墨式打印自1970年代便得以应用于2D打印机,但是大约在7年前才由Objet(目前是斯特塔西公司的一部分)应用于3D打印机。Objet将喷墨式技术在3D打印机上的应用过程叫做PolyJet。通过喷射出两种或两种以上的基础材料(具有不同化合物),喷墨式技术可创造出新属性材料,从硬质塑料到仿橡胶,从不透明物质到透明物质。最近,喷墨式技术可进行多色打印。比如,Stratasys Objet500 Connex3打印机支持多材质和多色3D打印。打印出的零件具有14种不同的材料属性和10种主要颜色。

8. Stratasys Objet500 Connex3,如何将多材质和多色可能性最大化,2013。

图4:下图中的手翻原型结合了不同颜色的软性和硬性聚合物材料。这一套耳机原型结合了不同颜色的多种材料。

来源:斯特塔西公司

若要在单个打印周期内结合不同族材料(如金属和塑料),打印技术仍需发展

如今,多材质打印机只涉及了单族材料(比如,聚合物)的操作,而且大部分多材质打印机用于原型制作,以方便设计师确认形状、功能、匹配度和感觉。图4显示了由Connex3打印机制作的手翻和耳机的多色原型。

若要在单个打印周期内结合不同族材料(如金属和塑料),打印技术仍需发展。目前,研究实验室在这一方面所做的发展还处于早期阶段,相应产品若能成功制作至少还需要5年。

打印成套系统的最新趋势

更进一步的发展则是成套系统或子系统的打印了。新兴的多材质功能可促进该发展,因为大多成品的制作材料都不止一种。然而,目前的挑战便是原件(如感应器、电子器件和电视)的内嵌;原件的内嵌可以使所有相关器件打印于一个物件上。相关人员正努力进行多个领域内的研发,包括材料、打印方法、叠层和传统生产技术的结合。

在材料学上关键的挑战便是开发可用作不同类型产品打印基础、可打印感应器、电器器件或电视的墨水。比如,Xerox PARC目前正在研发墨水,从而实现线路、天线和电子标签的打印并保证以上打印出的物件可直接只用于产品。类似地,哈佛大学工程和应用科学院教授詹妮弗•刘易斯将小型锂电子电视的基本组成部分作为打印墨水。

未来,叠层制作技术不仅仅局限于不声明物体。刘易斯团队已研发出生物墨水,可打印活组织。该团队利用了多个打印头并定制了墨水来打印复杂的活组织。打印出的活组织具有完善的小血管。一些制药公司已经利用3D打印的组织来测试药物。

9. Michael Molitch-Hou,“亚利桑那州立大学研发的金属—塑料元素3D打印技术”,《3D打印行业》,2014年4月2日。

10. “给我打印一部手机”,《经济学家》(美国),2012年7月28日。

11. Mike Orcutt,“打印的电池”,《麻省理工技术评论》,2013年11月25日。

12. 哈佛大学仿生工程怀斯学院,“打印活组织的一个大发展”,新闻稿,2014年2月19日。

生物打印通常会使用两种墨水。一种墨水是生物材料,另一种是水凝胶。水凝胶可提供组织和细胞生存的环境。而血管打印的重大突破是第三种墨水开发的结果。第三种墨水具有一种特殊的性质:冷却的时候会融化,而变热时却不会融化。这一特性允许科学家打印细丝互连网络、通过冷却材料来融化材料。液体通过虹吸管吸出,用于在组织中创建空心管(或血管)网络。此创新只有在3D打印技术下才有可能实现;其产生了传统制作方法无法提供的新可能。

成套系统的打印不仅仅局限于纳米或显微尺寸。Optomec与美国极光飞行科学公司和斯特塔西公司进行协作,打印了成套的机翼,包括无人机的电子器件和感应器。每个机翼都由Stratasys FFF打印机打印。打印出的感应器和电子线路可直接用于带有Optomec气溶胶喷射系统的机翼。喷墨式打印需在平整表面上进行,其喷嘴可储存打印头(离其近一毫米远)的微小墨水滴。气溶胶喷射工艺可使纳米粒打印材料分裂成微小液滴,并通过喷嘴将液体集中于弧形或具有不规则形状的打印表面上。打印表面的位置需距离喷嘴至少5毫米远。通过这一功能打印出的电子器件的尺寸小于毫米的百分之一。

一些方法可能同时结合了3D打印技术和其他制作方法。比如,由iRobot提交的一份专利便关于全自动机器人3D打印机,其成品涉及了多个操控器以及研磨、钻孔等工艺。

创新速度表明,高期望要成真了

3D打印机市场正快速转型。著名供应商、商人和业余爱好者打印机的重多创新便提供了一个试验场——对提供更多中级系统的实验。中级系统可提供更多企业等级的功能,而价格却更低。

另一个可能会改变的关键因素便是专利持有人对专项技术的控制权。FFF的关键专利在五年前便已到期,开源社区立即在低成本打印机中利用了FFF技术,促进了速度、质量、分辨率和易用性方面的发展。

CIO能促进3D打印技术的利用吗?

目前,3D打印的影响可能只局限于产品开发、生产和供应链。然而,若要利用3D打印的所有潜能,首席信息官(CIO)和信息技术部门之间的协作是必要的,因为:

•CIO可使公司管理层同事共同参与有关3D打印的潜在颠覆性的讨论,进而评估3D打印的潜在颠覆性并将3D打印技术与公司目标相联系。

•3D打印和相关配件(如扫描仪和相机)都是需要联网、进行保护和管理的新设备。

•3D打印可促进新产品的开发、生产,使收集到的相关数据在得到保护、分析以及融入于运营后为企业带来利益发展。

•某些事务性系统需要进行修改,以适应生产和供应链的变化。

•3D打印可增大知识产权盗取的难度,因为一些人会使用电子文件来完全复制产品。

3D打印会往信息丰富方向改革,而3D打印的改革要求企业经营的巨大改变。3D打印机会更广泛地在企业里使用。CIO需要全面考虑3D打印给不同部门带来的给予和挑战,并走在趋势的前端,这样的话,CIO就可以促进企业充分利用3D打印。

13. 为革命性的“智能机翼”,Optomec,2005年。

14. Cabe Atwell,“iRobert使人类跳出3D打印方程式思维”,《设计新闻》,2013年3月13日。

类似地,很多激光烧结专利都会在2014年到期。“我认为,利用激光烧结方法、RepRap和FFF方法的3D打印机会迎来快速创新,”皮亚斯说。不同团体,如Metalbot和OpenSLS,正在尽力发展公开源代码,以制作桌上型激光烧结打印机。如果桌上型激光烧结打印机的创新速度与FFF打印机一样快,那么,在未来几年,我们可能会迎来较低价的桌上型金属打印机。

如今,3D打印机和服务市场具有较严重的分化显象:低端打印机针对业余爱好者,只提供有限的功能。而高端打印机比较昂贵,有效市场受到限制。市场发展的关键就是继续发展具有中级价位但同时保证了高性能、多材质功能和成套系统打印功能的打印机。PwC认为,这方面的发展是促进颠覆性市场扩张的关键。

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