根据雅虎财经的数据,美国有两家高科技公司——3D Systems和Stratesys在2012年度股价出现大幅上扬,其中在纳斯达克上市的Stratesys涨幅达157.8%,在纽约证交所上市的3D Systems股价则增加了近2.5倍。而同期纳斯达克指数和纽约证交所综合指数的涨幅仅分别为10.7%、14.0%。这两家美国公司正是增材制造的鼻祖。
据美国能源部预计,增材制造方式将比现行使用机械工具裁减材料的裁减制造方式节省超过50%的能源,因此将取代裁减制造方式而深刻影响制造业的未来,成为新的经济增长点。
产业变革的“引领者”
今年1月18日,国务院将国家技术发明奖一等奖颁发给中航激光技术团队的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”,该技术即钛合金粉末的3D打印技术,其成功研发使得我国成为继美国之后、世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形技术的国家。实际上,3D打印给诸多产业发展带来的前所未有的机遇是该技术如此引人注意的重要原因之一。根据美国增材制造技术路线图(见右图),未来10~12年,增材制造技术将对航空航天、汽车、医疗和消费电子产品等核心产业的革新产生巨大推动,而其他行业,包括军事、牙科、珠宝、游戏化身、收藏品、建筑、家具、家居饰品和玩具等,也将受益于增材制造技术的发展。
航空航天:航空航天业希望获得重量轻、强度大、甚至可以导电的部件,正在研究符合要求的制造材料,以及制定材料及工艺标准,确保机器和构建零件的质量和一致性。据美国诺斯罗普·格鲁门公司预测,如果有合适的材料,该公司的军用飞机系统中将有1400个部件可以用增材制造技术来制造。各种3D打印的金属部件将在未来10年内成为飞行器的通用配置。
军事:许多军用产品是高价值、复杂和少量生产的。有些是定制的,需要持续更换零件,如无人驾驶飞行器(无人机)、军人的轻重量装备和盔甲、便携式电源设备、通讯设备、地面机器人等,这些部件将最有机会转化为3D打印制造方式。预计在未来10~12年内,军方将会成为3D打印技术的主要使用者之一。
汽车和摩托车:3D打印在交通工具零部件制造中的使用机会巨大,尤其适用于生产高端的专业级小型汽车零部件。目前,宾利和路虎等公司已经表明,采用3D打印技术生产小型复杂零部件是可行的。同样,包括汽车和摩托车在内的赛车行业将极大地受益于使用3D打印来设计头盔的方式。
电子产品:美国桑迪亚国家实验室和德克萨斯大学制造的3D电路已经被证明可以实现传统印刷电路板的类似功能。这种环绕在电子产品轮廓外围的3D电路结构,有助于设计产品的最佳造型,不需要再像传统印刷电路板那样为了适应产品的外观而在形状和大小上受限。3D电路未来的进一步发展将更有吸引力,所有的便携式电子设备将需要配备一个自给电源,因此全球便携式发电设备将是一个超过500亿美元的大市场,而发电设备使用碳氢燃料将比目前使用电化学反应的方式具有更高的储能效率。3D打印技术非常适合于制造这样的小尺寸发电设备,材料上也具有可行性,因为发电设备的某些部分应采用低导电性材料(如塑料),而其他部分需要高导电性或催化性能材料(如金属)。
生物医疗:目前,3D打印已成功应用于定制植入物、假体和组织支架。细胞和蛋白质的生物增材制造(BAM)技术也在研究之中,这个市场需要2~3年的准备期。采用3D细胞结集作为3D细胞培养物、疾病和药物研究的体外模型技术也得到了广泛的研究,BAM制造3D细胞模型的市场将在5年内启动,以满足日益增长的3D细胞培养和3D生物研究。随着现代生物学和BAM技术的进步,功能性组织可以在未来10年内采用BAM技术制造,15年内可能会出现器官打印。预计在10年之内,美国的每一个细胞培养室将会把计算机控制的3D细胞增材制造系统作为标准化配置,生物学家将使用此系统进行日常的3D细胞结集,用于3D细胞培养物、疾病和药物研究的体外模型或再生组织替代品。
珠宝:珠宝商将使用3D打印制造限量版产品,目前已经可以用钛合金材料打印吊坠。以激光烧结黄金合金材料打印制作项链的技术也是可行的,而制作这种链子传统上需要复杂而昂贵的机械。
游戏化身:近来,新的3D打印业务出现在“魔兽”、“孢子”和“摇滚乐队”等风靡世界的电脑游戏中,成千上万的定制产品已经被生产,这将是个快速增长的消费市场。相信在未来,视频游戏可以推动3D打印发展,与过去几年其推动计算机硬件的发展历程类似。
收藏品:自由成型的特性使得3D打印适用于广泛的消费类产品。3D打印技术制造的艺术品、塑料和金属雕塑、家具、家居饰品以其独特品质,证明了这类产品的市场潜力。一些机构已经使用3D打印技术定制纪念礼品、奖章和奖杯作为特别礼物赠送给客户、员工等供欣赏和纪念。
玩具:不久的将来会出现价格区间在100~150美元的消费类3D打印机,这类3D打印机非常适合用于游戏、教育和娱乐。而且很多网站都是开源的,这些网站提供几乎无限量的动物、人物、汽车等三维模型,孩子们将下载这些3D模型,并根据自己的意愿进行设计和修改,最后通过3D打印机生产专属作品。
食品:特殊食品被认为是具有130亿美元潜力的巨大产业。美国康奈尔大学和法国烹饪学院已成功研制将巧克力、奶酪、豆沙和扇贝等食材打印成3D人物、公司徽标、名称和其他对象的技术。
教育:在教育领域,可以通过成形模型验证科学假设,用于不同学科的实验和教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校,3D打印机已经被用于教学和科研。预计在未来10~12年内,学校将普遍开设使用3D打印技术设计制造零件的课程。