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一张图看懂国际3D打印产业链

摘要: 3D打印技术自上世纪80年代诞生以来,在很长一段发展时期内都被认为是一种快速原型技术,但是在过去的五到十年里,3D打印技术的应用领域已经超越了用于原型的制造而是逐步向中小批量生产制造方向演化,成为一种增材制 ...

3D打印技术自上世纪80年代诞生以来,在很长一段发展时期内都被认为是一种快速原型技术,但是在过去的五到十年里,3D打印技术的应用领域已经超越了用于原型的制造而是逐步向中小批量生产制造方向演化,成为一种增材制造技术。

EOS公司曾经对2019年的3D打印行业发展进行了展望,增材制造将为经济和生产力发展带来新机遇。随着信息技术的进一步提升,特别是5G网络商用以后,一个万物互联的时代将会到来,促使制造业向去中心化和区域化的方向发展。

制造业数字化与增材制造的结合将推动分布式制造的发展。对于企业而言,这是一个利用增材制造实现增长和业务转型的好时机。采用增材制造这种数字化智能技术打印零部件的企业能够通过零部件重新设计和集成来降低生产成本、简化流程、缩短产品生产周期。这也使得在国内制造比从国外进口更具实用性。

简而言之,3D打印赋能产品性能提升,将重塑万亿制造业市场的竞争格局。3D打印正在以附加值创造的方式与传统制造业深度结合,如果你是制造业中的一员,你不能选择忽略这种技术,因为这种技术不是噱头,增材制造不仅仅是一种制造工艺,最核心的是这种工艺的影响力,这种工艺创造的是产品的整个生命周期效益的提升,并重塑企业的竞争力。

毋庸置疑的是,3D打印本身就是一个大的生态圈体系,3D打印推动分布式制造的发展是设备硬件、设计软件、打印材料、后处理、质量控制技术共同发展的结果。由这些企业所构成的3D打印上下游生态系统,将在未来几年持续发生变化,随着新的公司持续进入3D打印领域,3D打印企业不断推出新的技术、建立新的合作伙伴关系,未来我们将会更加清晰的看到3D打印进一步向生产制造方向演化的趋势。

图:国际增材制造/3D打印全景图,包含143家将增材制造业推向工业化国际3D打印企业,分为以下几类:

. 硬件制造商(塑料3D打印机,专业级桌面机,金属3D打印机,陶瓷3D打印机及电子3D打印机)

. 软件供应商(设计和CAD,仿真软件、工作流程软件和安全类软件)

. 材料供应商(塑料与复合材料、金属)

. 质量控制与检测(过程中质量控制软件、质量检测)

. 图表中未包含普通消费者使用的桌面3D打印机和软件,未包含3D打印服务企业。

3D打印产业链

概述

图:3D打印各类企业所占比例

势头强劲的金属打印

从3D打印各类企业所占比例中可以看到,在这143家3D打印企业中,就公司数量而言,金属3D打印设备制造企业是产业链中最大的群体-占比(30.7%),包括43家,这些企业所提供的金属3D打印技术包括粉末床选区金属熔化3D打印技术,以及粘结剂喷射等间接金属3D打印技术。

图:国际上主要金属3D打印设备品牌

图:国际上主要的金属3D打印设备品牌矩阵(横坐标为技术类别)

到目前为止,就公司数量而言,最大的部分是金属3D打印机类别,其中包括43家制造商。这些公司提供一系列金属3D打印技术,从传统的基于粉末床的技术到新的专有技术。

3D打印界的独角兽

根据3D科学谷的市场观察,目前有三家3D打印公司达到了独角兽的地位(估值超过10亿美元),包括:Formlabs, Carbon 和Desktop Metal。他们均为美国企业,提供包括3D打印设备、材料、设计解决方案在内的3D打印技术。

图:3D打印企业Carbon, Desktop Metal的融资版图

非3D打印企业向增材制造的跨界

在传统制造领域经营多年的老牌企业,对3D打印有着极大的兴趣,通过收购具有核心技术的3D打印企业来增强自身增材制造竞争力,是这些企业中常见的战略。例如,仿真企业ANSYS收购3DSIM(2017),和材料公司Granta Design(2019),GE收购粉末床激光熔化设备制造商Concept Laser和电子束熔融设备制造商Arcam。Xerox(施乐)收购发液态金属3D打印机的初创公司Vader Systems。

3D打印

硬件

随着希望将增材制造技术集成到生产中的制造企业的数量不断增加,3D打印硬件制造商正在持续研发更快、更准确地工业级3D打印设备来满足这种需求。

稳步发展的塑料3D打印设备

立体光固化(SLA)、选区激光烧结(SLS)、熔融沉积成形(FDM)等塑料3D打印技术,在很长一段时期内都是作为一种快速原型技术。但是塑料3D打印技术从打印设备与打印材料两方面都在向工业级应用方向发展,在市场上提供生产高质量工业级塑料部件的3D打印设备公司数量在不断的增加,国际上的化工巨头们也陆续推出适合3D打印的工程塑料材料。塑料3D打印技术已逐渐成为一种最终产品制造的生产级技术。

图:国际上主要塑料3D打印设备品牌

在图中可以看到, “老牌” 3D打印设备企业与后起之秀们都在紧盯工业级的塑料3D打印市场。

图:Carbon与阿迪达斯3D打印的运动鞋中底

独角兽公司Carbon 作为塑料3D打印的后来者,在开发生产级应用时却走在了前沿,Carbon 与阿迪达斯合作,通过其数字光合成(DLS)3D打印技术开发的3D打印运动鞋中底,已迈入了年产10万双的量产阶段。

惠普(HP)以喷墨打印技术领跑者的身份进入到增材制造领域,推出了多射流熔融(MJF)3D打印设备,使尼龙的3D打印在速度、精度上都上了一个台阶,这使得MJF 技术成为了SLS 3D打印技术的直接竞争者。

老牌工业级塑料3D打印设备制造商在聚合物3D打印工艺上的革新也并没有丝毫的放松。

图:EOS 欧洲(CentralEurope)高级副总裁 Nikolai Zaepernick 先生手中的零件是由LaserProFusion 技术制造的,构建时间为9秒。

比如说德国EOS 在2018年formnext展会期间就宣布了其LaserProFusion技术,(据悉,具体商业化时间在2020/21年),该技术的特点之一是生产效率高。借助LaserProFusion技术,EOS展示了旨在实现最高生产率的创新。EOS不断优化粉末材料与激光之间的相互作用,这项新技术使用多达一百万个二极管,而不是使用单个CO2激光器对整个构建区域进行激光烧结,新技术都可显著缩短曝光时间。

图:voxeljet-维捷HSS 高速烧结3D打印技术制造的塑料件


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还有另一家以粘结剂喷射技术(binder jetting)而被业界所熟知的德国工业级3D打印设备制造商voxeljet-维捷,推出了HSS-高速烧结设备VX200,这一设备目前可用于尼龙12或TPU材料的高速制造。据称,HSS高速烧结速度100倍于SLS激光烧结,在HSS加工过程中,喷墨打印头将黑色的红外辐射吸收油墨沉积在热塑性粉末床上,然后红外灯加热粉末,导致塑料粉末颗粒熔化,从而固化每一层的形状,这比激光烧结速度快很多。

图:Evolve 高速塑料打印技术

老牌塑料3D打印设备制造商Stratasys在其实验室孵化的企业 Evolve Additive以其专有选择性热塑性电子照相过程(STEP)的技术与中等批量的注塑生产展开竞争。该技术的速度比目前最快的3D打印技术快50倍。

不论是推陈出新的老牌企业,还是后来者居上的新兴企业,最终哪家企业、哪种3D打印技术将在塑料零件批量生产领域成为主流技术,这一切还是未知的,根据3D科学谷的市场观察,有一点是清楚的,那就是随着打印速度的提高、成本的下降,工业级塑料3D打印技术终将分得传统注塑生产的一块“蛋糕”,在塑料产品小批量生产或者复杂产品批量生产方面占有一席之地。

面向专业用户的桌面3D打印机

在早期的发展中,桌面3D打印机所面向的客户群体为普通个人爱好者,曾经一些3D打印企业或从业者认为每个家庭很快就会拥有3D打印机。然而,事实证明并非如此,近年来,桌面级3D打印机制造商已将注意力转向专业用户或企业用户。

图: 2018 全球个人及专业级3D打印机出货量,来源Context, 3D科学谷。

这类3D打印制造商填补了市场的空白,即:满足需要小型的3D打印设备,但性能不低于工业级系统,成本低于同类型工业级3D打印设备的专业用户或企业的需求。比如说Formlabs提供的立体光固化(SLA)3D打印设备Form 2 起始价格为3350美元,而同类型的大型SLA 设备售价通常要高一个量级。市场调研机构Context 将这一类设备归类为专业级设备,售价在2500美元-20000美元之间。

金属3D打印的增长

在过去几年中,金属3D打印设备的销售量实现了显著的增长,Wohlers 2018年报告显示,2017年金属3D打印系统的销售额增长80%。

驱动增长的力量主要来自于两个方面,一方面是像EOS,3D Systems和GE Additive 旗下Concept Laser 和Arcam这样的老牌品牌,而另一股驱动力量来自于金属3D打印的新的参与者,包括Desktop Metal、Digital Alloys等初创公司。

Desktop Metal、DigitalAlloys 都开发了与以往常见的粉末床熔融所不同的金属3D打印技术。Desktop Metal,这是第一家在2015年达到独角兽地位的3D打印公司。该公司有两类间接金属3D打印设备,包括Studio System(桌面)和生产系统(针对大规模制造)。DigitalAlloys在2018年获得了1290万美元的B轮融资,该公司开发了Joule Printing技术,该技术使用金属线代替金属粉末作为原材料。该公司表示,其技术将有助于解决速度,质量和成本问题。

3D打印

软件

在过去几年中,随着3D打印技术走向工业生产,除了设计软件和仿真软件之外,与3D打印相关的软件中出现了两个关键的新类别:工作流程和安全软件。

国际上,根据3D科学谷的市场观察,当前Carbon的3D制造解决方案就通过计算提供了数字化生产的效率。而世界上一些最具安全意识的大型财富100强企业能够轻松连接到Carbon的设备来实现数字化生产,这其中包括几家汽车制造商、航空航天公司和名牌消费者公司。完整的数字工作流程,持续改进以及对最新软件工具的访问,凭借强大的网络架构,Carbon可以提供连接的好处,同时使其客户能够控制其零件的设计文件。

图:国际上主要3D打印设计软件、仿真软件

设计和仿真软件对于增材制造至关重要。由于增材制造技术提供了创建传统制造方法无法实现的复杂几何形状的可能性,这也为拓扑优化、创成式设计等先进设计优化工具提供了应用土壤。

设计和CAD软件、仿真软件仍由市场上主流CAD软件公司主导,Autodesk(Netfabb,Fusion 360,DassaultSystèmes(SOLIDWORKS)看重3D打印的潜力,已经将3D打印解决方案集成到他们的产品中。

这个领域也是一个收购兼并频繁的领域,比如说2017年,ANSYS收购了金属仿真软件3DSIM。PTC在2018年以7000万美元的价格收购了创成式设计软件公司Frustum。此次收购使PTC在其Creo 5.0 CAD软件产品组合中增加了AI和创成式设计功能。

这些收购反映出大型软件公司希望整合增材制造功能,并为工程师和设计师提供更专业的技术。

图:国际上主要3D打印工作流程与安全类软件

工作流程软件

工作流程软件对增材制造工艺来说同样重要。制造企业在将增材制造技术纳入生产的过程中,对工作流程软件的需求将不断增加,这类软件可以管理增材制造过程中所涉及的生产步骤。工作流软件的前景在过去五年中不断发展,现在许多软件供应商都提供了管理增材制造工作流的解决方案。

安全类软件

作为一种数字制造技术,3D打印引发了有关IP(知识产权)保护和数据安全的关键问题。

目前,三家公司正在领导3D打印数据安全的软件解决方案。LEO Lane提供安全和IP加密解决方案,GROW提供“安全分布式制造”,以实现安全的增材制造工作流程,保护设计文件的知识产权。

虽然保护数据安全类的软件目前仍是一个非常小的细分领域,但随着3D打印技术在生产中应用的增加,随之而来的是对数据安全解决方案需求的增加。

3D打印

材料

成熟的化工企业或金属材料制造商在3D打印材料市场中占有很大比重,这些成熟的材料企业将3D打印材料作为其产品组合的一部分。

图:国际上主要3D打印材料品牌

塑料和复合材料

高性能的工程塑料材料有助于将塑料3D打印技术推向工业级的应用,与3D打印设备的发展相结合,PEEK 和ULTEM这样的材料,也可以通过3D打印技术来制造了。化工巨头巴斯夫还推出了含塑料成分(含大约20%的塑料成分)的金属丝材,这类线材可以通过基于材料挤出的3D打印设备(如FFF 设备)制造金属零部件,然后再通过烧结、脱脂得到最终的金属零部件,而以往这类技术仅用于制造塑料和复合材料零部件。可见,新材料将使老技术走向新的应用领域。

金属粉末材料

金属粉末和合金粉末的增长与金属3D打印市场的整体增长轨迹密切相关。其中增长显著的一种金属材料是钛金属,其增长受航空航天和医疗需求的推动。根据SmarTech的报告,2018年钛粉的出货量增长了32%,该报告预测2019年钛合金收入将增长24%。

材料企业间的收购

与软件类似,材料市场也以发生了多起收购。例如,2018年7月,巴斯夫新业务有限公司(BNB)收购了德国公司Advanc3D,将公司整合到其3D打印部门。同样,Carpenter收购了金属材料的领先供应商LPW。

3D打印零件

后处理

图:国际上主要3D打印后处理品牌

无论是金属3D打印零件还是塑料3D打印零件,都不可避免的需要进行后处理,例如去除支撑、清洁、表面处理等。而后处理通常是劳动密集型的,这影响到了增材制造的整体效率。

图:采用EOS SLS 3D打印技术制造、DyeMansion Print-to-Product 工作流程进行后处理的眼睛框。

3D打印后处理工艺走向自动化也是大势所趋。在这个领域,PostPro3D提供“自动化表面处理技术”,据称可以使打印3D打印零件的表面质量与注塑成型件相媲美。德国DyeManison针对塑料粉末3D打印零件提供粉末清洁、表面处理和染色解决方案。上图中的3D打印眼镜框,是由通过DyeMansionPrint-to-Product 工作流程进行后处理的,由此可以得到各种满足佩戴者所需的颜色,并使镜框表面变得更加光滑、耐磨。

提供3D打印零件后处理解决方案的企业进入到了业务扩张阶段。根据3D科学谷的市场观察,PostProcess Technologies公司最近宣布了扩展到欧洲的计划,并宣布和传统制造加工设备制造商RöslerOberflächentechnikGmbH建立合作伙伴关系。德国DyeMansion也在寻求业务扩张,他们在2018年的A轮融资中获得了500万美元的投资。

检测

与过程监测

工业成像可以通过不破坏产品的方式,细微地展现产品内部是否有裂纹、夹渣等缺陷。它不仅可以在生产阶段检测出不合格的产品,还可以在产品的设计研发阶段分析判断并预测隐患的发生、识别设计缺陷,以确保最终产品的高可靠性。所以从根本上工业CT解决方案为这些高端制造的蓝筹企业提供了类似保险一样的高质量产品保障。

图:国际上提供3D打印质量控制技术的部分品牌

在科技部增材制造重点专项2017年度项目申报指南中,将开发金属增材制造缺陷和变形的射线检测技术与装备作为重大共性关键技术。的确,根据3D科学谷的市场观察,除了数字双胞胎,设计仿真技术与工艺仿真技术,检测与过程控制已经成为3D打印发展的命脉。

根据BHGE,当要将3D打印的非常复杂的单个零部件加工扩展到规模化生产的时候,是否能够保障产品的高质量又成为焦点。这时候工业成像技术所带来的核心价值再次显现。尤其是3D打印所生产的产品更加复杂,精度更高,设计更紧凑,无论在生产还是设计阶段都希望是完美无瑕疵,这决定了X射线CT技术与3D打印技术密不可分。

而在加工工艺过程控制方面,Sigma Labs公司的PrintRite3D®4.0生产套件,包括PrintRite3D®SENSORPAK®4.0硬件以及PrintRite3D®INSPECT®4.0软件。硬件方面所有传感器都与激光光学系统同轴,消除了对构造室内气流中断或空间限制的任何担忧。通过一台服务器可以运行多台机器。并且升级了数据采集和数据处理硬件,从而提供更快的数据处理。软件方面可有效提升熔池光谱数据评估能力, Sigma Labs开发了基于物理的方法,用于表征和分析光谱数据,优化光学硬件和传感器,以监测感兴趣的光谱区域并验证感兴趣的热特征。

小结

3D打印的技术与上下游生态圈的发展,目前达到了一定的成熟阶段,虽然离大规模生产所要求的质量高度一致性和稳定性还有很多差距,然而正如西门子所提到了,如果你能通过3D打印来制造叶片这么复杂的产品,那你几乎可以打印任何产品。

3D打印助力西门子三款燃气轮机实现超过63%的联合循环效率。3D打印用于制造燃烧系统零部件,零部件是经过设计优化的,3D打印实现了更复杂的产品几何形状,使燃气轮机中的燃料和空气预混合得到改进,从而实现最大的发电效率。要知道从2000年到2010年期间,西门子花了十年时间才将联合循环电厂的发电效率从58%提升到60%,在借助3D打印技术,西门子在2016年进一步提升到61.5%则花了6年时间,而现在西门子正在突破63%或是更高的效率水平。


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本文作者
2019-3-19 10:58
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