西北工业大学黄卫东:3D打印世界格局与中国的机会

2019-10-25 20:33:35 测试12 收藏

2019年9月19-21日,IAME中国(西安)国际3D打印博览会暨高峰论坛将在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造(3D打印)科技创新的开放合作共享交流平台,汇聚全球顶尖的增材制造(3D打印)领域成果及人才,促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体,到西安现场全程报道。


西北工业大学教授黄卫东做了主题为《3D打印的世界格局与中国的机会》的报告。

下面南极熊根据现场速记整理的内容:

关于3D打印的世界格局和中国的机会

3D打印世界格局总体上美国具有压倒的优势,但是中国也已经进入世界先进行列,具备了追赶美国的初步条件。这个判断我分三个指标来讲述,从创新能力、装备品牌和产业应用做整体的比较。

在创新能力方面,美国遥遥领先,中国急起直追;装备品牌方面,美国德国平分天下,中国初露头角;产业应用美国遥遥领先,中国已经进入世界第二。

3D打印创新能力指标

第一个是提出一种重要的3D打印大类技术,也就是主流3D打印技术的原创专利,主流的技术第一个专利是谁的,谁发明的。这种主流技术都是二三十年前已经发明的,现在要想再创造一种新的机会已经非常小了。就像冷加工车铣刨磨钳这种大类技术,你现在还要发明一个跟车铣刨磨钳并列的技术已经没有机会,对于3D打印不是完全没有机会,毕竟是新的技术。经过30年的发展,估计这个技术很难创新,后面重大进展在主流3D打印基础上提出极端重大技术进步,可以有重大技术新发展和新发明。

主流3D打印技术有七大类,这是ISO和STM的国际标准,有六个美国专利,其中DED直接能量沉积,这个技术我没有找到第一个专利,1979年美国UTRC有一篇文章,始终没有找到他们的专利。另外Polyjet是以色列人在美国申请的专利,这六大类技术可以认为六个美国原创,一个以色列原创,但是全部可以归结为美国的专利和文章,所以从这个角度来讲,美国的创新能力是别人没有办法比较的,就好像冷加工车铣刨磨钳全是一个国家发明的。

在这些技术基础上诞生的非常重大的3D打印技术都有哪些,都是谁发明的?

①SLS基础上发展的SLM技术,这是当前应用最普遍的金属3D打印技术,这是1996年德国的IRT协会发展的。金属3D打印SLM不亚于SLS技术,是今天3D打印主流,绝大多数金属3D打印的技术是SLM技术,这个发明是德国人的。

②面曝光技术。光固化3D打印是3D打印标志新技术,1988年美国推出第一台光刻3D打印机。但是很多年来光固化技术,用点扫描。2015年Science发了一个文章,美国的一个公司把面曝光的光固化技术突破,但是面曝光原理早就有,技术上的突破作为商业化的装备是美国这个公司的贡献。

③MJF技术。惠普2016年推出MJF技术,使塑料3D打印效率大幅度提高,机器的价格比同一个档次的SLS、SLM便宜一半,在塑料3D印领域有非常强的竞争力;而且惠普、GE这两个作为世界五百强的公司进入到3D打印领域,大大改变了3D打印的格局。原来都是一些创业公司,创业公司的实力总是有限,世界五百强进来就不得了,一个是技术非常好,另外惠普自己原来做打印机,墨盒怎么放,2D打印机就做的非常好,再加上它的销售网络非常强,16年推出这个机器,17年在全世界卖,一年买354台,超过了原来SLS、SLM工业级的机器。了不起!惠普的目标绝不是今天3D打印市场实际100亿美元的目标,惠普的目标是12万亿美元的制造业大市场。现在惠普对于3D打印非常重视,很多别的部门关掉,加到3D打印部门的发展。

④二极管激光器的阵列烧粉SLS技术。2018年法兰克福展会上,德国EOS公司推出二极管激光器的阵列烧粉技术,用近百万二极管激光器,我认为效率至少提升10倍以上到几十倍。这个技术和惠普的技术在效率上可以媲美,但是比惠普技术有一个优点,材料适应性上可以集成SLS所有材料,惠普材料适应面不够宽。惠普用很大的力气开发材料,包括和世界几个最强的化工材料公司建一个材料开发平台,努力在材料上发展,但是技术本身受到限制;因为它用铸熔器的办法,我想材料适应不会特别宽。EOS这个技术也是将来非常强大的一个技术,这是德国的。

⑤Desktop l粘结烧结金属3D打印技术。这个美国公司七个创始人里面四个MIT的大牌教授,现在用粉末床铺金属黏结剂粘,粘了以后再烧结,实际上做粉末冶金的胚胎,然后粉末冶金烧,这样做金属零件的效率非常高,比我们现在SLM效率高几百倍,金属3D打印主流用SLM技术,这个技术非常好,解决了很多的问题,但是它的不足是太贵了,因为激光一个点一个点扫,效率很难提高。金属3D打印市场要大幅度打开,主要靠在保持精度性能的情况下提高效率。一下提升几百倍,他们目标直接打印汽车零件。这不得了!如果汽车零件用3D打印来打,汽车市场就大了,不能讲一百亿美元市场。汽车如果可以用,工业各个领域的金属零件都可以来做,这是非常有前途的。

惠普也有类似的技术。Desktop l累计融资4.38亿美元。粘结烧结金属3D打印技术,要真正形成大规模应用,需要解决烧结变形,难度非常大。原则上可以解决。
创新能力美国占最佳的优势,德国也不错,德国也有两个公司有很好的进步。中国也可圈可点,2017年中国3D打印的专利超过全球一半,说明中国3D打印领域非常活跃,这些专利目前还没有看到转化。非常重大的产业应用技术,从专利到应用要相当长的时间。期待中国这么多人,这么大的热情在创新,总会出来好的东西,创新能力方面美国遥遥领先,中国急起直追,我们应该抱有信心。


装备品牌

第二个方面,我们比较装备品牌,这个方面美国和德国平分天下,中国开始初露头角。美国3D SYSTEMS公司,光固化做得最好。美国STRATASYS公司,在工业级FDM和Polyjet两个技术领先世界。对于FDM技术,中低端桌面3D打印机中国最厉害,但对世界真正有重大影响还是要工业级的。

惠普是一个后起之秀。未来,我们创业公司很难和世界五百强匹。还有美国的GE增材,现在成为金属3D打印的巨无霸。它不是自己发明创造,而是买,2014年买两个3D打印顶级的公司,德国Concept Laser和瑞典Arcam,再加上自己庞大的市场需求,成为老大了。

德国EOS。EOS在SLM和SLS方面是世界第一品牌,别人没有办法比。它在SLS做成面曝光,那个技术我非常看好,未来非常有前途,有可能进军到注塑领域。2016年塑料产业3.5万亿人民币,大部分是注塑,如果3D打印能够在注塑抢一点市场也不得了,方向就是非常高效率塑料的打印,看好惠普技术和EOS面曝光技术。

砂型3D打印。德国VoxelJet,ExOne做得最好。
铂力特。之前伦敦召开的世界首届3D打印大会上,铂力特公司评为最佳OM。国外这些奖都是人家评,我们没有参加这个会,从会议网站上看到我们获奖了,说明世界上承认铂力特是一个世界品牌了,我们很高兴。铂力特累计生产销售200多套金属3D打印装备,包括有两台设备获得红点奖,这是工业设计顶级奖,设备获得空客的认证,出口到德国和法国。

3D打印产业应用概况

根据Wohlers Associates统计,1988—2018年全球增材制造产业的年复合增长率26.9%,其中2012—2014年CAGR年复合增长率高达33.8%,重要的原因是因为美国国家增材制造创新中心的成立,在全世界掀起了一股热潮。超速发展,由美国人把它推动起来。但是2015—2017年增速又回落到平均值以下。开始大家期望高,但是技术的发展没有那么快,像股市一样,期望太高涨上去,总有一点回调。2018年增速有回升,因为有几个非常重要的技术,会对市场的发展有重大的推动,数据变化后面一定有原因。

中国的情况。根据中国增材制造产业联盟的统计,在2015—2017年的三年间我国增材制造产业年军增速超过30%,2017年中国增材制造规模达到100亿元,增速放缓至25%,但高于全球4个百分点,我们国家增速比世界平均水平更快。2018年中国增材制造联盟对重点联系的40家企业进行了统计,没有做总的统计,40家企业同比增长少一些,大概23.8%。因为不是所有的统计,所以我们从这里很难去做跟前面那样的分析;我们既然没有那样快,在最近一些重大的技术创新方面,没有中国人的份,可能这是其中的主要原因,中国平均速度比别人快,主要是中国市场大。

Wohlers Associates报告有一个指标很好,它统计各国安装工业3D打印的累计分布,每年从1988累计到今年,各个国家安装多少工业级3D打印机,这个数据很能说明问题。两个指标,一个是从1988年到2012年,另外一个是到2017年的。2012年美国占比38%%。日本第二9.7,德国第三9.4,中国第四8.4,这是三个第二梯队,三个第二梯队加起来不到30%,还少于美国。所以产业方面美国遥遥领先。到2017年发生一些变化,美国日本德国略微有点减少,中国上到第二位,这三家加起来仍然是不到30%,还是比美国少的多,所以产业应用方面美国还是遥遥领先,但是中国已经在急起直追,我们发展速度更快一些。这首先是中国庞大的市场,如果创新能力上去,我们速度可以更快一些,不能光靠我们的市场大,更重要的是怎么提升我们的创新能力。

在应用领域里,最近几年增速最快的是航空航天,从2013年10.2%,15年16.6,17年18.9%不等,航空航天应用很主要。3D打印年复合增长率大概在30%左右,但是这几年金属3D打印增长率超过80%,主要是航天领域的推动。

讲几个非常重要的例子。在金属3D打印里面,美国GE航空发动机的燃油喷嘴,在2018年10月4号GE公司庆祝打了3万个燃油喷嘴.它是用在飞机发动机上,是最先进的民用航空发动机。我们C919飞机现在装的就是这个发动机,这个发动机要有非常好的性能,在燃油喷嘴做了特殊设计,这个特殊设计用传统技术怎么都做不出来,GE考虑用3D打印,找莫尔斯公司,他们做的很好,后来干脆把莫尔斯公司买下,然后成立工厂批量生产。这个发动机的定单上到两万台,每一台19个,它至少有30几万个零件的打印,这是3D打印在工业批量生产最典型的例子。

CJ-1000发动机为C919准备,要很久以后才装上C919飞机,我们也用了这个燃油喷嘴,这个燃油喷嘴我们已经打了300个。和GE的3万个相比我们才1%。但是小小的一步很重要,我们终于跨出这一步。燃油喷嘴设计的很好,它只有3D打印能做出来,3D打印最重要的是促进创新设计。

创新设计方面最典型的例子是空客。空客好几年前公布的,有个零件常规的技术做是890克,用了3D打印之后可以用拓扑技术做均匀的应力,这个只能3D打印来做,只有原来40%的重量。

除了拓扑优化设计还有整体设计,这个卫星天线设计,原来一百个零件变成1个,重量减轻95%,这是非常极端的例子。最近铂力特公司给中国一个卫星结构,不仅仅是一个天线,整个卫星结构用3D打印,效果非常好,已经发射上去。我们给导弹发动机改了内流道,这个传统技术没有办法做,只有用3D打印做,这一个改变使导弹推力提升1倍,过去推力提升1倍要很多技术进步,今天3D打印一个零件改变就进步非常之大。

在流体力学性能方面,不仅仅是减重,功能还有提升。8年铂力特打印超过3万件金属零件,广泛用在航空航天、机械医疗、模具等等方面。我们实现了非常优异的力学性能,我们成名作,2012年为CA919打造的圆条,这个圆条性能非常优越,上飞公司给的结论是优于锻件。这是世界上第一次明确一个3D打印航空航天零件优于锻件。国内开始很多人不相信优于锻件,后来空客找我们,空客也是同样的结论优于锻件。我们这个工作引来了空客的合作。2014年空客到西工大来建立合作,在去年的珠海航展上,由空客和西工大成立联合实验室。这方面我们引领世界民航大型结构用3D打印。铂力特公司现在进入世界一流的增材制造国际合作圈,我们合作伙伴除了空客,还有法国赛峰,玛瑞斯等等,我们是亚洲唯一为空客飞机提供零件的。

刚才主要讲航空航天的应用,其实还有医疗。我接触到中国医生对3D打印的热情超乎我的想象,在西安有好几个医院,除了唐都,西京,交大二附院都有应用。2015年我刚产生这样的技术构思,高博的导师带着他们几个博士生交流,我们一拍即合在医疗上合作,后来高博毕业到我这做的博士后,他现在成为中国3D打印医疗领域著名的教授。从95年就开始,我们西安医疗界对于3D打印的介入有相当长的时间。3D打印正在创造全新的先进技术途径,原来没有办法的现在用3D打印可以治。(南极熊补充:医疗3D打印的应用,中国很多传统的医疗器械公司已经涉足,已成大势。)

在模具领域里面3D打印可以做随形冷却模具,带来模具领域革命性的进步,模具效率又高质量也高,这是3D打印对于模具领域带来革命性的进步。

砂型3D打印,宁夏共享集团建立了智能铸造工厂,很多年来努力推进铸造领域智能化的转型。但是最困难是砂型铸造,你怎么把造型过程智能化,他发现了3D打印。现在他们14台3D打印机构成一条生产线,年产15000吨的砂型。他们浇铸,自己的铸件用自己打印的砂型浇铸,过去非常脏的铸造车间现在地面上一点砂没有,环境非常好。总理2016年就去了,看了以后感到很激动,说没有想到在铸造这样的金属工业都能实现智能化。


从整个情况看,我们中国在3D打印领域有巨大的机会。
首先是巨大的产业需求,我们制造业规模全球最大。
第二是我们产业普遍面临转型升级,有转型升级的需求,创新驱动的发展,我们特别需要3D打印的技术。这些是西方没有的。他们的产业早就转型升级已经完成,他们也要创新驱动,但是人家创新能力早就很强,所以在中国我们的需求更为迫切,量也特别大,这也就是中国3D打印产业应用发展比世界平均水平快的我想主要的原因。

第二个方面我们现在有聚集全球优秀人才的绝佳机会。中美贸易战看起来对中国短期造成一定的影响,甚至可能有好多是很重要的影响,但是在人才方面给我们提供了绝佳的机会,美国把我们的人拦住进不去了,就都回来,所以我觉得这个方面是很好的事情。原来我们请这些人才回来还不一定请的动,现在在美国呆不住了跑回来。欧洲现在经济低迷,我很多学生毕业想到欧洲去,就发现很难,没有位置了,这时候他们也都回来了。这是聚集全球优秀人才绝佳的机会。

第三是3D打印技术进入国家战略的核心,中国制造2025系列部署里面3D打印都是放在很重要的位置,包括增材制造国家创新中心,这是中国制造2025第一个平台工程,中国增材制造创新中心2016年首批建立,说明我们国家对于3D打印战略上非常重视,所以我想是在3D打印方面中国具有巨大的机会.


会后,南极熊还专访了黄卫东教授 《西工大黄卫东:做好科研产业化的6大要素,金属3D打印龙头铂力特成功上市科创板》

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