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用三个传统行业告诉你3D打印技术的积极作用
来源:裕阳 2019-11-29 03:08:49 阅读(1258)
摘要:以三个传统行业为例,从专利视角说明3D打印技术对于传统产业转型升级的推动作用。

3D打印技术,即增材制造技术,可以通过不断叠加和粘合材料层,从无到有地构建出一个完整的功能部件。


3D打印带来的这一转变对制造流程和产品形态所产生的影响是巨大的,借助3D打印技术,制造产品不再需要设计或制造昂贵的模具,设计者的创意可以直接通过3D打印机成为现实,极大降低了成本和时间。3D打印技术不仅提高了效率,其一体成形的特点可以用于优化复杂零部件的结构,从而达到减轻重量、增加使用寿命、提升性能等效果。


由于3D打印技术对于产业界的革命性影响,各国均重视和鼓励3D打印这一新兴产业的发展。近年来全球3D打印产业产值以两位数的速度不断增长,2018年达到了97.95亿美元。


我国的3D打印产业近5年来始终保持25%以上的增速,2018年我国的3D打印产业达到约319亿元的规模。由于相对传统加工技术,如数控机床加工或注塑成型加工具有突出的优势,《经济学人》杂志将3D打印技术比作第四次工业革命。


整体现状


1986年美国得克萨斯大学率先提出了选择性激光烧结专利技术(公开号:US4863538A),1989年美国3D系统公司的联合创始人Charles W. Hull提出了立体光刻专利技术(公开号:US4929402A),同年美国斯特拉特西斯公司率先提出了选择性熔融沉积技术(公开号:US5121329A),1994年麻省理工学院提出了三维印刷专利技术(公开号:US5340656A),以这些原始专利技术为起点,各类3D打印技术不断深入发展。


美国是3D打印技术的起源地, 2010年前美国的3D打印专利申请量占据全球的近90%,绝大多数的重要专利申请人来自美国,比如惠普公司申请量达901件,通用电气478件,斯特拉特西斯公司345件、3D系统公司327件。近年来国内3D打印产业快速发展,3D打印技术专利申请量大幅增长,其中西安交通大学专利申请量达到347件,华南理工大学310件,华中科技大学236件,珠海天威飞马209件。


由于3D打印技术存在着制造效率较低、可打印材料种类不多等现实问题,目前的3D打印技术还不能完全取代传统制造加工技术,市场对于3D打印进入了冷静观察期。然而,3D打印虽不能颠覆传统制造业,但可以助推传统制造业的转型升级,使传统行业焕发新的生机。下面以三个传统行业为例,从专利视角说明3D打印技术对于传统产业转型升级的推动作用。


轮胎产业

轮胎花纹的结构往往呈现出空间三维扭曲、多弧度、多角度的特点,轮胎花纹由模具压制而成,模具的精密程度直接影响到轮胎的精度和质量,更对驾驶安全和舒适性产生重要影响。采用传统的铣削、冲压等手段对机床、刀具的要求很高,而且步骤繁琐,容易影响轮胎的质量。


米其林在3D打印轮胎上取得了一定的突破,其在中国的相关专利申请达到了31件,其中大多数是选择性激光烧结制备轮胎模具,如专利(公告号:CN103534050B)描述了制造轮胎模具的方法,模具包括烧结部分和固定在烧结部分上的非烧结部分,烧结部分具有外壳和位于外壳内的芯体,芯体为内部具有多个空腔的网状结构,制造时在安装板的平坦表面上逐层熔合金属粉末制造烧结部分,该方法简单、经济且确保了模具较低的变形量和较高的安全水平。


3D打印可以在很短的生产周期内制造出复杂的几何形状,只需一步打印就能完成过去几个步骤才能完成的刀槽花纹,也无需人工安装和焊接,节省成本、精度也有保证,对轮胎产业的转型升级具有推动力。


制鞋产业

对于热爱运动的人们来说,一双合脚又懂脚的运动鞋非常难得。3D打印技术在运动鞋领域的不断创新与发展,让量脚定制鞋子变成了现实。专利数据显示,耐克、阿迪达斯等海外制鞋巨头的专利布局已有十年且专利数量众多,而国内企业近两年才开始布局且数量较少。 耐克在中国目前有63件3D打印制鞋专利,这些技术不仅涉及鞋构件的制造,也涉及模具制作等上游技术。


耐克在其flyprint跑鞋的鞋面中使用了3D打印技术,如专利(公告号:CN104428126B)可以基于鞋面的局部或整体的期望性能来调控材料性质,比如增加刚度、支撑、柔性等。 阿迪达斯则在Futurecraft跑鞋产品中运用了3D打印技术,相关的专利(公开号:CN106263250A)描述了一种3D打印制作的网格鞋底,这样可以根据鞋的专业用途而调控局部网格结构。


李宁则宣布推出完全个人定制化的3D打印运动鞋,专利申请文件(公开号:CN106447453A)公开了李宁的数字化鞋产品定制方法。 可见3D打印技术不仅有助于实现个性化定制,即“合脚”,也能够实现功能化鞋体的制作,即“懂脚”,提高了产品的附加值和技术含量,助推了产业升级。


铸造产业

铸造企业大都依赖于传统的铸造模式,其中占用时间最长的是模具制造、制芯、造型等过程,这大大影响了产品的交付周期。


宁夏共享集团是具有50年历史的铸造企业,近年来其在砂芯3D打印方面布局了约223件专利。宁夏共享集团在专利(公告号:CN104028711B)中,提出可以设置多个工作箱,某一工作箱位于打印工位时,铺粉器和打印头分别铺设粉末和喷射粘合剂进行3D打印,打印后转换其他工作箱与打印单元位置对应进行3D打印,之前进行的工作箱可进行清理工作,该方案节省了清理工作箱的时间,提高了设备的利用率。


宁夏共享集团将3D打印砂芯模具应用到铸造生产线上,相比传统的铸造工艺,3D打印与铸造结合的生产线省去了模具制造环节,大大缩短了铸件交付周期,不仅使得铸造业不再是“傻大黑粗”的行业,更提升了市场竞争力,实现了产业转型升级。


3D打印技术虽然目前还不能完全取代传统制造技术,但是3D打印在轮胎、制鞋、铸造等传统产业已经崭露头角。面临发展困境的传统企业一方面可以借助3D打印技术压缩生产流程,降低制造成本,如省去模具制造环节或利用3D打印压缩模具制造环节周期;另一方面可以借助3D打印技术开发传统制造技术难以制造的新产品,开发新工艺,如常规技术难以制备的网格鞋底。相信随着3D打印技术深入开发,越来越多的传统行业会从中受益,实现转型升级。(徐 宁)


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