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國內首部大型3D打印機

2015/3/26 10:30:24
產品說明

 

三亞思海三維技術有限公司研發了特殊的增強型“FDM”(融熔沉積)工藝,我們命名為“EFDM”工藝,不融熔也可以沉積,涵蓋樹脂、無機材料、金屬粉末等三大類,成本達到工業原料的級別。

三亞思海三維技術有限公司企業代碼201962(上股交掛牌企業)。

三亞思海“EFDM”大型3D打印機國家發明專利申請受理號201410425332.4,實用新型申請號201420487763.9

三亞思海三維技術有限公司及其打印館,位于三亞市高新技術產業園動漫基地,距亞龍灣國家旅游度假區、海棠灣國家海岸10分鐘車程。

 

 

三亞思海EFDM大型3D打印機生成的產業鏈,既是新技術模式、新業態產業,又是對傳統產業升級改造的有力工具。




 

一、概況

20136月,習近平同志在武漢東湖高新區進行考察時,就3D打印技術的研發和應用指出:這個技術很重要,要抓緊產業化。

為了推進3D打印技術在我國的發展,為了完善3D打印產業鏈建設,三亞思海三維技術有限公司(以下簡稱思海公司)總工程師、董事長陳名喬經過多年研究機電一體化設備系統、印刷機器建造原理、3D虛擬模型建造,結合了所學知識,最終將3D打印機機器構造及打印原理技術融會貫通,完成了大型3D打印機的機器定型設計,3D打印軟件系統建立,3D打印材料管理體系,以及3D打印產品產業化商業模式的策劃。

2014年初,在三亞市支持下,三亞高新技術產業園(動漫基地)的兩家企業投資思海公司進行制造大型3D打印機,完成首批兩臺大型3D打印機的研制工作,即完成整機制造。兩臺機器放置于三亞市吉陽鎮高新路99號同濟科技園左側“3D打印科技館

2014529上午,舉行了思海公司大型3D打印機研制進展通報會,邀請了眾多有影響力的媒體參會采訪714下午中央4中國新聞欄目播出思海公司關于大型3D打印機相關新聞報道,并引起大家的熱烈關注。

思海公司研制的大型三維打印整機尺寸達到6 ×3.5 ×3米,打印行程為3.8×2.4×1.8米。這樣打印出的產品立體尺寸達到了人們生活環境的中等典型尺寸,如:家具、汽車、地板、天花的大小尺寸,應用范圍一下子擴大到日常生活的地步。該設備具有打印材料創新環保、其尺寸與速度領先于一般3D打印機的特點。我們的三維打印技術“3D打印機用打印頭已申請國家發明專利(申請號:201410425332.4)與實用新型專利(申請號:201420487763.9)。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


二、主要技術經濟指標及與國內外同類產品比較

3D打印技術能自動、直接、快速、精確地將設計思想物化為具有一定功能的原型或直接制造零件,它集成了機械科學、計算機科學、材料科學等相關學科與技術。該制造技術既是綜合性和交叉性的前沿制造技術,是先進制造技術的重要組成部分,也是制造技術在制造理念上的一次革命性的飛躍。

由于互聯網經濟對微小優勢都能夠放大的特點,消費者極易關注到行業中的前幾名,這導致企業不得不對市場進一步細分,以謀求差異化的競爭力,細分市場和差異化進行到一定程度就是個性化市場,3D打印正是和個性化市場相伴而生,這與我國大批量廉價生產的模式完全不同。

如果3D打印實現大規模產業化應用,或者在經濟中占有一定可觀的比重,我們的制造業與發達國家的對比優勢將會失去;如果同時我們的3D打印技術又落后于發達國家,我們的產業轉型之路將會更加艱難。而3D打印技術與大飛機、航母技術一樣難度在于集成,并沒有不能突破的難點,而且我國的基礎制造技術也已經有了長足的發展,因此作為普通的民營公司站在設計的高度,揚長避短,完全有可能獨辟蹊徑自主創新。

三亞思海三維技術公司,在三亞市的關懷下,經過艱苦卓絕的努力,已經取得了獨一無二的成果。在此過程中我們對國內外多種3D打印工藝和公司進行了對比分析,找出了阻礙產業化的癥結所在。

(一)3D打印技術比較,思維三維的EFDM的獨特優勢

無論哪一種3D打印技術,他存在的理由都是相對于舊工藝具有優勢,但往往優劣因素是交織在一起的,只有自身的優劣因素對沖以后的綜合優勢具有合理的經濟性,才能有效的實現經濟效益。拋開各種3D打印工藝之間的不同點,就他們的共同點與傳統工藝進行比較,才能發現問題的癥結所在。

1.傳統工藝的主要方式和特點:

1)模具成型制造

結構受分模空間干涉的限制,復雜產品必須分解成很多模塊。每個模塊也要進行刀具切削加工。整個過程材料利用率低,周期長,所以前期成本很高,數字化程度80%左右,自動化程度60%左右。這種工藝的優點,大批量生產效率高,大批量生產成本低。

2)刀具切削制造

結構受刀具空間干涉的限制,復雜產品必須分解成多個模塊。每個模塊的毛胚必須大于成品,通常30-90%的材料都會被去除,材料浪費很大,材料內部或者表面復雜的地方無法加工,材料硬度超過刀具硬度的一半就很難加工,材料過軟也不能加工,如軟性樹脂、橡膠等。這種工藝的優點,工藝適應性廣,前期費用少,批量生產成本高,數字化程度80%左右,自動化程度也達到80%以上。

3)手工藝制造

無直接前期費用,但手工藝人需要極長時間培養,工藝適應性極廣,效率極低。數字化自動化程度為0

2.3D打印技術主要分類和特點:

分層累積,這是3D打印的各種工藝最底層的共同特點。所帶來三點原理上的改變:一是,內外部統一無區別,工業史上首次可以完全的控制材料內部結構,再也沒有分模干涉,刀具干涉等問題;二是,一次整體成型不用因為工藝而分型,平均可以節約40-60%的材料。工序可以減少90%;三是,完全數字化自動化,達到98%以上。正是分層累積的原理,也帶來了幾個急需解決的問題,目前市場上各種3D打印機都面臨這幾個問題:

1)分層累積的效率降低,雖然比模具制造效率高很多倍,但比模具完成后的批量生產慢很多倍。如果提高速度會降低精度,如果提高精度會降低速度。

2)材料成本相比傳統工藝材料高10-50倍,材料具有3D打印專用的特點。

3)由于效率低,材料成本高,導致大型的3D打印機在效率上和材料成本上完全不能接受,市場上的機型一般都在一米以下。

4)同一種3D打印工藝的通用性低,目前主要有激光燒結成型,紫外線光固化成型,熔融沉積成型,3D印刷等方式,還有一些非主流的工藝不在討論之列,這些工藝各自占有一定領域,通用性較低,材料種類缺乏多樣性。

5)所打印的產品基本都是模型,不能一次打印出具有一定機能的系統級產品,比如家電、汽車等都不能一次打印并裝配成型。

 

鑒于以上分析,現在3D打印與傳統工藝處于互為補充的相持階段,3D打印可以做傳統工藝做不到的地方,在雙方都做得到的地方,小批量或單件生產3D打印占優勢,主流的生產過程還是傳統工藝占優勢。如果不能揚長避短,在尺寸、速度精度、材料成本、材料多樣性等這幾點上都取得突破性進展,就不能對傳統工藝形成革命性的沖擊。

3.3D打印不同類型工藝之間的比較:

首先,激光燒結成型在精度上占優勢,但它的精度依賴于材料粉末的細度,獲取極細的材料粉末成本很難下降,大功率的激光器的成本也很難下降,適合燒結的材料種類也很有限,因此現在主要用在航空和醫療等對成本不敏感的領域。市場比較狹窄。綜合來看還是有發展潛力,但成本很難下降到與傳統工藝抗衡的地步。

紫外線光固化成型必須使用光敏感液體材料,主要用于小型的產品樣板,更不可能大規模應用。

3D印刷方式在色彩方面極具特點,但能用的材料完全沒有有效的力學性能,主要用在觀賞方面。

熔融沉積方式又稱為FDM方式,現在使用比較廣泛,他是將材料先熔化然后像春蠶吐絲一樣累積成型,他的原理是適應廣泛的材料的,但目前市場上廣泛使用的方法沒有將它的優勢發揮出來。

 

綜上所述,我們最終選定EFDM打印方式作為切入點,因為它最有可能實現以上四個標準,理論上,能夠融化又能夠冷卻凝固的材料FDM都可以使用,大部分固體材料都可以融化也可以凝固,只是溫度不同而已。但是現有的FDM方式3D打印機大部分使用的是線材,材料必須先制成線狀才能使用,不僅提高了成本,而且限制了材料的種類,必須加以改進。要想降低材料成本,最直接有效的方法就是直接使用工業上現有的材料,但有些材料的熔點很高直接融化有困難,可以用粉末狀材料加聯結劑在常溫下打印再高溫燒結,經過這樣增強改進以后的FDM工藝我們稱為EFDM工藝,為我們公司所獨有。

根據以上分析,我們選定EFDM為主攻方向,以大尺寸、低耗材、多材質、高速度精度為目標進行整個3D打印技術體系的建立。

3D打印技術體系是一個綜合性、系統性非常強的技術體系,而且必須有所側重才能成功,必須和商業模式結合起來形成產業鏈條。我們認為僅靠某種技術核心是難以保證未來的領先地位的,必須要在相關領域內的五個核心技術環節都取得一定的深度進展,但每個環節不必都是領先的,但整個系統必須在同類中領先。

結合市場和我們自身的情況,我們提出了EFDM大型3D打印機的方案,作為上述模型器物階段的主要產品,前面已經提到過,目前要解決3D打印產業化的四個主要障礙,概括來說就是:大尺寸,低耗材,多材質,高速度精度。

4.我們的設計方案就是針對性的解決這四個問題的:

1)大尺寸

關于大尺寸是我們整個計劃中的關鍵點,必須重點說明理由。我們的一切設計都是以市場競爭為出發點,從市場競爭角度來看,尺寸達到一米以上的時候,模具刀具工藝,不要說在3D打印的優勢領域,即使在他本身的優勢領域都非常困難 ,也就是說這是傳統工藝最薄弱的地方,完全有理由從這個方向重點進攻。與模具工藝對比,3D打印單件成本與批量成本相差不大,復雜性不受限制,模具工藝的大批量生產成本低,單件成本非常高,這一點與尺寸有關,模具成本與尺寸近似于3次方關系,當這個尺寸接近半米以上的時候,模具成本增加十分顯著,需要很大的批量才能消化,而平均來看尺寸越大的商品相對產量越小,當接近一米以上的時候,除了汽車等產品之外,批量與模具成本之間幾乎沒有交點,也就是生產量永遠都無法達到模具成本的盈利點。

CNC機床的刀具切削工藝對比,CNC機床不用模具,它本身是制造模具的工具,但由于刀具干涉,復雜性受到限制,同時由于是減材制造,30-90%的材料都要去除,這導致他的成本對尺寸也十分敏感,由于刀具干涉,復雜的結構需要分開來做,導致更多的材料浪費和工時浪費,在大尺寸的時候更加明顯,同樣在一米以上的特征尺寸時,同時有一定復雜性時,經濟性很差。

與手工藝比較,外表的復雜性,二者不相上下,內部的復雜性3D打印占優勢,尺寸方面手工可以做更大的尺寸,但在數字化,高效率方面,3D打印占絕對優勢。

通過以上分析,綜合來看在一米以上的尺寸,復雜性越高的領域,3D打印占有很大優勢,現有的機型由于材料成本非常高,在優勢領域也僅能持平,如果在一米以上的優勢領域,降低材料成本,提高速度和精度,必將具有壓倒性優勢。因此我們市場定位為大型3D打印機, 4米的邊長,3米寬,2米高,這個范圍包含了大部分人類日常生活環境物體的尺寸。

2)低耗材

市場上3D打印耗材之所以貴,比工業用的貴很多,原因是要加工成精密的線材,而且用量相比工業用還是很小,如果直接使用工業樹脂,自然沒有理由會貴,我們的系統就是可以設計成使用工業用顆粒料,低耗材是自然的事。

3)多材質

我們同時發明了特殊的增強型“FDM”(融熔沉積)工藝,稱為“EFDM”工藝,不融熔也可以沉積,涵蓋樹脂、無機材料、金屬粉末等三大類,成本達到工業原料的級別。

4)高速度精度

速度是3D打印的瓶頸之一,很大的原因是打印頭精度和速度之間矛盾造成的,我們采用輪廓填充工藝速度得以大幅提高。由于大型物體相對于小型物體表面積與體積之比更小,我們在表面采用精細打印內部采用直接填充,速率大為提高,而產品大型以后,相對精度本身就已經提高。另一種工藝采用很高的打印每層高度,精度很低,然后逐層用刀具修邊達到很高的精度,由于是逐層精修,刀具干涉問題基本沒有,速度和精度可以同時提高,當然這樣控制系統和軟件都變得很復雜,但有五個技術環節的同時支持也不難解決。

 

(二)思海三維產品性能與國外產品比較

目前世界上有幾大領先的3D打印公司,他們分別是德國的“3DSystems”,美國的“makerboot”“Stratasys3D”

德國的3DSystems公司所研發的打印機分桌面小型打印機einstart系列,和消費級打印機、專業級打印機,而其中的專業級3D打印機的最大打印尺寸為380×380×250 mm,還不能達到工業用途,只能作為模型展示,精度較高,層厚可達0.05mm,但成型速度非常緩慢,仍然使用絲狀3D打印材料,其速度和成本也受到限制。

美國的makerboot和德國的3DSystems不同,它更注重于普通的消費級市場,推出的大多都是小型的桌面式打印機,其售價也較低一些,分單頭replicator和雙頭replicator x2系列,打印尺寸都在240×190×150mm內,然而成型速度緩慢也仍未解決。

Stratasys3D和德國的3DSystems公司差不多,也是用作工業模型較多。

 

3DSystems官網:http://www.shining3d.com/print_detail-3582.html

makerboot官網:http://www.makerbot.com/

Stratasys3D官網:http://www.stratasys3d.net/

 

從公開的資料來看,國外的產品,無論是熔融沉積型的還是激光燒結還是其他形式,在成型尺寸、材料多樣性、材料廉價性、速度和精度的同時提高上面,都沒有突破性的進展,只是在產品制造精良和外觀上遠優于國內產品,但在材料價格上特別沒有優勢。3D打印相比于二維打印,材料消耗增加了幾千倍,材料的廉價性是決定性因素。

這要靠打印頭等整個系統的協調來解決,目前看來,國外三大公司都在摸索,還有一些大企業如惠普等也在摸索。我們認為他們的道路都不得要領,因為3D打印的技術已經基本可用了,關鍵是經濟性。在產業化階段,技術要首先考慮產品的經濟性,由于材料用量很大,因而材料的價格是生命線,材料的多樣性是擴張之路,大尺寸是首攻方向,這是傳統工藝的弱點。速度和精度決定能夠走多遠,如果不解決材料的廉價性,一切都無從談起。

我們重點圍繞材料開發了EFDM打印頭和大型打印機。與德國的“3DSystems的最大型號的采用激光燒結技術的P800經濟技術指標對比如下:

參數

3DSystems

思海三維

產品型號

P800

SH2000

成型尺寸

700*380*580mm

3800*2400*1800mm

成型速度

7mm每小時

3.5kg每小時

層高精度

0.12mm

0.1-20mm

激光發射

50W二氧化碳

不需要

光學系統

F-THETA-LENS

不需要

掃描速度

6米每秒

不需要

支撐結構

自帶粉末

水溶性樹脂

電源

32A

16A

最大功率

12KW

24KW

氮發生器

集成

機器最大外觀尺寸

2.25*1.55*2.1

6*4*6

重量

2300kg

15000kg

軟件

EOS RP ToolsEOSTATE

SH3D3.0

CAD數據

STL

STL

材料

聚芳醚酮PEEK HP3樹脂

樹脂,無機,30

材料價格

高于500元每公斤

樹脂10-20元每公斤

纖維增韌

提高韌性2-3

刀具

自帶刀具拼接系統

以上是簡單的對比,實際上燒結系統與EFDM相比在精度上略站優勢,但有幾點致命缺陷導致后期的發展難以突破。

第一、粉末燒結精度依賴于粉末的精度,即使激光精度再高,沒有精細的粉末,也不能達到產品精度,精細的粉末必然提高成本。

第二、激光燒結系統天然的無法對表面以外的無精度要求區進行填充,這對于大型產品提速很關鍵

第三、激光系統不能透射很大的深度,每一層的層高不能太高,對于產品中無精度要求的部位,不能大幅改變層高。

這幾點在原理上使一切依賴激光粉末系統的3D 打印機在極大的提高速度并保持精度方面沒有潛力。無論他是燒結金屬的還是燒結樹脂的,只有在特殊領域有優勢。

普通的FDM打印模式,由于局限于線材使材料種類受限,由于靠摩擦力送料,壓力有限,不能實現高速高壓送料,速度也因此受到限制,在不要求速度時,精度并不比激光粉末系統差多少。

綜合起來看:我們認為EFDM打印技術綜合性能很高,發展潛力巨大,有可能成為我們彎道超越先進國家的機會。

 


三、市場定位與經濟性對比測算

大型3D打印機由于其巨大的尺寸,已可以滿足人們日常生活的實物尺寸大小的要求,加上其速度提高、耗材成本下降、色彩豐富,因此其打印的產品使用范圍非常廣泛。就目前我們掌握已經成熟的技術來說,市場定位主要是針對以下幾個行業:

1.教育業:理工技術類大專院校的教學實驗用途。

2.科技業:各大公司新產品研發階段的樣機制造。

3.廣告業:大型戶外廣告牌,浮雕,匾牌,吉祥物。

4.電影業:電影道具,科幻模型,古生物,古代建筑模型。

5.旅游業:文物,動漫卡通人物,主題公園,景點紀念品。

6.家具業:藝術家具,定制家具,防盜門,墻壁裝飾物,燈具。

7.建筑業:園林假山,游樂設施,兒童樂園,造型建筑配件。

8.鑄造業:翻砂鑄造用木型升級,石膏型升級。

9.軍事:靶機,靶船,靶車等,還可以用于偽裝。

這幾個方面有的已經形成了市場,只是產品加工工藝方式不同,因此不存在市場開發問題。如何在原有的市場上提高3D打印產品的附加值是市場研究的關鍵點。

首先,進行成本對比,綜合前面分析,本項目的定位是大型3D打印機,這樣的定位已經將傳統工藝模具批量制造遠遠甩在后面。模具的成本與體積的三次方成正比,當尺寸大到以米來計算的程度,模具完全沒有任何優勢,無論是批量生產還是單個生產,選擇模具都不是一個好的選擇。在這個尺度情況下,一般的產品則是使用手工制作的方法,與手工相比,3D打印效率具有明顯優勢。下面分述這幾個方面市場情況。

1.教育業

在科研教學領域,很多工科高等院校及職業技術學校的學術缺乏實踐教學,原因主要是經濟條件不允許,但是通過模型的使用可以填補理論與實踐之間的空白地帶。讓學生可以形象地理解所學知識,并可以通過親自動手實踐,來驗證理論知識。

2.科技業

從事生產大型商品的企業也會遇到樣品和模型制造的困難,例如前不久,李克強總理訪外時介紹推廣中國高鐵技術時,所展示的就是一個大尺寸的高鐵模型,這種模型通常是采用手工制造的,成本極高。可想而知,如果能夠采用大型3D打印機制造這方面模型,將會極大的降低成本,具有明顯的競爭優勢。同時,也可提高模型的精細程度,模型的復雜度也可得到更多的呈現。

諸如此類的大型模型潛在用戶還有汽車制造廠,船舶制造廠,甚至飛行器制造廠。這些企業在開發新產品時,有個特殊需求,就是這些產品都是在流體中使用的,就是氣流或者水流,這種流體作用于產品的外表面,產生的流體力學行為會極大的影響產品的性能。而流體力學的發展,還沒有線性度高的理論,因此幾乎每一款新產品,都需要用它的外形來做流體力學實驗,也就是所說的風洞試驗和水流試驗,而且還要經過不斷的修改來得到最佳的氣動外形或者水流外形,這個過程是開發此類產品必須經過的階段。現有的工藝一般都是手工或者半手工的制作,不僅是制作費工費時,而且也與產品設計的數字化不配套,現在產品的設計早已經采用CAD技術,而手工制造的模型,不能與之結合,如果采用3D打印,就與產品設計的CAD技術無縫集成,非常便于實驗和修改,修改過程只是動動鼠標即可完成,重新進行局部打印。

3.廣告業

有大量的戶外廣告牌都是平面的,完全可以向三維發展,各種市政設施,作為一個城市的形象也可以用大型3D打印來實現,還有城市雕塑,交通標志等。

很多公司的匾牌格式單一,希望個性化一點也沒有實現的手段,3D打印正好滿足其要求,吉祥物也有很大的市場也是很好的廣告手段,3D打印可以為每個公司定制全球唯一的吉祥物。

4.電影業

在最新的電影大破天幕殺機中,里面出現了一輛60年代的阿斯頓馬丁車型DB5,為了使影片看起來更加逼真,特別是汽車爆炸的場面,不用真實的爆炸鏡頭,特效是很難模擬的,所以它們在電影中使用了13比例,用3D打印技術制作了3DB5的模型。分別打印出18個獨立的元件并組裝成這輛車。他們首先制作了鋼材質車身框架,然后通過CAD將所有部件數據輸入3D打印機,最后使用PMMA塑料打印出了門、車頂、擋泥板等零件。等3輛車的總共54個零件打印完成之后,它們被送到了制片廠進行精細制作,通過噴漆、打磨等多道工序還原了50年前的007所駕駛的阿斯頓馬丁DB5。為了逼真的效果,他們還給車身還增加了一些彈孔效果。而我們的EFDM大型3D打印機可以一次成型而且可以用一比一打印全尺寸的完整道具車,理論上可以出口到好萊塢電影市場。

5.旅游業

旅游從來都是和文化有密切關聯的,人們除了欣賞自然景觀以外,也會更多的關注人文景觀,而且人文景觀往往收費更高。近來中國經濟高速發展,旅游業隨之十分火熱,多地出現造景運動,取得十分豐碩的成果。歷史上留下的人文景點,已不能完全滿足現代年輕人的文化口味,所以人造景觀層出不窮,而且隨著經濟發展,人們也有精神、宗教方面的需求,全國各地多處出現造佛運動,包括三亞108米高的觀音佛像,都取得了很好的經濟效益。這些大型的景觀或佛像,無一例外都是在藝術家完成設計后用手工來制作,其中超大型的,造價往往數以億計,其實這些產品都只有局部有豐富細節,其他部位只是一種建筑,比如觀音佛像,主要藝術體現于佛頭和其他一些裝飾,而其他人造景點中,主要是文學作品中的人物或者動物等,極為適合用大型3D打印機來制造。特別是一些歷史文化名城,現在紛紛打出旅游牌,城市中需要大量的各種體現該城市文化定位的雕塑,有的甚至計劃建造主題公園,比如西游記公園、水滸公園、三國公園等,其實質都是制作雕塑,其特點是每個雕塑形貌皆不相同,除了3D打印以外,只有靠手工了。而藝術家的養成,我們需要幾年或幾十年,產能極其有限,遠不能滿足文化旅游事業的發展,此時大型3D打印機應運而生,必然會搶占先機。

現在全國各地興起各種博物館,而真正的文物,數量畢竟有限,為了擴大產品的豐富性,仿真文物肯定有很大的需求,如電影《十二生肖》中成龍所定制的鼠頭,逼真的仿真外形,也非常適合現階段的3D打印機制造。

6.家具業

藝術家具,定制家具,防盜門,墻壁裝飾物,燈具。

經濟的發展是不斷的以更低的成本滿足消費者的需求,產品對于具體的消費者,針對性越高,附加值也就越高。比如,我們購買批量生產的衣服,分為大、中、小號,對于適合的人來說,它的價值就增加了,如果全世界只有一種號,那么對于每個人的價值都會下降。如果對于每個人都分一種號,雖然對于每一個人來說價值都會增加,但是生產廠家的成本會劇增。這中間有個平衡點,這個平衡點是由生產技術決定的,現在這個平衡點在中間,因為生產技術限制不能分的太細,因為顧客需求也不能分的太粗,當我們去專業的成衣店定制衣服的時候,就是這個平衡點完全靠攏到消費者那一邊,但是所付出的代價要遠高于普通市場,這就是個性定制的經濟學基礎。定制產生價值,而3D打印技術就是專門為定制而生的,它在為每個用戶量身定做的同時,保持良好的經濟性。個性定制的具體市場,根據目前研制的大型3D打印機的性能,非常適合于打印藝術家具,因為家具行業是一個民生行業,也是一個成熟的行業,市場十分巨大,一定存在著部分高端的人群,不滿足于現有的家具方方正正、千篇一律的格式。但現在的家具行業并沒有技術手段來提升,3D打印技術將填補工業與藝術之間的空白地段。我們制作的不是產品而是作品,因為3D打印的制作技術非常具有藝術表現力,可以采用塑化木材、塑化石材、塑料等材質,用各種匪夷所思的結構來造型,這樣的藝術家具,一旦形成風潮,市場潛力難以估量。

還有各種公司匾牌、吉祥物、家庭裝飾物等不勝枚舉。

7.建筑業

現代建筑設計越來越新穎奇特,使得出現很多不規則的部件,傳統的建筑工藝很難經濟的制造這些獨特的部件,3D打印可以完成任意復雜的建筑造型的特殊部分。

建筑內部有大量的藝術性的建筑配件可以打印。比如地板磚,現在幾乎都是正方形的,如果其中鑲嵌幾塊其他形狀的或者具有浮雕圖案的地磚,將會美化家居環境,墻壁上也可以做浮雕裝飾,天花板由于不與人的生活發生直接接觸,可以做更復雜的裝飾性浮雕。這種浮雕可完全不同于傳統的浮雕,傳統的浮雕由于受模具和雕刻機械的限制,一般很淺,造型也很簡單,介于平面畫和立體雕塑之間的一種藝術。而3D打印可以將其發揮到極致,各種藝術造型都不受限制。

大型樓盤在開發之前,往往都會推出縮小比例的模型供客戶觀賞選型,這個市場目前也是用手工做的,但它非常適合用大型3D打印機來替代,制作工序會縮短到之前手工的1/5以下。更重要的是可以提升精美程度,而且是統一一次成形,建筑師通常也是用CAD模型來設計樓盤的,將此模型縮小輸出STL文件,稍加修改基本上就可以用來打印。

8.鑄造業

機械制造業,一些復雜零件的生產制造,比如支架、變速箱等的開發或小批量生產最需要快速和高效。但常規的熔模鑄造技術恰恰在這方面有缺陷。即時生產所需的蠟模需要昂貴的注塑模具和蠟機,而當用于新產品開發或小批量的產品制造時,這些模具會變得昂貴而費時,從而導致單位產品的制造成本居高不下。使用3D打印技術來制造這些復雜的零件,顯著降低制造成本。3D打印的樹脂模具可以代替蠟模,在隨后的處理工藝與傳統制造方法相同:先在模具表面覆蓋陶瓷涂層,然后將其放入窯中。當溫度超過700時,塑料模具完全燃燒,無任何殘留,這也是失蠟法名稱的由來。無論是原型、單個零件還是小批量生產,3D打印技術使我們能為高度復雜的設計快速制作熔模鑄造模具,而且十分經濟,這是一個巨大優勢。

9.軍事用途

可以作為訓練用的靶機,靶車,靶船,也可以用于軍事偽裝,由于3D打印可以非常逼真仿照外形,在如今衛星偵查技術條件下完全可以蒙蔽光學系統,技術人工抵近偵查也難辨真偽,還可以作為廉價的無人機,無人船,無人車的制造手段,可以與真機相仿,提高真機的戰場生存率。

 

 


四、EFDM技術與傳統技術經濟性對比預測

由于大型EFDM3D打印機應用范圍非常廣泛,我們選擇幾個具有代表性的主要的方面實例進行對比測算。由于3D打印工藝與傳統任何工藝相比有明顯不同,不需要進行細微的數據對比,只需要進行定性的對比就能說明問題:

(一)工業用的首件樣品用于測試或參展等用途。

產品首件又稱為手版,本意是手工制作的,不過現在主要是用CNC機床制作然后拼裝,以復雜大型的產品為例,稍微復雜一點需要用到CNC五軸加工中心機,而且也因為刀具干涉問題,和內部無法加工的問題必須拆分成很多模塊,比如研發一款新車需要多次修改測試模型,以一款中型轎車為例每一款測試模型造價估算在五萬元以上,時間一個月左右;而大型3D打印可以一體成型,需要200公斤材料,100公斤支撐料,合計不到5000元材料,約五個工作日,電費人工約1000元,每天機器折舊按1000元計算,總成本約11000元。相比傳統方法至少有3-4倍以上的經濟優勢。

(二)大型機器的外殼

我們了解到,像GE公司這樣的國際大公司生產的核磁共振掃描儀器外殼也是發包到中國半手工生產的,廣東就有幾家半手工生產廠生產醫療大型設備外殼,這種設備一般體積較大,每個品種數量少于1000臺,開模具完全不經濟,以飛利浦0.5T核磁共振儀為例,圓環狀的外殼造型復雜,內部的腔體也很復雜,用雕刻機做成很多個面,手工粘接起來,造價約15000元。

大型3D打印機做這類業務經濟性非常好,因為設備外殼很薄,雖然很復雜,但是實際材料消耗不大,以上例子中材料只需60公斤,支撐料30公斤,合計材料費約1000,兩個工作日可以做一臺,按照每天1000元折舊,加上雜費,總成本不超過3500元,而且完全自動,也是3-4倍以上的經濟優勢。

(三)大型機床鑄件翻砂模具

現在的大型機器翻砂鑄造的模具大部分都是用木材制作的,因為尺寸大,金屬的造價太高,用木型翻制砂型后再與鐵水接觸成型,木型的制作需要專門的手工師傅,也可輔助以木工機床,或者數控的木工機床,如果典型尺寸3-4米的木模造價都在2萬以上,工期大約1個月。

這種應用造型一般不會太復雜,主要考慮力學因素居多,但3D打印可以將材料內部做成蜂窩狀結構,大量的節約材料,按體積比較比木材節約一半以上,而且可以做成組合模塊,不用分拆,成本進一步下降,更重要的是可以回收材料,木材一般很難回收重新造型成別的模具,綜合計算下來,2萬的木模用3D打印成本5000不到,這還沒有計算回收材料的效益。

(四)室外雕塑

以中國文化中常見的吉祥物石獅子為例,市場價格一米的白石7000元,一米五的白石12000元,2米的白石18000元,2.5米的白石4000萬元,3米的白石60000元,如果特殊的工藝或者造型復雜價格還會大幅上漲。大型石雕非常重,運輸安裝都很困難。

3D打印有兩種方法可以制作這種石雕,第一種是打印中空的外殼,內部填充可凝結的石粉,外部噴涂真石漆,外觀和質地與石材完全一樣,從漢代出土的漆器來看,樹脂類有機物在避免光照和氧氣的情況下可以保存幾千年,所以在內外封閉的情況下耐久性沒問題。

另一種方法就是打印水溶性外殼,造型都在內部,然后填充可凝結的石材,固化后熔掉外殼,這種工藝最終成品完全是石材的。可以做比手工雕刻復雜的多的石雕,或者其他質料的雕像。

成本還是每天1000元折舊,每公斤材料10-15元,一個2米的石獅雕像需要3天,成本也5000元左右,對比雕刻的優勢是非常明顯的。

(五)廣告裝飾

這一類產品價值稍低一點,但是面廣量大,比如公司匾牌,戶外廣告牌,酒店壁掛裝飾等,目前沒有真正3D制作的,沒有市場可比對的價格,但是這類產品是面積大高度小,實際打印體積比前幾種都要小得多,每平方米的打印成本應該在1000元左右,可以任意造型,個性化定制,這是全新的市場,根據復雜程度,藝術性,和顧客的喜好,定價可以在2000-10000元每平米左右,但實際成本與復雜性無關。復雜性僅略微增加計算機繪圖的工時。

3D打印技術可以滲透到國民經濟的各個方面,但至少在這五個常規的民用產業方面很容易切入,對比優勢是非常明顯的。

結論:思海三維EFDM大型3D打印機,既是新技術、新模式、新產業,又是對傳統產業進行升級改造的有力工具。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


五、思海三維公司產業543規劃

根據以上分析,結合思海三維自身的技術特點,我們提出了“5個技術環節,4個產品標準,3個發展階段543產業發展規劃。

五個技術環節是指從技術上看,實現3D打印所需要的五個相互關聯的基礎技術,按照3D打印過程的信息流方向來分為:3D建模技術à切片軟件技術à運動控制技術à打印頭技術à材料技術。這五個環節一環扣一環,任何的改進創新都會牽一發動全身,涉及到五個環節的整體支持,必須是整體解決方案才能有優勢。

四個標準是從市場上來看,所有的3D打印類型都存在四個方面的性能低下,導致產業化進程緩慢,必須要實現:大尺寸、多種材質、高速度精度、材料價格低廉這四個標準,3D打印才能大規模產業化。因此我們以這個標準來衡量3D打印不同工藝哪一種具有達到這四個標準的潛力。

三個階段是指,3D打印未來發展的必經之路,分別是:模型器物à混合材料à復雜系統的打印

目前正處于模型器物階段,特別是思海三維EFDM二代機商品化之后,這個階段已經成熟。

進入到混合材料,材料發展到一定精細程度以后,就可以在微觀上控制材料的組分,這個尺度是在百分之一毫米尺度上,是宏觀尺度到納米尺度的中間地帶,比納米的工藝可行性要好得多,在此尺度上各種材料的混合交叉將會產生難以計數的各種特殊性能的新材料,我們在一毫米尺度上的實驗表面,脆性材料打印一毫米的纖維組成一塊板材,韌性比原材料提高3倍以上,這里面有巨大的發展空間。

當材料極大豐富,造型達到任意程度,就可以進入復雜系統打印的階段,很多標準件或者具有批量經濟性的組件也許永遠都不適合打印,在復雜系統的整體打印過程中這些標準件可以通過機械手技術一邊裝配一邊打印,使打印與裝配互相結合,傳統上由于裝配的空間干涉問題,要進行多次的分解,導致復雜系統的零件數量不必要的增多,隨著工業發展,很多零部件特別是標準零部件已經可以達到終生免維護,這就可以通過打印一次性固化到打印體里面,大大簡化復雜系統的制造,有人計算過一部零件幾千件的汽車,如果不考慮模具空間干涉,刀具空間干涉,裝配空間干涉等問題,零部件可以減少到四十多個。

截止2014714日,思海第一代FDM大型3D打印機已經研發成功,全球首次實現一體成型的3D打印船載人航行,中央電視臺、鳳凰衛視、新華社等媒體都進行了報導,此消息引起3D打印概念股普遍上漲。

思海第二代,16立方米打印體積范圍內任意造型的EFDM大型3D打印機,預計201412月份正式完工投入打印。這將標志思海三維的模型器物階段已經完成,進入商業化,同時,思海三維即進入混合材料研發階段,并為復雜系統打印做好各項技術準備。




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