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什么是工業(yè)級3D打印機(jī)？工業(yè)3D打印機(jī)有什么用？
文章導(dǎo)讀：
對行業(yè)略加深入了解你就會發(fā)現(xiàn)，3D打印是增材制造技術(shù)的統(tǒng)稱，在這個大的技術(shù)框架下，有各種不同的技術(shù)，對應(yīng)不同的材料，然后對接不同的應(yīng)用場景，又根據(jù)用戶的需求分為消費(fèi)級的桌面3D打印機(jī)和工業(yè)級的專業(yè)3D打印機(jī)，這兩大類是完全不同的體系，可以理解為小皮卡和重型運(yùn)輸車的區(qū)別。
利用設(shè)計(jì)優(yōu)化和3D打印做的優(yōu)化的汽車構(gòu)架方案
工業(yè)級3D打印機(jī)目前主要加工高分子材料和金屬材料，也是傳統(tǒng)制造業(yè)中使用量最大的原材料，我們身邊的手機(jī)、電腦、家電、汽車，大部分零件不是金屬就是塑料，所以在傳統(tǒng)制造業(yè)的體系中，塑料和金屬這兩類材料是無法繞開的。
化工巨頭巴斯夫的材料體系
高分子材料加工的零件
然而，在傳統(tǒng)鑄造、機(jī)加工和注塑等傳統(tǒng)加工工藝中，有完整且成熟的工藝流程以及專業(yè)軟件做支撐，更重要的是，傳統(tǒng)加工工藝不僅僅有理論基礎(chǔ)，還有有著更豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)做支撐。
傳統(tǒng)的減材制造加工方式
傳統(tǒng)CNC加工制作的模具
作為未來與減材制造（CNC）、等材制造（鑄造）同臺競技的增材制造（3D打印），要在整個應(yīng)用端實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量的加工服務(wù)，從設(shè)計(jì)端發(fā)起的優(yōu)化成為必然，而過程監(jiān)控、加工工藝優(yōu)化以及仿真檢測也是整個加工流程中必不可少的環(huán)節(jié)，我們從過去3D打印硬件公司的一些收購案中，不難發(fā)現(xiàn)，巨頭型的硬件公司，要么是收購，要么通過是通過合作的方式來形成一套與應(yīng)用鏈接的功能模塊，目前還沒有非常完整的生態(tài)系統(tǒng)的出現(xiàn)。
設(shè)計(jì)優(yōu)化過的自行車零件
從生態(tài)的角度，我們來看增材制造行業(yè)，制造需求、設(shè)計(jì)師+設(shè)計(jì)軟件、仿真軟件、檢測工藝、材料、3D打印設(shè)備、后處理工藝和流程、裝配驗(yàn)證形成了整個加工流程，由用戶發(fā)起需求，設(shè)計(jì)師利用專業(yè)的設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這一環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵，因?yàn)獒槍υ霾闹圃旒夹g(shù)的設(shè)計(jì)和針對其它加工工藝的設(shè)計(jì)方向應(yīng)該有所區(qū)別，比如是否要輕量化、是否要更高要求的強(qiáng)度和更多的功能等等，傳統(tǒng)制造業(yè)由于龐大的體量和成本述求，所使用的材料既要結(jié)實(shí)耐用，又要低成本，然而3D打印所使用的材料理論上也應(yīng)該朝這個方向去走，但是如果一類針對3D打印技術(shù)開發(fā)的材料體系，同樣既便宜又有很好的材料特性，就有可能替代掉部分傳統(tǒng)加工工藝，也就是說，要利用了3D打印技術(shù)，既要有更優(yōu)化的設(shè)計(jì)，還要有更符合該技術(shù)的材料，才有可能讓將傳統(tǒng)制造進(jìn)行升級，成為一種新的制造工藝，從而得到推廣和普及。
增材制造要尋找到合適的契機(jī)進(jìn)入真正的制造業(yè)和加工業(yè)，作為制造業(yè)大國，中國有先天的試驗(yàn)優(yōu)勢，目前整個3D打印行業(yè)的競爭格局已經(jīng)悄然升級，早已不再是只有硬件就能獨(dú)步天下了，軟實(shí)力、加工工藝、材料體系以及后處理全流程的競爭格局正在建立。
我們先回來回顧過去3D打印高速發(fā)展的幾年中，這些所謂的行業(yè)巨頭做了哪些事情來提升競爭力的。
圖片說明
圖片說明
2014年9月，之前聚焦于高分子可塑性材料3D打印的Stratasys花1億美元收購了創(chuàng)立四年的設(shè)計(jì)師社區(qū)GrabCAD，這個社區(qū)擁有一個重要的再現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)軟件Workbench，Grabcad被Stratasys收購時，注冊用戶已超150萬，由設(shè)計(jì)師共享的CAD文件高達(dá)52萬個。如今，我們看到Stratasys的工業(yè)級3D打印機(jī)的管理、模型管理、共享和工作流管理全部集成在GrabCAD中，同一年，Stratasys花4億美金收購了桌面級3D打印機(jī)公司MakerBot，現(xiàn)在看來MakerBot當(dāng)時被一定程度上高估，而MakerBot的Thingivers的設(shè)計(jì)師和模型共享社區(qū)對于Stratasys這樣的硬件公司而言更為重要，這兩大收購案在現(xiàn)在看來絕對是戰(zhàn)略布局的行為，因?yàn)槌齋tratasys之外，其它3D打印硬件企業(yè)要擁有如此規(guī)模的模型共享和設(shè)計(jì)師社區(qū)還有不小的難度。
GrabCAD的理念：讓機(jī)器制造產(chǎn)品更好更快
與GrabCAD功能類似，德國工業(yè)級3D打印機(jī)公司EOS使用EOSTATE everywhere來對生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控和管理，從而保證打印質(zhì)量，不同的是，EOS沒有自己的設(shè)計(jì)師社區(qū)。
EOS與德國初創(chuàng)公司Additive Works合作
EOS與德國初創(chuàng)公司Additive Works合作，通過進(jìn)一步開發(fā)Amphyon，Additive Works基于模擬的AM預(yù)處理軟件，推進(jìn)金屬增材制造工藝。該軟件解決方案能夠虛擬模擬AM構(gòu)建過程，并在打印前識別零件設(shè)計(jì)中的潛在問題區(qū)域，從而為用戶節(jié)省時間和生產(chǎn)成本。模擬階段有兩個模塊：支撐模塊(在beta測試中)和機(jī)械過程模擬(MPS)模塊。支撐模塊使用戶能夠優(yōu)化并自動生成支撐結(jié)構(gòu)。
在軟件方面，Stratasys并沒有收購三維建模軟件公司Solidworks，而是在2015年收購了它在中國的代理商智誠科技，從而在三維設(shè)計(jì)、數(shù)字仿真分析、數(shù)控加工、模具設(shè)計(jì)和三維打印等方面有所積累。
除Stratasys之外，美國第二大3D打印機(jī)公司3D System在收購軟件公司上下手更早，早在2013年1月3日，3D System收購美國數(shù)字化現(xiàn)實(shí)解決方案供應(yīng)商Geomagic（杰魔），這個軟件擁有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)、掃描、檢測以及觸覺類產(chǎn)品方案，Geomagic在設(shè)計(jì)、工程、制造和質(zhì)量驗(yàn)證方面為用戶縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和優(yōu)化工序，另外，它的掃描及設(shè)計(jì)解決方案主要應(yīng)用于捕捉真實(shí)對像并三維建模，可用于雕琢復(fù)雜形面、預(yù)備批量制造等。此外，三維測量和檢測軟件可通過對比實(shí)物件和設(shè)計(jì)模型來驗(yàn)證品質(zhì)。目前為止，Geomagic依托于強(qiáng)大的功能，依然是三維設(shè)計(jì)師必須要掌握的一個軟件之一。在此之前，3D System還收購了韓國一家逆向和檢測軟件Rapidform，用于逆向公司和三維檢測。
GE利用3D打印的零件
制造業(yè)的代表公司GE收購了金屬3D打印公司Arcam和ConceptLaser之后，掌握了世界上除德國EOS之外的兩大金屬3D打印的最強(qiáng)實(shí)力。后來GE又收購了仿真軟件開發(fā)商GeonX，GeonX的能夠模擬粉末合金熔池的監(jiān)測系統(tǒng)將成為GE 產(chǎn)品系列中有價值的部分。
GE醫(yī)療打印的金屬醫(yī)用鈦合金零件
Arcam是掌握電子束熔融技術(shù)的金屬3D打印專業(yè)公司，同時還經(jīng)營著金屬粉末生產(chǎn)公司AP&C和醫(yī)療3D打印公司DiSanto Technology。此外，Arcam在全球都有銷售和應(yīng)用站點(diǎn)，能隨時為航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域的客戶提供服務(wù)。這些對于GE進(jìn)一步發(fā)展自己的金屬3D打印業(yè)務(wù)來說都十分重要。
2017年11月，美國3D仿真工具開發(fā)商ANSYS宣布經(jīng)收購美國金屬3D打印仿真軟件開發(fā)商3DSIM，由此產(chǎn)生的聯(lián)合仿真解決方案是目前業(yè)界唯一的完整增材制造仿真工作流程。3DSIM在業(yè)界享有很高的聲譽(yù)，它的客戶包括零件制造商、材料科學(xué)家、航空航天和汽車原始設(shè)備制造商、研究實(shí)驗(yàn)室以及金屬AM機(jī)器制造商等。
materialise的軟件制作的超復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)優(yōu)化這個環(huán)節(jié)，瑪瑞斯（Materialise）的magics可能大家更熟悉，除此之外，mimics和3-matic在專業(yè)領(lǐng)域能給設(shè)計(jì)師帶來更多的便利。
Altair軟件優(yōu)化的衛(wèi)星的支架
除了瑪瑞斯之外，專業(yè)的工程軟件供應(yīng)商Altair在設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)優(yōu)化方面更加擅長，從概念設(shè)計(jì)到整個產(chǎn)品的聲明周期中，通過軟件來縮短產(chǎn)品開發(fā)時間、降低成本，提供能夠優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、運(yùn)動、流體、熱管理、電磁學(xué)以及系統(tǒng)建模和嵌入式系統(tǒng)等設(shè)計(jì)功能，同時提供數(shù)據(jù)分析和可視化功能。
這兩家公司中，前者的軟件功能能夠更好的匹配3D打印技術(shù)，然而Altair和Autodesk這兩大工程設(shè)計(jì)軟件近幾年也通過設(shè)計(jì)軟件積極連接3D打印，Altair更擅長設(shè)計(jì)優(yōu)化包括拓?fù)鋬?yōu)化，要知道，Altair OptiStruct是除了西門子LMS Boss Quattro之外第二個繼承了Conlin教授大規(guī)模優(yōu)化算法的商業(yè)軟件。
西門子的軟件系統(tǒng)
在制造業(yè)，西門子PLM software在數(shù)字化制造制造業(yè)有一整套完整的集成解決方案，這套方案不僅用于西門子自己的產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)，還為整個制造業(yè)輸出4.0的數(shù)字化制造的解決方案，包括驅(qū)動產(chǎn)品的研發(fā)、協(xié)同創(chuàng)新、工作流管理、簡化制造流程、智能設(shè)計(jì)、仿真測試、制造優(yōu)化、3D打印、數(shù)據(jù)分析、客戶經(jīng)驗(yàn)等，從產(chǎn)品的全生命周期進(jìn)行制造流程的優(yōu)化和變革。
我們來看國內(nèi)的情況，國家戰(zhàn)略中，軟件、材料、工藝、加工技術(shù)等都被高度重視，國內(nèi)的工業(yè)級3D打印機(jī)品牌在設(shè)計(jì)端和國際軟件公司合作，而針對細(xì)分市場的行業(yè)需求，也在積極開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用型軟件，目前更多基礎(chǔ)工作集中在科研課題和國家重點(diǎn)項(xiàng)目上，在商用領(lǐng)域，目前中望的3Done在普及教育
目前來看，在增材制造這個食物鏈的頂端，應(yīng)該是設(shè)計(jì)軟件和材料公司，設(shè)計(jì)和材料決定了應(yīng)用的落地和規(guī)模化應(yīng)用。在產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，還能夠有硬件公司通過收購來盡可能的實(shí)現(xiàn)一定程度的系統(tǒng)集成，然而未來，專業(yè)化分工的趨勢下，更深層次的合作才是增材制造應(yīng)用落地的出路。
