3D打印应用领域与主要企业

3D打印应用领域与主要企业



  3D打印经过30年的发展,已经形成了一条完整的产业链。产业链的每个环节都聚集了一批领先企业。上游涵盖了扫描设备、逆向工程软件、在线社区、CAD软件、数据修复和材料,解决了3D打印的数据和材料来源;中游以设备企业为主,这些企业大都提供材料和打印服务业务,在整个产业链中占据主导地位;下游打印服务是行业发展到一定阶段才出现的商业模式,该环节介于中游和下游之间,负责衔接3D打印与下游行业应用。从专业级别划分来看,企业大多数集中在工业级领域。

  制造业

  在3D打印发展之初,其应用仅局限在原型制作或工艺品打印。随着3D打印技术的日趋成熟,在汽车、航空、医疗、教育、电子消费品等领域有了更为广泛的应用。其中3D打印在航空和汽车领域的发展已经比较成熟,而生物医疗则成为了最近3D打印研究的热门领域。

  汽车行业

  汽车制造商可以算作是增材制造技术的最早使用者之一,过去几十年汽车制造商多将3D打印技术应用于小批量原型制造。最近几年,各大汽车制造商开始加大3D打印技术使用步伐,向更高价值的应用转变,3D打印在汽车行业的应用正在从用于最终检查和设计验证的相对简单的概念模型,演进到用于测试车辆、发动机和平台的功能性部件。目前,汽车行业是3D打印的原型零部件的主要生产者,每年汽车行业将生产超过10万件原型零部件和添加制造的模具。

  航空航天

  3D打印技术特别是金属直接快速成形工艺成为航空航天领域的应用热点,其优势体现在生产周期短、生产成本低、减重(轻量化)等方面。

  由于航空航天设备所需要的零部件往往都是一些需要单件定制的小部件,如果运用传统工艺制作势必会存在制作周期过长、成本过高的问题。3D打印工艺制造速度快,成型后的近形件仅需少量后续机加工,可以显著缩短零部件的生产周期,满足对航空航天产品的快速响应要求。3D打印加工过程的材料利用率很高,成形过程无需专用模具、工具和夹具,可以节省制造航空航天装备零部件所需的昂贵原材料,显著降低制造成本。

  金属零件直接成形时的快速凝固特征可提高零件的机械性能和耐腐蚀性,与传统制造工艺相比,成形零件可在不损失塑性的情况下使强度得到较大提高。如由激光快速成型技术打造的一次成型钛合金的承力能力比普通锻造、焊接强上近30%。

  同时,3D打印拥有良好的设计灵活性和加工柔性。3D打印工艺能够实现单一零件中材料成分的实时连续变化,使零件的不同部位具有不同成分和性能,是制造异质材料(如功能梯度材料、复合材料等)的最佳工艺。航空航天装备的零部件由于工作环境的特殊性通常对材料的性能和成分有着严格甚至苛刻的要求,大量试用各种高性能的难加工材料,而3D打印技术可以方便地采用高熔点、高硬度的高温合金、钛合金等难加工材料。

  医疗行业

  目前医疗行业3D打印技术的应用主要有以下几方面:一是无需留在体内的医疗器械,包括医疗模型、诊疗器械、康复辅具、假肢、助听器、手术导板等;二是个性化永久植入物,使用钛合金、钴铬钼合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材料3D打印骨骼、软骨、关节、牙齿等产品,通过手术植入人体;三是3D生物打印,即使用含细胞和生长因子的“生物墨水”,结合其他材料层层打印出产品,经体外和体内培育,形成有生理功能的组织结构。

  体外医学模型

  3D打印模拟器官可以用来检测药物效果,一方面有利于缩短临床药物研发周期,另一方面可以避免潜在的人体试验损害,极大地节省新药的研发费用。构建3D模型在手术设计、操作演练等方面具有广阔的应用前景和极高的应用价值。器官或组织的3D医疗模型,能够将器官或组织内部构造的细节逼真地显示出来,使得医学知识变得更加直观明了。这种技术已在整复外科、口腔科、眼科等领域中的颅骨修复、下颌骨修复正形等方面发挥了积极作用。

  3D打印通过复杂建模可造福外科手术。医生在手术前可以在患者体外再现体内实际模型,可以通过反复利用模型进行实验分析,从而减少在真实手术中的效率和风险。例如,北京阜外医院主要将这一技术应用在心血管介入手术方面,与比利时的3D打印服务商Materialise合作,在手术前提前模拟打印出心脏模型进行精准化训练,从而大大提升手术的成功率。这种方法对于先天心脏缺陷的婴儿好处明显,因为婴儿的器官相对弱小,手术就必须有更充分的准备,也必须非常精细。

  定制化医疗器械/组织工程

  3D打印技术在助听器、假肢制造、康复辅具、骨科手术个性化导板、人工关节、人工外耳和个性化种植牙等方面已得到了广泛应用。运用3D打印技术设计和制作的助听器可满足个性化需求。利用3D打印技术制造出的假肢也更加符合人体工学。应用金属打印制作的多孔钛结构,生物学表现特性更加合理,具有轻量化,更加符合人体工程学,从而克服了传统制造工艺的限制。

  传统牙齿修复过程相对复杂,难以保证精度,返修率高、制作周期长。将3D打印技术运用到义齿修复中已经成为牙科领域广泛应用的技术,降低了义齿修复成本,缩短了制作周期。此外,3D打印在骨科的应用可实现低成本假肢打印。

  人工器官和组织

  3D打印技术不仅能够打印医疗模型、医疗器械,还可以根据患者需要打印出相应的器官。

  3D生物打印使用含细胞和生长因子的“生物墨水”,结合其他医疗材料层层打印出产品,经体外和体内培育,形成有生长能力功能的组织结构。这项技术的推广与使用有望解决全球面临的移植组织或器官不足的难题。

  美国圣迭戈Organovo将细胞用作“生物墨汁”,通过3D打印程序制成活性人体组织片,已成功打印出心肌组织、动脉血管等。爱丁堡赫瑞瓦特大学开发了一种基于瓣膜的双喷嘴打印机,配有两个“墨盒”,一个装着浸在细胞培养基中的人体胚胎干细胞,另一个只有培养基。使用这一打印机可打印用于组织再生的首例人体胚胎干细胞以及其他活细胞的打印。所研发的3D打印机通过控制实现精确打印速度和墨水流量。

  药剂

  3D打印可制造靶向药物运输超微机器人。在人体内精准运输药物的机器人可以用来提升太近微创手术、靶向用药、远程感应和单细胞操控技术的效果和水平。

  通过3D打印技术实现的微型机器人被设计成“鞭毛”的类似物,这样可以更好地被数字化操控,从而灵活地将药物送达到人体各部。FDA批准了美国Aprecia制药公司首款采用3D打印技术制备的“左乙拉西坦速溶片”上市。这种药采用Aprecia公司的ZipDose3D打印技术生产,内部呈现多空状,内表面及高,可在短时间内被很少的水融化,用分层打印制备药物制剂取代传统的压片技术,使得含水流体将多层粉状药剂结合在一起。

  主要企业

  3D打印的核心专利大多被设备厂商掌握,因此在整个产业链中设备厂商占据主导地位。随着专利陆续到期,设备厂商的地位必然会受到冲击。近年来,3D打印行业整合加剧,其中以3DSystems和Stratasys的整合路径最具代表性。3DSystems采取上下游并购路径,并购对象包括服务商、软件公司、材料和设备厂商。Stratasys的整合路径以横向整合为主,如与Objet的合并和收购MakerBot。通过一系列的整合,设备企业转变为综合方案提供商,加强了对产业链的整体掌控能力。

  全球3D打印两大巨头3DSystems和Stratasys生产了全球半数以上的打印机,并在近几年通过兼并收购其他3D打印企业不断扩大规模。另外,一些企业(如EOS、Envisiontec等)在各自擅长的领域也有突出表现。除了这些企业,市场上还有许多提供3D打印服务的中小型企业。

  3DSystems

  3DSystems公司由3D打印技术的发明者查尔斯·赫尔成立于1986年,位于美国南卡罗来纳州罗克希尔,以立体光固化成型技术(SLA)起家。在此后的二十几年中依靠基础专利的优势,通过并购形成了覆盖打印材料、打印设备和打印服务领域的全产业模式。

  近年来3DSystems已经逐渐摆脱了业绩亏损的状况,进入了盈利增长时期。自2009年以来,公司营业收入均保持20%以上的增速,2014年,公司营业收入达到6.54亿美元,净利润达到0.18亿美元。目前在全球范围内拥有近900名员工。

  在外延并购方面,3DSystems动作频频。在过去的四年中,3DSystems公司已经收购了超过45家公司,总金额达到5.2亿美元。2014年,公司通过收购Cimatron、Simbionix、LayerWise、LaserReproductins等公司开始进军仿真、航空航天以及医疗等领域。2015年3DSystems收购了无锡易维,加紧了其在中国3D打印市场的布局。另外,通过收购BitsfromBytes(一家普及型打印设备提供商),3DSystems也成为消费者使用的个人系统的领先供应商,其产品广泛应用于教育等领域。

  3DSystems是全球领先的3D打印解决方案提供商。3DSystems提供不同种类的产品。个人产品如Cube、BfB、RapMan系列,入门级专业打印机V-Flash,专业打印机Projet和Zprinter,以及基于SLA、SLS、SLM技术的工业用打印机等。其技术优势包括概念建模、快速原型设计及制造等。3DSystems提供7种3D打印解决方案,包括光固化快速成形和激光烧结、聚合物成型以及用于个人打印机技术FDM等。公司在3D打印领域拥有超过1100项专利,材料包括塑料、蜡、尼龙、金属等100多种材料。

  3DSystems产品和服务的一个重要发展是其“创作工具”。3DSystems率先引入了基于网络和基于软件的工具来简化3D产品的创造。通过对Vidar的收购,3DSystems成为创建三维数字化医学影像的领导者。同样的,通过对MyRobotNation的收购,公司迅速打入消费产品领域。

  3DSystems经营两个按需生产零件服务:ProParts和Quickparts。在按需打印方面,3DSystems提供Quickparts和ProParts服务。3DProparts是一家提供快速成型制造和服务的企业,其服务包括定制支持和项目管理等,于2009年被3DSystems收购。QuickParts于2011年2月被3DSystems收购,是一个小批量的生产商。

  Stratasys

  Stratasys由ScottCrump于1989年在美国明尼苏达州成立,并于1994年在纳斯达克上市。Stratasys专注于熔融沉积成型(FDM)技术的研究及开发,并成功打造出Dimension、uPrint和Fortus三个品牌。其中,Dimension凭借高性价比,成为全球最畅销的3D打印机系列之一。与3DSystems相同,Stratasys的营业收入也在近年来保持快速增长,2014年公司营业收入达到7.5亿美元。

  Stratasys在近4年来的并购浪潮中同样大动作频出,如以14亿美元收购以色列3D打印系统提供商Object公司;以4亿美元收购桌面级3D打印设备生产商MakerBot;1亿美元收购CAD设计师社区Grabcad。随着各类企业的并购,Stratasys的3D打印领域全产业链在不断完善。

  Stratasys主要经营3D打印设备和打印材料,这两项合计占其收入的85%。公司的3D打印设备包括理念系列、设计系列和生产系列三个级别,同时公司还制造专门用于牙科的3D打印机。在打印材料领域,现在能够生产超过130种的打印材料,其中包括100种的光聚物和10多种的热塑性塑料打印材料。

  ExOne

  Exone也是3D打印全产业链企业,成立于2012年,使用麻省理工学院提供的粉末喷墨三维打印(Inkjet3DP)。主要提供两种打印机,分别使用沙子和金属材料,可以完成较大尺寸产品的制作。该公司的3D印刷机器能够制造压铸模具和特种石英砂、陶瓷的铸造产品。

  Exone公司共有两个系列的产品,分别是S系列和M系列。S系列的产品主要用于工业生产,生产浇铸所用的铸型,代表性的产品有SMax、SPrint。M系列的3D打印机主要用于直接打印可以使用的零件或是终端产品,代表性产品为MFlex和MLab。前三者都是工业用打印机,MLab是科研人员专用的打印机,属于专业用途。

  Exone主要的客户集中在航天、汽车、重型设备、能源等行业。该公司还提供耗材和零件、服务、培训和技术支持,通过位于美国、德国、日本的生产服务中心(PSCs)来对其客户进行生产前合作与定制服务。

  RepRap

  RepRap是一种三维打印机原型机,它具有一定程度的自我复制能力,能够打印出大部分其自身的(塑料)组件。RepRap是(replicatingrapidprototyper)的缩写。

  这种原型机从软件到硬件各种资料都是免费和开源的,都在自由软件协议GNU通用公共许可证GPL之下发布。

  至目前为止,RepRap项目已经发布了四个版本的3D立体打印机:2007年3月发布“达尔文”(Darwin),2009年10月发布“孟德尔”(Mendel),2010年发布“PrusaMendel”和“赫胥黎”(Huxley)。开发者采用了著名生物学家们的名字来命名,是因为“RepRap就是复制和进化”。

  由于机器具有自我复制能力,能廉价地传播RepRap给个人和社区,使他们能够创建或下载来自互联网的复杂的产品,而不需要昂贵的工业设施。

  Arcam

  瑞典Arcam公司成立于1997年,在斯德哥尔摩证券交易所上市,公司是唯一使用电子光束溶解法(EBM)技术的增量制造公司,2003年3月第一台EBMS12机器上市,随后推出基于EBM技术的改进机型。

  Arcam为市场提供EBM的完整生产链,包括打印机、系统服务和金属粉末销售。Arcam还与美国DiSanto技术公司合作,致力于骨科植入物(OrthopedicImplants)市场。OI产业可分为三部分:重构、外伤手术和脊柱手术。

  目前,Arcam上市的打印机有ArcamA2X、ArcamQ10、ArcamQ20,ArcamA2X主要应用于航空航天领域,应用材料是钛和铝化钛;ArcamQ10则是针对于OI市场,而ArcamQ20则是在前者基础上,加大制造空间以适应在航空航天上的应用,二者均具备有电子枪、eLayerQamTM系统。

  其他

  EnvisionTec在2002年成立于德国马尔,负责Perfactory系列和Bioplotter系列产品的研发和制造。EnvisionTEC采用DLP快速成型系统,其Perfactory系列设备在全世界助听器定制领域成功占据60%以上的装机量,以及珠宝首饰市场50%以上的装机量。

  德国EOS于1989年成立,是选择性激光烧结SLS技术3D打印全球领导厂商。公司专注于航空航天、医疗和汽车行业高端精密零部件的制造。其客户涵盖了空客、波音等航空企业,也包括了宝马、保时捷等汽车业巨头,同时还在人造骨骼、细胞清洗系统等生物应用领域开发应用其产品。


 


  来源: 《计算机世界》2016年第02期



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