深度剖析3D打印对模具行业带来的威胁、挑战与机会

模具是“万业之母”,主要应用在电子、汽车、电机、电器、仪表、家电和通讯领域。我国是全球主要的注塑模具和冲压模具生产国之一,主要应用在汽车、家电、消费电子、仪器仪表、航空航天和医疗器械等产品的加工成型。根据中国模具工业协会,我国模具产业冲压模约占37%,塑料模约占43%,铸造模(包含压铸模)约为10%,锻模、轮胎模、玻璃模等其他类模具占10%,与工业发达国家的模具产业结构基本一致。

增材制造-3D打印技术其中一个显著优势是在无需模具的情况下直接制造出零部件,随着3D打印材料的发展,增材制造质量控制水平的提升,3D打印技术正在从少量原型产品的制造,向最终零部件的批量制造方向发展。如果从这个角度来看,3D打印技术与模具制造技术似乎是一对矛盾, 3D打印似乎要让制造流程跳过模具这一个环节…

Valley_Mould_13D打印成就模具 vs 3D打印“跳过”模具
© 3D科学谷

block 变与不变之间的机遇

那么对于国内的模具制造企业,如何理性的理解3D打印对模具行业带来的威胁、挑战与机会?如何决策在“变”与“不变”中取得发展机遇的最大化?这就需要从“底层”逻辑中理解3D打印发展的运行逻辑与趋势,以及对模具带来的冲击的冲击力在何方?

从制造进化角度,宏观层面看,制造会逐步进化掉中间的冗余和繁琐的组装拼接,或许3D打印的终极发展会废除现在很多压铸、锻造用模具的存在,保留下来的是一些3D打印难以实现的超大零件或者是批量非常大零件的制造,那些必须通过传统方式加工才具备经济效益的零件所需的模具将得以保留。另外一方面保留下来的是跟电子、白色家电、日用品相关的注塑模具。无疑在朝向资源利用率更加高效、更加可持续发展的方向发展,这是支撑3D打印渗透到制造的方方面面的发展逻辑。

然而,从另一方面看,3D打印又使得模具变得更加重要了,譬如说米其林这家公司如此专注,做了这么多年的轮胎,为什么收购addup这家3D打印设备企业,米其林通过自己拥有3D打印技术来探索轮胎模具的制造,这其中的逻辑主要是因为3D打印成就复杂形状的能力,金属3D打印很好的解决了刀具干涉的问题,当复杂性与可制造性不再是困扰轮胎模具制造的最大因素的时候,3D打印很好的释放了轮胎产品设计迭代的便捷性,也催生了新型的轮胎制造能力。

Michelin_1© 米其林

例如通过3D打印技术,米其林设计出独特的雕塑系列轮胎,3D打印成为米其林轮胎取得竞争的决定性因素之一。

Michelin_2© 米其林

不过值得注意的是,米其林还反向布局了3D打印无充气轮胎的技术路线,这或许为将来轮胎的制造“跨过”模具这个环节埋下了伏笔。

Valley_Tie© 3D科学谷白皮书

国内,作为国内较早在轮胎模具制造领域引进增材制造的企业,巨轮智能目前已建成非金属(高分子复合材料)增材制造-3D打印生产线,用于生产轮胎模具基础模,一方面提升加工效率,另一方面节约材料、设备、刀具成本,具有一定的生产优势。

block 发展的底层逻辑

那么抬升一个维度来看,无论是成就更好的模具,还是跨过模具直接用于制造,3D打印得以迅速发展的底层逻辑是什么呢?根据ACAM德国亚琛增材制造中心,一方面,3D打印改变了制造逻辑。通常对于同一个产品来说,通过传统制造技术生产的数量越多,产品的单件成本也随之呈下降趋势;而对于3D打印-增材制造来说,单件成本与产量的相关性是独立的,这是在考虑可扩展性时需要考虑的因素。另一方面,关于产品的复杂性。通常在通过传统制造技术来生产零件时,产品越复杂,成本越高,企业则需要很昂贵的投资(包括新的模具,甚至是新的设备来实现);而对于增材制造来说,零件的复杂性与成本的相关性也是独立的,零件几何形状的复杂性通常并不会带来额外的制造成本。

从这两个逻辑角度看,3D打印这种带有鲜明数字化特征的技术,这意味着增材制造能够改变产品的生产方式是本质性的,不仅可以实现个性化,还可以实现功能化导向的制造。从产品发展的角度看,人类在利用大自然所赐予的资源方面,在朝向资源利用率更加高效、更加可持续发展的方向发展。而3D打印在材料利用的经济性上,材料的可回收方面无疑带来了划时代的改变,这也是这项技术是第四次工业革命的一项核心技术的底层逻辑。

例如,宝马德国在世界范围内首次将金属3D打印集成到汽车自动化制造工艺中,两条生产线其中一条在GKN在波恩的工厂,另一条在宝马集团在慕尼黑的工厂。项目的设计目标是通过自动化将人工活动从35% 减少到5%,3D打印金属零件成本降低一半以上。

从制造业的角度看待3D打印,很容易看到3D打印在汽车领域实现产业化面临着诸多的挑战,包括3D打印制造产品的最大尺寸,零件质量的一致性,适用于汽车行业的材料,满足汽车行业的制造效率,满足汽车行业的低成本挑战等,那么宝马汽车为什么要挺进3D打印的产业化领域呢?

这就类似于电动汽车刚刚发展的初期,很多人认为电动汽车无法像燃油车这样马力十足,电动汽车的动力和续航能力都存在致命的缺陷。然而,环顾能源发展的底层逻辑,人类在地球上繁衍生息着么多年,目前所赖以生存的很多能源总有一天会使用殆尽,而能带给持续供给的最可靠的能源是太阳能,太阳能能够转化的是电能,这也是电动汽车势必会取代燃油车的底层逻辑。

根据ACAM亚琛增材制造中心,3D打印-增材制造受制于高成本、高材料价格、高手动工作量、低生产效率、设备之间沟通不畅、端到端的质量保证缺乏一致性等等问题,这些制约因素导致增材制造很难进入到汽车的产业化全自动生产线的形态。

而宝马的这个案例中,开发了一条能够在计算机控制下自行执行所有工作步骤的生产线。通过这种方式,组件可以自主设计、生产和返工。甚至使用的金属粉末也会自动回收。无人驾驶运输系统在生产线的各个模块之间移动原材料和最终产品,这些机器由一个中央控制单元协调,来自各个生产线模块的所有生产数据都在其中汇集。

由此可见,3D打印将对传统制造模式带来很大的冲击,业界必须清醒的看到这一点,认可3D打印技术带来的颠覆潜力,才能更好的抓住机遇。业界需要认知到3D打印技术不是噱头,3D打印技术之美,美在让人类创造财富、创造美好生活的方式更加可持续。

那么3D打印对模具带来的机遇又是什么呢?这需要来理解3D打印用于产品的制造在模具哪些层面上正在增加制造附加值的发展逻辑。

根据3D科学谷的《3D打印与模具行业白皮书》,3D打印目前可以用于制造塑料产品,这对注塑模具存在一定的冲击,然而3D打印另外一方面正在成就更好的注塑模具。包括米其林金属3D打印子公司Addup也在规模化部署随形冷却模具制造技术,3D科学谷在《3D打印模具的价值怎么衡量?》一文中,分析了3D打印技术随形冷却模具中容易被模具制造用户所忽略的价值,包括材料的节约,后期机加工过程中对刀具磨损的减少,以及对机床占用成本的降低等等。因此,衡量模具的价值也从单纯评估模具的价格,转变为全生命周期的评估(包括模具3D打印生产,后处理加工,注塑过程模具寿命,注塑成功率,产品质量等等),这里面包含了3D打印所创造的附加值考量。

无疑,3D打印是天然的价值放大器,这对于模具企业的转型升级带来了机遇,国内目前也出现了通过3D打印迅速获得发展的模具企业,例如深圳德科。当然,在3D打印的模具方面上,由于没有增材专用夹具,业内普遍使用人工调校工件水平度、手动找中心点的方式,而这一环节又十分依赖于人员的熟练程度并受工件大小及复杂程度的影响。在这方面,业界可以向富有经验的企业寻求解决方案,例如GF加工方案还在华东、华南以及西南各区域建立了模具 3D 打印创新平台,平台中汇聚了模具头部企业、材料供应商、注塑机厂家等等,从而促进模具制造上下游企业之间的深度合作。

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block 百花齐放的发展机会

不仅仅是随形冷却注塑模具这样典型的案例,也不仅仅是轮胎模具这样颇为细分的应用,3D打印在模具领域的应用正在呈现出百花齐放的态势。

另外一个案例是在鞋底模具生产过程中,3D打印技术相比传统制鞋工艺更智能化、自动化,具有省人、高效、精准、灵活等优势。

Valley_Shoes© 3D科学谷白皮书

传统制鞋市场,鞋模的制作从设计到一双成品鞋模需要经过编程、CNC、机械加工、修模、试模、咬花等工序,加工工序较复杂,3D打印一键式操作,可直接提取鞋模三维数据,经过简单的加支撑及切片处理导入3D打印机,待打印完成即可得到鞋模,不论鞋底花纹及表面精细度都贴合三维数据满足应用需求。3D打印技术极大简化了生产流程,降低了产品综合成本并加速了产品线的优化迭代。应用的优越性在生产制造过程中得以充分体现。在这方面,国内Uniontech3D-联泰科技的3D打印系统将图片转换成皮纹贴于三维数据上,精细花纹连同整个鞋模一体打印出来。精细度高,成品表面质量好,缩短了生产制程,降低了成本。

成本和产品的差异化一直是企业竞争的核心因素,新的生产方式如何为企业的产品差异提供帮助,如果企业能够充分利用3D的打印所带来的创新的能量,就一定能在市场中占据优势地位,而对于模具企业来说,懂得取舍,懂得聚焦,在聚焦的基础上利用3D打印实现高附加值模具的制造,将是另外一条上升路径。

知之既深,行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络,3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析,请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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