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3D打印对航运业的影响

3D打印对航运业的影响

阿法牛AlphaBull

徐剑华 陆天丽 编译

现在说这个可能为时太早,但是3D打印可能会重塑一些传统的供应链。3D打印的使用正在变得广泛,并且运输业也正在注意它。

3D打印的广泛应用将影响运输业

与传统制造业的切、割、削、刨、雕、刻等“减材”加工方式不同,3D打印是不断堆砌的“增材”加工,所以又称为“增材制造AM)。因此,3D打印增材制造这两个术语可以互换。3D打印机打印出的金属或塑料块铸造,建立塑料或金属薄层,薄层可以细分到人类头发丝的直径,从而做出一个个物体。

由美国联合包裹公司(UPS)所做的一个高科技经营者的调查显示,4%的企业在使用这项技术,12%的企业在试验这项技术。

在那些使用3D打印机的公司中,75%的公司将3D技术部署在设计程序中,55%的公司用在样品中,34%的公司用在成品中,24%的公司用在生产备品中。

被很多人视作增材制造“圣经”的《沃勒斯报告》(Wohlers Repor)已出版到第二十版。据该报告称,这个生意在过去五年中翻了两番,达到了大概全球41亿美元,这些都是直接与3D打印有关的产品和服务。

据另一家研究公司科纳仕(Canalys)估计,20173D打印机的全球市场市值为102亿美元,比2016年的69亿美元成长了48%2019年将达到210亿美元,这些数据都包括材料和服务。

领导UL (Underwriting Laboratories),承保实验室)3D打印技术开发工程师保罗·贝茨说,他的公司和许多业内专家都觉得增材制造行业在接下来的几年里的整体年均成长率将在30 %-40%之间,在2023年达到约800亿美元。

贝茨说:“我们认为所有行业都对3D打印技术产生兴趣。航空航天、汽车、医疗、消费产品是早期采用这项技术的一些行业。大多数关键的制造商在过去的20年一直将它用作试生产和原型。大规模定制的可能性对所有片段的制造业的影响是肯定的。”

沃勒斯联合公司总裁兼首席顾问泰利·沃勒斯说:“我们估计增材制造行业的市值在未来五年里将翻两番。我们真的没有看到任何会减缓这项技术成长的因素。这是一个全新的行业。自1988年以来,就获得了我们过去从未见过的更多的牵引力、媒体的关注和大量的投资。政府、私营企业、大学、研究机构、个体和机构投资者都想在某种程度上进入这个领域。这些都以一种我们前所未见的方式在推进。所以我们十分乐观,并且预期将来十年会兴旺。”

2015年就有49家公司生产出了工业级别的3D打印机,价格范围从5,000美元至100万美元。有300家公司生产出了低成本的桌面式计算机。大多数公司生产产品使用塑料,但是越来越多的公司用金属或者其他材料来制造,比如陶瓷或甚至是生物材料,现在打印机可以用来打印人体组织。

3D打印的广泛应用将从以下几个方面影响运输业:

运输公司可能使用3D打印机来支持他们的运作。

公司能够创造服务来迎合3D打印机用户的需求。

• 3D打印机所用的原材料可能成为一项重要的物资来运输。

使用3D打印机可能导致产品生产商能更贴近消费者,或许会减少一些产品的运输需求。

马士基与3D打印

一个考虑使用3D打印机支持自己运作可能性的公司是马士基。原来在马士基集团旗下的油轮公司调查研究了使用这些设备来制造备件的可能性,想法是将打印机放置在一艘油轮或一个石油钻井平台上。需要某一个部件时,可以加载一个计算机文件到一台3D打印机上。几个小时后,所需要的部件就可以在船上制造出来。这种设想是很吸引人的,因为备品海上交付的物流很复杂并且价格高昂。

此外,船舶或钻机是一项造价昂贵的资产,停工待时的成本十分高昂。据rigzone.com网站在810日估计,能够在水下4000英尺钻孔的钻探船日租金是51.1万美元;能够在相似深度运行操作的半潜式钻机日租金是43.1万美元。

美国海军同样也在研究使用3D打印机的使用,并且美国海军使用打印机已经生产了无人飞机的备品备件。壳牌公司已经使用了打印的石油钻机部件。英国劳氏船级社的能源部门也在研究3D打印机的使用。

马士基在它的公司杂志特写了这项技术,一位名叫马库斯·库恩的采购经理解释说,这项技术的主要吸引力之一就是“我们船队的三分之二都是即期贸易,所以客户租用船舶时不是很准确地知道货物会在哪里卸除,比如,可能在从委内瑞拉到休斯顿的任意一个地方卸货。”

考虑到印表机运行细微的公差精度要求,在波涛汹涌的大海上打印零件可能是极具挑战性的。但即使他们在附近的一个港口服务中心打印,和将一个零件空运大半个地球的时间和成本相比仍然是具有吸引力的。

然而,马士基的一位发言人说:“我们还未做出关于进一步采取创新举措的任何决策。”

工业质量级的3D打印机会很昂贵,特别是那些使用金属做成的产品,每个成本最高可达100万美元。

然而,公司即使没有这种机器仍可以使用这种技术。有成千上万的服务机构或企业为其他公司制造零件。

3D打印机制造个体化牙冠、假牙和支架产品的新机遇

一些物流公司对这些新的打印需求作出了响应。

联合包裹公司(UPS)已经在它的很多零售地区安装了打印机。一个叫做CloudDDM的公司已经在靠近UPS的世界港枢纽——肯塔基州的路易斯维尔建立了拥有1003D打印机的工厂。

CloudDDM的一位发言人说,随着生产技术的创新,在UPS园区的协同定位允许使用者在晚上某些情况下上传一个产品的设计,并且在第二天早上由UPS交付。

UPS说:“ CloudDDM的解决方案将会全面融入我们的服务组合,包括物流服务部分和我们的‘次日空中网络’(Next Day Air network)。增材制造业已经露面了一段时间了。但是现在只是在工业规模方面运行并且维持一个速度,这个速度将加强和改造制造业。”

设想业务分布在全国甚至世界的企业都会喜欢讨论新产品的设计。它能让CloudDDM或类似的公司做一个原型,然后将之运回自己的办事处,甚至供货商可以在电话会议上讨论。

沃勒斯说,即使是只有两个员工的小公司也能在一年之内生产出10万个技术样品。他说: 显然,许多年前,这些都是手工的,并且你如果能在一年之内由两个人生产出5%的技术样品已经是很幸运了。

3D打印机也正在被广泛使用来制作建筑和教育模型。

增材制造业(AM)在医学领域已经得到广泛应用了。医学小组在做复杂手术之前使用扫描仪来做模型。咨询顾问劳伦德·伯杰说,增材制造“占领了牙冠和心脏支架市场的巨大份额。在3D打印机上制造出来的牙冠、假牙和支架的数量已经达到3000多万件。据专家估计,3D打印机每天能生产1万颗假牙。

尽管增材制造被广泛应用于上述这些定制产品中,但是沃勒斯说,增材制造在制作批量产品中正在被越来越多地使用。

去年3D打印总花费中大约42%用于批量产品制造,而且这个成长曲线是指数型成长。当然它不会达到100%,因为许多公司将会继续使用3D打印机来制造样品、工具、钻井头、切割导向、模板和视觉模型等定制产品。

飞机座椅安全带带扣重量减轻的经济效益

3D打印技术最明显的采用者之一是通用电气。通用电气已经开始使用3D打印机制造技术为跳跃喷气发动机制造燃料喷嘴。每个引擎上需要用十八个雾化空气/燃料混合物的喷嘴,而通用电气拥有超过9500个跳跃引擎订单。该公司正在探索使用3D打印机制造跳跃引擎的其他组件,该引擎将由通用电气和斯奈克玛(法国赛峰集团子公司)的合资公司CFM国际公司生产。

采用这项技术可以使喷嘴的重量减少25%,增材制造使使用寿命增加了5倍。通用电气说3D打印允许工程师使用一个简单的设计将铜焊和焊接件的数目从25个减少至5个。

沃勒斯说,减少备件的数量是极其重要的,因为飞机的每一个部件都伴随着大量的文书工作和认证。

通用提到它有兴趣使用不同的金属合金来进行增材制造——钴、铬、镍、各种不锈钢、钛和铝合金。

3D打印有可能合金制造高度复杂的形状和重新设计的产品以便于它们可以更轻,有时候会出现令人惊讶的结构。

一个由七家公司组成的名为“抢救工程”(Saving Project)的财团说:一个传统的飞机座椅安全带钢质带扣重155克,如果由铝制成的话重120克。用一台3D打印机制成钛制的话,能够减轻77克。在一架空客380客机上有853个座位,与钢质带扣相比能节省66公斤重量。

由于燃料消耗减少,一家航空公司在一架飞机的使用寿命期内可能会节约200万欧元(220万美元)的成本。

材料的革命

今天,大部分的3D打印都是使用高分子材料,而不是塑料。沃勒斯说,去年花费在3D打印机上的材料大约为6.4亿美元,金属聚合物和其他材料,包括陶瓷大约花费4.6亿美元。

其中大部分(大概2.98亿美元)是花费在光敏树脂(是一种照射到紫外线就会变硬的液体)上的,还有1.6亿美元是花在热塑性塑料(加热后会软化)上。

沃勒斯说,光聚合物的优点是处理方便,完成了很好的表面光洁度和功能细节,然后你可以画它,它看起来像一个成品。

热塑性塑料的东西,比你车的内饰和我们今天使用的大多数东西都更耐用。

大部分的热塑性塑料以长丝的形式出售,储存在卷轴并被送入打印机。然而,德国雅宝(Arburg)公司通过注塑成型设备,使用标准的颗粒材料已经做出了3D打印机。

雅宝发言人说:“使用者不需要特殊的材料,只要使用他习惯的一种材料就行。价格的差异大约百分之几。”

UL估计,2013年全部的原材料市场大概超过5亿美元,估计每年持续成长30%

虽然3D打印机的材料正在快速成长,但是大部分都是以小批量销售的纸箱或桶包装,而不是集装箱装运。

透明度市场研究公司(Transparency Market Research)的分析师梅哈拉托德说,广泛使用的塑料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯和聚氯乙烯(PVC);最常用的金属粉末是钛、铝、镍、不锈钢、铜和各种合金。

透明度组织发表的报告《2014-2020年全球3D打印材料市场行业分析:规模、份额、成长,发展趋势及预测》估计3D打印机60%的材料是塑料,25%-28 %是金属,最常用在汽车工业中。

200万吨被消耗材料的重量分类,估计其中97万吨为塑料,其余大部分是金属粉末。

如果这些听起来令人鼓舞的话,那么把它同整个树脂产业相比较就会看出它的前景。据美国化工协会估计,2016年美国已生产了1080亿磅,或者说4900万吨塑料,而欧洲欧洲塑料协会估计,去年全球塑料总产量为2.99亿吨。

同样,金属粉末工业联合会(MPIF)说,仅在北美就生产了499,214吨金属粉。美国产量约占全球产量的40%。金属粉末是细粒度的,与滑石粉极其相似。

MPIF的行业关系副总裁杰姆斯·戴尔说,大量金属粉末是装在5000磅的散货袋子里运输的,相当于一个托盘的承载量。但是如果你去了一个增材制造车间,你可能会发现20加仑瓶装的或1加仑罐装的金属粉末涂料。

许多3D金属打印机在一个称为“粉床融合”的过程中使用金属粉末。一层精细的金属粉末被放置下来,用激光把粒子融合在一起。然后沉积一层新的粉末,并将该过程重复数千次来创建一个零件。

还有使用金属的其他方法,一家名叫MX3D的公司计划在阿姆斯特丹的运河建造一个24英尺宽的步行桥,由机器人用焊接来安装。

雅宝说:“塑料加工市场正在发生变化:产品生命周期短,增加变异的多样性和个性化产品的需求导致越来越需要高质量的零件,用以生产一次性物品或小批量个性化的批量生产的物品。”

上述这些趋势可以有利于3D打印的发展。

对集装箱航运业的正面和负面影响

2015年,丹麦一家航运银行Skibskredit银行警告说,由于3D打印机的发展,中间产品和零部件对供应链的要求更加严格,交易次数更少,货物行驶距离更短。

但是在给3D打印产业提供服务的同时,可能在一定程度上也是交通行业某些分支行业的一个令人兴奋的机会。但是整箱和零担卡车运输行业可能不会很快受到影响。

沃勒斯说:“如果你做软饮料的杯垫、垃圾桶或花盆,你可能不会使用3D打印,因为它们的成本很低,复杂性不高,它们通常很简单并且量很大。”

UL的贝茨说:“我们觉得,随着增材制造技术逐渐被制造业所全面接纳,这项技术将继续发展成长。我们不认为它将取代传统的制造业,它将发挥一个支持的作用,并在我们如何使产品向前发展方面提供一种额外的选择。这项技术越是被接受,对这些原材料的需求就越大。随着当前的需求得到满足,以及新技术应用可行性的扩大,新材料的选择范围也将不断扩大。

贝茨说:“我们认为,增材制造技术会在研制更小的迷你(mini)工厂的成品开发上影响航运。这些工厂将会更地区化或者选址更本地化。这些迷你制造业将会是整个制造业在这个领域获得发展的一条途径。这个将如何影响整个航运还仍然有待观察,但是要记住,原材料将通过海运送到这些工厂,就像成品的传统道路一样。”

美国政府审计办公室(GAO)的首席科学家提摩西·佩圣士说:“这可能是影响资产大规模更新的一种技术。这里所谓的‘大规模’并不意味着75%或一些巨大的数字,它只是意味着它将是超越仅作为样品的领域。”

佩圣士并不是把增材制造技术作为取代传统的制造业的一项技术,只是在某些情况下,比如在生产效率较低的场合,或者所需要的产量较少而设计的复杂性和难度却很大的某些产品。与此相反,具有规模经济性的大批量产品的制造还是适用传统制造技术。

但是他说:“随着单位产品价格下降,质量控制的问题得到解决,材料标准化,以及材料的基础扩大,3D打印机变得更加能干,然后你会看到一些变化,虽然我不认为这会发生在一夜之间或以一些激进的方式。”
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