3D打印將顛覆制造業(yè)，曾成為很多重塑產(chǎn)業(yè)發(fā)展擁躉的共同信仰。但是國內(nèi)發(fā)展近十年，3D打印依然存在工業(yè)制造上的成本、效率難題。升華三維在尋找3D打印出路的迷途中，堅定地選擇了有別于主流的間接3D打印，即將3D打印與粉末冶金相結(jié)合的路子。
3D打印自從2013年在國內(nèi)大火兩三年后，尤其在工業(yè)端的商業(yè)化應用方面，至今仍是“猶抱琵琶半遮面”的狀態(tài)。是什么在掣肘3D打印在制造業(yè)的發(fā)展？在工業(yè)應用中備受國內(nèi)企業(yè)青睞的金屬3D打印之外，是否還有其他路徑能夠撬動這塊市場呢？
深圳升華三維科技有限公司（簡稱“升華三維”）CEO吳敏正是其中一位主流金屬3D打印技術外的異見者。
職業(yè)生涯的“救命稻草”中南大學粉末冶金研究院，被譽為國內(nèi)粉末冶金專業(yè)的“黃埔軍?！?。在此完成本碩連讀學業(yè)的吳敏，2013年畢業(yè)后直接進入深圳富士康工作，被應聘進入材料研發(fā)部門進行跟碩士研究方向一致的新材料開發(fā)。那時的他，萬萬沒有想到，這個新材料開發(fā)方向還沒開始就在公司內(nèi)部給砍掉了。
2013年左右，3D打印在中國成為備受業(yè)界矚目的一種新技術路線。彼時，吳敏所在部門領導深受啟發(fā)，便提議讓粉末冶金出身的他對金屬3D打印技術及粉末制備進行調(diào)研。“那時候，我也是看到竟然有金屬3D打?。ê苷痼@），再深入了解這個技術后，就像打開了一扇新的窗戶?！鄙罡嗄辏瑓敲艨偨Y(jié)道，其實金屬3D打印就是粉末冶金的一個分支。
剛剛接觸3D打印時，吳敏簡直到了瘋魔的地步。在網(wǎng)上搜羅繁浩的資料一頁頁研究，甚至將自己到手的一大半工資都花費在購買研究3D打印的設備和材料上，從當時最簡單便宜和流行的熔融沉積成形（FDM）熔融擠出技術入手。“2013年的時候，這個東西還很貴，塑料3D打印的材料就需要300500元/卷/公斤?！钡?，沉迷于此的吳敏顯然是樂在其中的，他分享說“經(jīng)常會跟大學同學交流，3D打印很神奇，而金屬3D打印更是我們粉末冶金的未來，讓他們一定都要來關注。”
沒過多久，因為部門項目調(diào)整，吳敏已經(jīng)被調(diào)往新的部門。領導指派他調(diào)研金屬3D打印的命令也有些不了了之，但是開始沉迷3D打印的吳敏，自己并沒有放棄研究的興趣，他一邊認真做好本職工作，一邊在業(yè)余時間進行鉆研。受到專業(yè)研究方向被砍的打擊，以及深感不能在新部門充分發(fā)揮自己的專長，吳敏意識到“機緣巧合下，金屬3D打印就像（自己職業(yè)生涯的）一根救命稻草”。
恰好2013年2014年，3D打印概念在中國大火。而縱觀國內(nèi)，彼時這個行業(yè)尚處于拓荒期。資本熱錢涌入，掀起一股投資熱，但實際來看，真正在從事實業(yè)的有技術沉淀的公司當時也尚在發(fā)展初期。比如至今被資本市場奉為“金屬3D打印龍頭”的科創(chuàng)板上市公司鉑力特才起步發(fā)展兩年，尼龍3D打印引領者華曙高科也還在摸索自己的技術路線。
“當時從富士康出來后，我就想著去金屬3D打印的公司積累經(jīng)驗。但是當時深圳沒有本土的原創(chuàng)性的金屬3D打印公司，我只好去了塑料3D打印公司?！眳敲舯硎?，“但是當時我內(nèi)心非常確定自己的終極目標就是金屬3D打印?！?/p>
當時市面上已知的激光金屬3D打印有“三大件”：激光器、振鏡系統(tǒng)、操作軟件?！昂诵亩贾饕趪?，而且價格都特別貴。打印尺寸在250mm×250mm×300mm的進口設備要到500多萬人民幣，打印的不銹鋼材料每公斤就需要2000多元?！?/p>
從技術角度來看，吳敏認為，金屬3D打印一定存在有區(qū)別于高昂成本的激光束打印路徑的其他技術路線。他跟自己粉末冶金專業(yè)的同學經(jīng)常一起思考、討論，并且動手打印、摸索。在一次頭腦風暴中，吳敏意識到，塑料也屬于一種高分子材料，是否可以嘗試用塑料與金屬粉末摻雜后，用3D打印先給產(chǎn)品成形，然后再利用粉末冶金工藝進行燒結(jié)呢？
與主流的產(chǎn)品成形+性能直接一步到位的技術路線相比，吳敏提出的這種“兩步走”的方法顯然是“異類”。按照吳敏的說法，“這是一個新的技術路線，之前沒有人做過”。從往后的歷史來看，吳敏團隊琢磨出的這套新路徑，當年在國內(nèi)屬于“第一人”，但其實國外也有公司發(fā)現(xiàn)了這條路線，只是技術尚未成熟，當時并未對外公布。
最后，吳敏盡管自己動手配置了材料，卻沒有燒結(jié)成功。又是一輪輪的技術復盤。這次，一位做金屬注射成型的同學提出，金屬注射成型使用的材料就是在一兩百度的溫度使材料擠出成型，然后再去脫脂燒結(jié)得到金屬制品?！拔覀凂R上就按注射成型的材料來調(diào)整配方，那時候很簡陋，我們自己改裝的原型機，打印了一個生坯，然后交給同學去做后端處理?！?/p>
吳敏至今對打印這個原型產(chǎn)品的時間表記憶猶新：2015年11月，想到這種技術路線，并且開始實施；2016年2月底左右真正拿到燒結(jié)成功的樣品。但是他坦言“做出來的產(chǎn)品性能不好”。這時，他們第一次認真地反思：到底是材料配方原因?qū)е庐a(chǎn)品性能不足，還是這種技術路線存在先天缺陷而被其他企業(yè)所拋棄呢？
經(jīng)過一次次反復更改配方、調(diào)整打印工藝和脫脂燒結(jié)的溫度等參數(shù)，吳敏團隊成功將產(chǎn)品的燒結(jié)致密度從70%上升到80%，后續(xù)又上升到90%多。致密度是評判3D打印的金屬制件中金屬性能的核心指標，一般而言，其數(shù)值越高，代表其金屬性能越好。足以媲美傳統(tǒng)機加工零部件的成績，讓吳敏相信“這條技術路線是可行的”。
但最后令吳敏下定決心的是其導師熊翔教授的認同和鼓勵?！靶芾蠋熣f，金屬粉末冶金行業(yè)發(fā)展至今一直沒有找到一個新的創(chuàng)新點，我們這種路線就是粉末冶金與3D打印的好的結(jié)合?！?/p>
2016年，吳敏果斷選擇辭職創(chuàng)業(yè)，并且積極尋找天使投資。但是，國內(nèi)資本界對這種異類的金屬3D打印路線并不買賬，“在國外都找不到對標的企業(yè)?！眳敲粢约皥F隊前期只好利用自有資金繼續(xù)研發(fā)。直到2017年4月26日，他們迎來了轉(zhuǎn)機。這一天，有國內(nèi)媒體報道，美國一家名為Desktop metal （DM）的公司對外推出了兩款產(chǎn)品：DM Studio系統(tǒng)和DM 生產(chǎn)系統(tǒng)。
“其實他們的技術路線跟我們是完全一樣的，都是先成形然后再脫脂燒結(jié)?！眳敲襞d奮地表示，自己很激動，因為終于發(fā)現(xiàn)有同行了！也正是這個原因，吳敏再去找投資就順利多了。2017年5月，吳敏拿到天使輪，并于當年6月正式注冊公司——升華三維運營。
相同技術路線，不同命運盡管終于正式開張運營了，但比起同行DM公司來說，升華三維捉襟見肘得多。
先來簡單了解下兩者主張的技術路線。
3D打印按照打印材料分類，主要包括金屬3D打印和非金屬3D打印。其中，前者的主流技術路線是激光選區(qū)熔化（SLM）和電子束選區(qū)熔化（EBSM），后者則以FDM和光固化成形（SLA/DLP/LCD）為主。在金屬3D打印技術路線中，不管企業(yè)選擇何種打印方式，其根本技術路徑都是一次性實現(xiàn)產(chǎn)品的成形和性能，都屬于直接3D打印范疇。缺陷在于激光器等設備價格高昂，可滿足工業(yè)化生產(chǎn)的打印材料有限。
吳敏提到的“新技術路線”實則是將上述兩種不同技術路徑的優(yōu)勢互補，3D打印跟粉末冶金相結(jié)合，升華三維將其命名為“粉末擠出打?。≒EP）”技術，是一種間接3D打印路線。“當時在國內(nèi)外，金屬（3D打印）沒有直接跟間接的區(qū)別，也是我們開始提出來?，F(xiàn)在，這已經(jīng)變成一個主流認可的名詞?！?/p>
升華三維與DM的相同之處在于，將金屬3D打印中的“打印”過程分為打印和處理（包括脫脂、燒結(jié)、后表面處理等）兩個環(huán)節(jié)。從這個層面講，3D打印更像粉末冶金環(huán)節(jié)中的一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，主要負責將金屬粉末跟塑料、粘合劑融合的原料逐層打印成形的生坯。真正考驗產(chǎn)品性能的關鍵在于后續(xù)的處理也就是粉末冶金環(huán)節(jié)。間接3D打印技術路線，是一個跨學科的創(chuàng)新，各工藝流程之間是一個強耦合的關系?！捌渲杏性S多的Know How在里面，很多人認為這個技術路線很簡單，就沖進來，但后續(xù)往往卡在材料配方和脫脂燒結(jié)方面。這也是為什么我們和DM的團隊背景都多在粉末冶金領域?！?/p>
目前來看，DM比升華三維在技術布局上要更全面，它將創(chuàng)成式設計、3D打印、脫脂燒結(jié)及模擬仿真都有機結(jié)合在一起。但升華三維團隊的優(yōu)勢在于對打印材料的研發(fā)和掌控能力。比如其最新研發(fā)的雙噴嘴3D打印機，能夠?qū)崿F(xiàn)金屬和陶瓷等兩種不同性能材料的復合打印，這是SLM技術目前達不到的。
此外，在發(fā)展速度和規(guī)模上，升華三維與DM也截然不同。
公開資料顯示，DM公司成立于2015年10月，主力團隊來自麻省理工學院（MIT）材料科學的教授。這家公司在2017年C輪融資時估值達到10億美金，媲美當時的Uber，并且不乏名聲顯赫的投資者，諸如寶馬、福特、通用電氣、Alphabet、勞氏（Lowe's）。目前，DM累計融資高達4.38億美金，用DM金屬3D打印出的零部件已經(jīng)在寶馬電動汽車車型中被應用。
2020年8月27日外媒報道稱，Desktop metal已經(jīng)同意與Trine Acquisition Corp合并，將在紐交所上市，股票代碼為“DM”。上市后，DM將籌集最多5.75億美元的投資，估值為25億美元左右（約合170億人民幣），成為金屬3D打印估值最高的獨角獸企業(yè)。
“現(xiàn)在我們還處于生存階段?！眳敲舯硎?，“DM從創(chuàng)立之初，他們就是瞄準工業(yè)制造去的，產(chǎn)品設計是一整套非常商業(yè)化的玩法。寶馬、福特等客戶對產(chǎn)品的應用也有利于形成良好的循環(huán)?！钡?，這在當下的中國顯然還行不通。在吳敏看來，制約金屬3D打印在中國發(fā)展速度的最根本原因在于成本。與傳統(tǒng)的機加工以及人工成本相比，金屬3D打印的成本在中國遠遠高于這個成本。這也意味著，它在中國的應用市場局限于對成本不是那么敏感的航空航天、醫(yī)療等領域。從國內(nèi)整個金屬3D打印在工業(yè)端應用發(fā)展的十年時間來看，亦是如此。
2020年11月29日，國家增材制造創(chuàng)新中心主任，中國增材制造標準化技術委員會主任，中國工程院院士盧秉恒在“中國（長沙）增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展與技術應用分論壇”上提到，3D打印的一個優(yōu)勢就是實現(xiàn)輕量化。他表示：“航空航天、軌道交通、汽車都需要輕量結(jié)構(gòu)，而3D打印可以優(yōu)化設計，也可以用不同的材料做成一個零件，可以大大減輕重量?！辈⑶抑赋觯瑢μ罩圃靵碚f，3D打印是非常理想的手段。
其實從產(chǎn)品性能來看，SLM類的金屬直接3D打印產(chǎn)品致密度高、硬度及屈服強度高，但延展性和疲勞強度差，產(chǎn)品安全性及綜合使用壽命受到嚴重影響；而金屬間接3D打印產(chǎn)品延展性好、疲勞強度高，具有強大的加工硬化能力。此前，備受詬病的產(chǎn)品強度和燒結(jié)致密度低等問題在近兩年都得到很好的解決，同時，研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品孔隙率并不對高周疲勞性能造成不利影響。
以升華三維為例，其公開發(fā)布的一組產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)在某些方面已經(jīng)處于世界級領先水平（如上圖表所示）。但成本大關依然是攔路虎。從國外備受追捧的DM進入中國的進程也可見一斑。直到2018年6月7日，DM才聯(lián)合國內(nèi)獨家代理商發(fā)布第一款產(chǎn)品。兩年多過去，代理商官網(wǎng)也只有這一款產(chǎn)品，并且它的主要用戶是設計工程師，客戶多面向高職類院校、高等院校、研究所/院等。
但整體發(fā)展來看，國外以DM為代表的走間接金屬3D打印路線的企業(yè)數(shù)量在增多，并且在細分技術上也衍生出多條差異化方向。吳敏介紹，國內(nèi)前兩年也有模仿升華三維的同行，但現(xiàn)在都消失了。作為國內(nèi)間接金屬3D打印的深度擁躉，升華三維的確是個金屬3D打印中的異類。吳敏感慨：“公司的發(fā)展還是偏慢了。目前我們主要還是在做技術普及跟推廣的工作?！?/p>
為什么如此堅持這條孤單之路呢？
吳敏解釋，這是基于金屬3D打印在未來制造業(yè)中發(fā)展的判斷。尤其與目前主流的直接金屬3D打印路徑相比，升華三維選擇的技術路線在單個金屬制件平均成本下降空間大，而且通過3D打印工藝和效率的提升，能夠保持產(chǎn)品性能的同時，實現(xiàn)進一步成本優(yōu)化?！巴瑯哟蛴〕叽绲慕饘?D打印機，比如說250mm×250mm×250mm，他們要到180~300萬左右，但是我們就20萬~30萬；同樣尺寸的金屬制件，成本只有直接3D打印的五分之一到十分之一?！?/p>
但是真正要實現(xiàn)工業(yè)端的商業(yè)化規(guī)模應用，包括升華三維主張的間接3D打印技術在內(nèi)，整個3D打印尚還需要走很長一段路。對升華三維來說，至少目前來看，他們在產(chǎn)品開發(fā)和營收上都走得比較穩(wěn)。
2020年11月和12月，升華三維為國內(nèi)某些高校研發(fā)定制的大尺寸獨立雙噴頭3D打印設備陸續(xù)發(fā)貨；與國內(nèi)研究所就軍工領域的合作也正式進入軌道；跟國內(nèi)汽車廠商也在零部件開發(fā)上進行深入對接；2020年營收比前一年翻了兩番......
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