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吴敏:金属3D打印异见者

2021年03月03日 17:23 阅读:3,251

3D打印将颠覆制造业,曾成为很多重塑产业发展拥趸的共同信仰。但是国内发展近十年,3D打印依然存在工业制造上的成本、效率难题。升华三维在寻找3D打印出路的迷途中,坚定地选择了有别于主流的间接3D打印,即将3D打印与粉末冶金相结合的路子。

■ 本刊记者 |  蒋秋霞

3D打印自从2013年在国内大火两三年后,尤其在工业端的商业化应用方面,至今仍是“犹抱琵琶半遮面”的状态。是什么在掣肘3D打印在制造业的发展?在工业应用中备受国内企业青睐的金属3D打印之外,是否还有其他路径能够撬动这块市场呢?

深圳升华三维科技有限公司(简称“升华三维”)CEO吴敏正是其中一位主流金属3D打印技术外的异见者。

职业生涯的“救命稻草”

中南大学粉末冶金研究院,被誉为国内粉末冶金专业的“黄埔军校”。在此完成本硕连读学业的吴敏,2013年毕业后直接进入深圳富士康工作,被应聘进入材料研发部门进行跟硕士研究方向一致的新材料开发。那时的他,万万没有想到,这个新材料开发方向还没开始就在公司内部给砍掉了。

2013年左右,3D打印在中国成为备受业界瞩目的一种新技术路线。彼时,吴敏所在部门领导深受启发,便提议让粉末冶金出身的他对金属3D打印技术及粉末制备进行调研。“那时候,我也是看到竟然有金属3D打印(很震惊),再深入了解这个技术后,就像打开了一扇新的窗户。”深耕多年,吴敏总结道,其实金属3D打印就是粉末冶金的一个分支。

刚刚接触3D打印时,吴敏简直到了疯魔的地步。在网上搜罗繁浩的资料一页页研究,甚至将自己到手的一大半工资都花费在购买研究3D打印的设备和材料上,从当时最简单便宜和流行的熔融沉积成形(FDM)熔融挤出技术入手。“2013年的时候,这个东西还很贵,塑料3D打印的材料就需要300〜500元/卷/公斤。”但是,沉迷于此的吴敏显然是乐在其中的,他分享说“经常会跟大学同学交流,3D打印很神奇,而金属3D打印更是我们粉末冶金的未来,让他们一定都要来关注。”

没过多久,因为部门项目调整,吴敏已经被调往新的部门。领导指派他调研金属3D打印的命令也有些不了了之,但是开始沉迷3D打印的吴敏,自己并没有放弃研究的兴趣,他一边认真做好本职工作,一边在业余时间进行钻研。受到专业研究方向被砍的打击,以及深感不能在新部门充分发挥自己的专长,吴敏意识到“机缘巧合下,金属3D打印就像(自己职业生涯的)一根救命稻草”。

恰好2013年〜2014年,3D打印概念在中国大火。而纵观国内,彼时这个行业尚处于拓荒期。资本热钱涌入,掀起一股投资热,但实际来看,真正在从事实业的有技术沉淀的公司当时也尚在发展初期。比如至今被资本市场奉为“金属3D打印龙头”的科创板上市公司铂力特才起步发展两年,尼龙3D打印引领者华曙高科也还在摸索自己的技术路线。

“当时从富士康出来后,我就想着去金属3D打印的公司积累经验。但是当时深圳没有本土的原创性的金属3D打印公司,我只好去了塑料3D打印公司。”吴敏表示,“但是当时我内心非常确定自己的终极目标就是金属3D打印。”

当时市面上已知的激光金属3D打印有“三大件”:激光器、振镜系统、操作软件。“核心都主要在国外,而且价格都特别贵。打印尺寸在250mm×250mm×300mm的进口设备要到500多万人民币,打印的不锈钢材料每公斤就需要2000多元。”

从技术角度来看,吴敏认为,金属3D打印一定存在有区别于高昂成本的激光束打印路径的其他技术路线。他跟自己粉末冶金专业的同学经常一起思考、讨论,并且动手打印、摸索。在一次头脑风暴中,吴敏意识到,塑料也属于一种高分子材料,是否可以尝试用塑料与金属粉末掺杂后,用3D打印先给产品成形,然后再利用粉末冶金工艺进行烧结呢?

与主流的产品成形+性能直接一步到位的技术路线相比,吴敏提出的这种“两步走”的方法显然是“异类”。按照吴敏的说法,“这是一个新的技术路线,之前没有人做过”。从往后的历史来看,吴敏团队琢磨出的这套新路径,当年在国内属于“第一人”,但其实国外也有公司发现了这条路线,只是技术尚未成熟,当时并未对外公布。

最后,吴敏尽管自己动手配置了材料,却没有烧结成功。又是一轮轮的技术复盘。这次,一位做金属注射成型的同学提出,金属注射成型使用的材料就是在一两百度的温度使材料挤出成型,然后再去脱脂烧结得到金属制品。“我们马上就按注射成型的材料来调整配方,那时候很简陋,我们自己改装的原型机,打印了一个生坯,然后交给同学去做后端处理。”

吴敏至今对打印这个原型产品的时间表记忆犹新:2015年11月,想到这种技术路线,并且开始实施;2016年2月底左右真正拿到烧结成功的样品。但是他坦言“做出来的产品性能不好”。这时,他们第一次认真地反思:到底是材料配方原因导致产品性能不足,还是这种技术路线存在先天缺陷而被其他企业所抛弃呢?

经过一次次反复更改配方、调整打印工艺和脱脂烧结的温度等参数,吴敏团队成功将产品的烧结致密度从70%上升到80%,后续又上升到90%多。致密度是评判3D打印的金属制件中金属性能的核心指标,一般而言,其数值越高,代表其金属性能越好。足以媲美传统机加工零部件的成绩,让吴敏相信“这条技术路线是可行的”。

但最后令吴敏下定决心的是其导师熊翔教授的认同和鼓励。“熊老师说,金属粉末冶金行业发展至今一直没有找到一个新的创新点,我们这种路线就是粉末冶金与3D打印的好的结合。”

2016年,吴敏果断选择辞职创业,并且积极寻找天使投资。但是,国内资本界对这种异类的金属3D打印路线并不买账,“在国外都找不到对标的企业。”吴敏以及团队前期只好利用自有资金继续研发。直到2017年4月26日,他们迎来了转机。这一天,有国内媒体报道,美国一家名为Desktop Metal (DM)的公司对外推出了两款产品:DM Studio系统和DM 生产系统。

“其实他们的技术路线跟我们是完全一样的,都是先成形然后再脱脂烧结。”吴敏兴奋地表示,自己很激动,因为终于发现有同行了!也正是这个原因,吴敏再去找投资就顺利多了。2017年5月,吴敏拿到天使轮,并于当年6月正式注册公司——升华三维运营。

相同技术路线,不同命运

尽管终于正式开张运营了,但比起同行DM公司来说,升华三维捉襟见肘得多。

先来简单了解下两者主张的技术路线。

3D打印按照打印材料分类,主要包括金属3D打印和非金属3D打印。其中,前者的主流技术路线是激光选区熔化(SLM)和电子束选区熔化(EBSM),后者则以FDM和光固化成形(SLA/DLP/LCD)为主。在金属3D打印技术路线中,不管企业选择何种打印方式,其根本技术路径都是一次性实现产品的成形和性能,都属于直接3D打印范畴。缺陷在于激光器等设备价格高昂,可满足工业化生产的打印材料有限。

吴敏提到的“新技术路线”实则是将上述两种不同技术路径的优势互补,3D打印跟粉末冶金相结合,升华三维将其命名为“粉末挤出打印(PEP)”技术,是一种间接3D打印路线。“当时在国内外,金属(3D打印)没有直接跟间接的区别,也是我们开始提出来。现在,这已经变成一个主流认可的名词。”

升华三维与DM的相同之处在于,将金属3D打印中的“打印”过程分为打印和处理(包括脱脂、烧结、后表面处理等)两个环节。从这个层面讲,3D打印更像粉末冶金环节中的一个生产环节,主要负责将金属粉末跟塑料、粘合剂融合的原料逐层打印成形的生坯。真正考验产品性能的关键在于后续的处理也就是粉末冶金环节。间接3D打印技术路线,是一个跨学科的创新,各工艺流程之间是一个强耦合的关系。“其中有许多的Know How在里面,很多人认为这个技术路线很简单,就冲进来,但后续往往卡在材料配方和脱脂烧结方面。这也是为什么我们和DM的团队背景都多在粉末冶金领域。”

目前来看,DM比升华三维在技术布局上要更全面,它将创成式设计、3D打印、脱脂烧结及模拟仿真都有机结合在一起。但升华三维团队的优势在于对打印材料的研发和掌控能力。比如其最新研发的双喷嘴3D打印机,能够实现金属和陶瓷等两种不同性能材料的复合打印,这是SLM技术目前达不到的。

此外,在发展速度和规模上,升华三维与DM也截然不同。

公开资料显示,DM公司成立于2015年10月,主力团队来自麻省理工学院(MIT)材料科学的教授。这家公司在2017年C轮融资时估值达到10亿美金,媲美当时的Uber,并且不乏名声显赫的投资者,诸如宝马、福特、通用电气、Alphabet、劳氏(Lowe’s)。目前,DM累计融资高达4.38亿美金,用DM金属3D打印出的零部件已经在宝马电动汽车车型中被应用。

2020年8月27日外媒报道称,Desktop Metal已经同意与Trine Acquisition Corp合并,将在纽交所上市,股票代码为“DM”。上市后,DM将筹集最多5.75亿美元的投资,估值为25亿美元左右(约合170亿人民币),成为金属3D打印估值最高的独角兽企业。

“现在我们还处于生存阶段。”吴敏表示,“DM从创立之初,他们就是瞄准工业制造去的,产品设计是一整套非常商业化的玩法。宝马、福特等客户对产品的应用也有利于形成良好的循环。”但是,这在当下的中国显然还行不通。在吴敏看来,制约金属3D打印在中国发展速度的最根本原因在于成本。与传统的机加工以及人工成本相比,金属3D打印的成本在中国远远高于这个成本。这也意味着,它在中国的应用市场局限于对成本不是那么敏感的航空航天、医疗等领域。从国内整个金属3D打印在工业端应用发展的十年时间来看,亦是如此。

2020年11月29日,国家增材制造创新中心主任,中国增材制造标准化技术委员会主任,中国工程院院士卢秉恒在“中国(长沙)增材制造产业发展与技术应用分论坛”上提到,3D打印的一个优势就是实现轻量化。他表示:“航空航天、轨道交通、汽车都需要轻量结构,而3D打印可以优化设计,也可以用不同的材料做成一个零件,可以大大减轻重量。”并且指出,对太空制造来说,3D打印是非常理想的手段。

其实从产品性能来看,SLM类的金属直接3D打印产品致密度高、硬度及屈服强度高,但延展性和疲劳强度差,产品安全性及综合使用寿命受到严重影响;而金属间接3D打印产品延展性好、疲劳强度高,具有强大的加工硬化能力。此前,备受诟病的产品强度和烧结致密度低等问题在近两年都得到很好的解决,同时,研究发现产品孔隙率并不对高周疲劳性能造成不利影响。

以升华三维为例,其公开发布的一组产品性能数据在某些方面已经处于世界级领先水平(如上图表所示)。但成本大关依然是拦路虎。从国外备受追捧的DM进入中国的进程也可见一斑。直到2018年6月7日,DM才联合国内独家代理商发布第一款产品。两年多过去,代理商官网也只有这一款产品,并且它的主要用户是设计工程师,客户多面向高职类院校、高等院校、研究所/院等。

但整体发展来看,国外以DM为代表的走间接金属3D打印路线的企业数量在增多,并且在细分技术上也衍生出多条差异化方向。吴敏介绍,国内前两年也有模仿升华三维的同行,但现在都消失了。作为国内间接金属3D打印的深度拥趸,升华三维的确是个金属3D打印中的异类。吴敏感慨:“公司的发展还是偏慢了。目前我们主要还是在做技术普及跟推广的工作。”

为什么如此坚持这条孤单之路呢?

吴敏解释,这是基于金属3D打印在未来制造业中发展的判断。尤其与目前主流的直接金属3D打印路径相比,升华三维选择的技术路线在单个金属制件平均成本下降空间大,而且通过3D打印工艺和效率的提升,能够保持产品性能的同时,实现进一步成本优化。“同样打印尺寸的金属3D打印机,比如说250mm×250mm×250mm,他们要到180~300万左右,但是我们就20万~30万;同样尺寸的金属制件,成本只有直接3D打印的五分之一到十分之一。”

但是真正要实现工业端的商业化规模应用,包括升华三维主张的间接3D打印技术在内,整个3D打印尚还需要走很长一段路。对升华三维来说,至少目前来看,他们在产品开发和营收上都走得比较稳。

2020年11月和12月,升华三维为国内某些高校研发定制的大尺寸独立双喷头3D打印设备陆续发货;与国内研究所就军工领域的合作也正式进入轨道;跟国内汽车厂商也在零部件开发上进行深入对接;2020年营收比前一年翻了两番⋯⋯

*本文首发于《经理人》2021年01月刊

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