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摩方新材,微纳3D打印更“精密”

2021年05月19日 10:49 阅读:5,054

国内3D打印孱弱发展而来,经历过概念大火又迅速落于沉寂。是真的鸡肋吗?可以看到,在工业级3D打印领域,还是有一批国内企业坚守着阵地。摩方新材,专注于微纳3D打印,凭借自身实力,最终寻觅到了一个市场空白并可发挥自有技术优势的地带。

本刊记者/蒋忻

“3D打印已经不火了,为什么还要关注?”

这是很多非行业人士的疑问。或许可以从一个小故事中得以启发。

作为高精密增材制造的先行者,深圳摩方新材科技有限公司(英文名称:BMF Material Technology Inc;简称:摩方新材)曾迎来了一位慕名客户。这家来自上海的日化企业发现,用金刚石刀具为口红加工的精密图案有明显的刀痕。为追求更好的产品品质和客户体验,他们一直在寻找能够破解这道难题的技术方案。找了一圈,最终这名客户购买了3台摩方新材的打印设备。

“这是我们自己都没想到会覆盖的市场,完全是因为客户有需求,他会主动在市场中寻找解决方案。”摩方新材研发副总经理赵卓博士表示。

如果以出行工具的选择来类比,在现有方案中,1?3公里内,共享单车为主;3?5公里内,电单车为主;超过5公里,则以汽车为主导。同样的,工业级3D打印也有不同的技术分支,寻找到它在工业制造中的优势并且能够实现商业化应用的区间正是关注这项技术的最根本原因。

摩方新材成立于2016年,主要业务为研发、生产和销售高精密微纳尺度3D打印设备以及各类高精密器件,是全球微纳3D打印技术及颠覆性精密加工能力解决方案提供商,具备2μm、10μm的超高打印精度和高精密的加工公差控制能力(±10μm/±25μm/±50μm)。目前,在工业端,摩方新材已和众多全球500强企业开展业务合作,包括GE医疗、Merck、美国强生公司3D打印中心、日本电装、安费诺、3M、泰科、华为、立讯精密、中石油等。

经过经年累月的技术研发和市场摸索,摩方新材为超精密3D打印找到了商业化的答案。

“我们的判断是,未来个性化的产品设计概念会越来越多,比如目前生命健康医疗领域。也就是说,一个产品加工的数目越来越少,它的生命周期一共就几千到几万个。如果用模具生产的方式,平摊下来成本会很高。”赵卓也坦承,当产品数量区间上升至十几万、几十万,摩方们的优势也就消失了(详见下图)。

现状

其实,3D打印在工业级领域的应用潜力巨大。首先,不管是行业内的专家、教授,还是从业企业,他们的一致共识是,3D打印是工业制造的一种补充手段,与减材制造并不冲突。3D打印的优势集中在:一是能够制造减材做不了的产品,比如镂空、倒三角等特殊结构;二是个性化定制的灵活性更高;三是响应速度快,相比减材制造,3D打印没有模具,不必考虑这个加工周期。

随着全球工业水平往4.0进化,生产的精密度、产品的特殊化定制等需求会越来越多,传统的减材制造方式将越来越难以满足制造需求,或者并不具备生产成本、响应速度的优势。3D打印的用武之地正在于此。

而且,国内有赶超甚至引领3D打印技术的市场和机会。尽管在起步、应用上,国内3D打印晚于国外。仅从资本市场看,国外上市的工业级3D打印企业比国内要多,技术路线也比较全面,但近年来,国内基本都能找到对标企业,甚至在个别细分路线上,国内的3D打印企业大有赶超的势头。

就微纳级别的3D打印来说,摩方新材已经享誉全球。该公司的技术成果转化于麻省理工学院海归团队的研究。该团队技术分别于2014年和2015年被《麻省理工科技评论》(MIT Technology Review)列入十大突破性技术的“微型3D打印”和“纳米架构复合材料”。这支微纳3D打印技术团队即摩方新材团队,于2015年还被此杂志认可为该领域最前沿的团队之一,也是当年入选的唯一华人团队。

摩方新材致力于将技术团队所研发的科研成果落地。目前,从实验水平来看,该公司已经具备下探到制造200纳米零部件的超精密水平。“但是,市场上没有能够应用的(地方)。”赵卓介绍,摩方新材也是在市场上摸索后才终于找到了一些空白地带。

在与国内的一家手机厂商合作中,这位客户提出,希望用微纳3D打印的手段来制造其所需的结构件。由于现在的手机越来越智能,拥有多个镜头,这些镜头需要用结构件将它们组合在一起。之前客户的常规方案是,用模具生产的方式来做结构件。从投入来说,模具加工的费用大约在2万元。“当时给他们提供的是打印服务,打印了20个结构件,总计费用才几千块,比他们的模具投入都低,而且我们响应速度很快,如果是急件的话,需求过来,第二天产品就能打印好了。”

总体来看,客户结构方面,摩方新材呈现出科研端+工业应用端的双螺旋客户结构,并且有意思的是,前者客户层多在国内,后者客户层则80%都属于海外,尤以美国和日本的客户居多。事实上,这也并不是摩方新材一家3D打印企业遇到的情况。为了覆盖不同的市场,摩方新材的产品线也分为两条,一是2μm,一为10μm。根据摩方新材的“三步走”战略,将设备出售给高校等科研客户是第一步,这也是该公司如今的现金流所在。目前,其自主研发的3D打印系统已被美国Hughes Research Laboratories、麻省理工、新加坡南洋理工、英国诺丁汉、德国德累斯顿工大、清华、北大、浙江大学、北航、西交大、华中科大、港中文、港城大、阿联酋哈里发大学、丹麦科技大学、德国于利希研究中心等众多全球顶级高校和科研机构使用。

第二步也就是现阶段,是加速向工业端推广。具体来看,服务分为两种,直接购买打印设备和提供打印服务。比如摩方新材就为我国核聚变等重点项目工程提供了关键部件的研发验证与加工制造。第三步,摩方新材的计划是继续完善和拓展技术积累。可以看到,相比起很多创业公司来说,摩方新材在战略和方向上少走了很多弯路,也少了很多疑虑。这底气来自技术壁垒的构建。

壁垒

摩方新材专有的技术称为“PμLSE”(Projection Micro Litho Stereo Exposure),即“面投影微立体光刻”。按照其官方介绍,这是一种面投影微尺度超高精度光固化增材制造技术,使用高精度紫外光刻投影系统,将需要打印的三维模型分层投影至树脂液面,分层制造逐层累加,快速进行光固化无模具成型,最终从数字模型直接加工得到立体样件。

“3D打印虽然称之为‘3D’,但其实它的原理,简单来说,是将3D模型切分成无数个二维图,然后堆叠成三维结构。那么,这张二维图如何形成呢?现有的扫描方式其实就像是一种作画的方式,一个点一支笔来画。”赵卓解释道,“摩方的‘面投影’技术顾名思义,以面成形,完全相当于一个显示器,直接显示这张图片,同时因为做了一些光学处理,实现了高精度的单像素,既兼顾了加工精度,也提高了加工效率。”

可以理解为,摩方新材的“PμLSE”技术能够以面成像,为加工精度和加工效率这对矛盾体找到了一种共融的平衡。合作伙伴3M公司曾称摩方新材为“目前全球在亚毫米尺寸3D打印最好的技术企业”。

在三维复杂结构微加工领域,摩方团队拥有超过二十年的科研及工程实践经验。专注于制造微小精密器件的同时,摩方新材已经能达到高于医疗器材等行业所需的产量水平,比如内窥镜头端结构件。摩方的3D打印设备可在一小时内制造几百个直径约为1毫米的镜片,即产量一年可达几十万件,能满足内窥镜制造商的数量需求。此外,同批制造的器件中,每个部件都可以进行定制,无需考虑总制造数量。这样的产能可以满足需要小型精密器件的工业客户对数量的需求。

值得津津乐道的一个案例是,摩方新材与北京某知名医院合作青光眼治疗的医疗器械。赵卓介绍,在该医院为治疗青光眼的解决方案中,在设计的器械上专门设置了压力调节装置,当眼睛的眼压达到一定程度,能够推开装置上的弹簧,排出眼液;当眼压恢复至正常水平,这个弹簧就可以把眼睛的阀门关上。但是,这家医院碰到了一个棘手的问题,“这是一个没嵌套的微弹簧,传统的(加工手段)做不出来的。主要是它太精细了,就是20μm。”用单位换算来直观感受一下,1cm=10000μm,而一般来说,2μm差不多是头发的四十分之一,得用显微镜才能看见。

应该说,在外界一片“3D打印不火”的悲观态势下,以摩方新材等一批国产工业级3D打印设备服务商涌现实属不易。而且值得关注的是,尽管国产3D打印设备商在不同的技术赛道已经找到或者还在摸索市场的应用区间,有一个无法忽视的环节是来自打印材料的掣肘。

根据赵卓介绍,打印材料的限制并不是无法量产或存在专利门槛,而是在全球整个3D打印的市场需求还不足以达到规模化量产的阶段,很多全球知名的材料巨头并不愿意过多地开发和生产这些打印材料,材料的强度、韧性、耐候性等性能参数无法达到现有工程材料的水平。因此,材料也成为阻碍工业级3D打印发展的拦路虎。同时,在现有的技术路径中,比如陶瓷材料,在3D打印过程中,其粘度高难以实现精密图层等技术难点还没有很好地攻克。

因此,摩方新材已经组建自己的材料研发团队,并且在知识产权的保护上,摩方新材也有着自己的规划。但正如此前摩方新材创始人兼CEO贺晓宁谈及制造微器件的挑战时,他借用一句行话形容道:“追求越极致,挑战就越大。”国产工业级3D打印路漫漫,但也因此才越需要真正坚守、耐得住寂寞的企业!

注: 3D打印主要分为工业级和消费级,本文若无特意说明,3D打印即指工业级。

*本文首发于《经理人》2021年05月刊

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