出品 | 虎嗅科技組
作者 | 通州老貓
頭圖 | 視覺中國
今年以來，蘋果、華為、小米、三星、榮耀、OPPO等3C大廠紛紛大面積推出了鈦合金材質(zhì)打造的消費電子產(chǎn)品，引發(fā)了市場對鈦合金相關(guān)產(chǎn)業(yè)前所未有的關(guān)注，而這些鈦合金工藝大多都是通過3D打印實現(xiàn)的。
近日，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院和一家美國初創(chuàng)公司的研究人員使用*新激光掃描技術(shù)，首次成功打印出一只機械手，其中包含由不同聚合物制成的骨骼、韌帶和肌腱。這項新技術(shù)使一次性3D打印具有彈性的特種塑料成為可能，為柔性機器人結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)開辟了全新路徑。該研究發(fā)表在*新一期《自然》雜志上。
軟機械手示意圖。圖片來源：蘇黎世聯(lián)邦理工學院
3D打印技術(shù)以前僅限于快速固化塑料，但新研究下也可用于慢速固化塑料。研究人員此次使用各種優(yōu)質(zhì)材料一次性3D打印出更復(fù)雜、更耐用的機械手，這次使用的新技術(shù)讓柔軟彈性的特點與剛性材料很容易地結(jié)合在一起。研究人員可根據(jù)需要用它來創(chuàng)建精致的結(jié)構(gòu)和帶有空腔的零件，柔性機器手的這一研究成果，可以說將當下3D打印又推向了一個新高度，如使用在相應(yīng)的機械上可以實現(xiàn)折疊和抻展等形態(tài)，也將更輕更耐用。
此次研究彌合了此前機器手的差距，使用感更接近人手
此次研究的突破，是科學家利用緩慢固化的硫醇烯聚合物，首次成功一次性打印出一只機械人手。硫醇烯聚合物具有非常好的彈性，彎曲后恢復(fù)到原始狀態(tài)的速度比聚丙烯酸酯快得多。此外，硫醇烯的硬度也可很好地進行微調(diào)，以滿足柔性機器人的要求。由軟材料制成的機器人比傳統(tǒng)的金屬機器人更具優(yōu)勢。這是由于它們?nèi)彳浀纳眢w，在與人類一起工作時傷害人類和自身受損的風險均較小，也更適合處理易碎物品。
根據(jù)Wohlers Associates統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2022年全球3D打印制造產(chǎn)品和服務(wù)的收入達到180億美元左右，同比增長18％，3D打印行業(yè)已經(jīng)連續(xù)25年保持兩位數(shù)的增長趨勢。據(jù)《中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢展望》預(yù)計，2023-2027年我國3D打印市場規(guī)模有望從400億元增長至1000億元。
01.3D打印技術(shù)開啟消費電子應(yīng)用
我們常說的3D打印,又被稱為增材制造，是一種快速成型技術(shù)。是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。相較傳統(tǒng)工藝具有：適用于制造復(fù)雜物體；節(jié)省材料、降低成本；縮短研發(fā)制造周期；輕量化、一體化成型；滿足定制化需求等優(yōu)勢。
當前這一技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、汽車、人形機器人、無人機等多個領(lǐng)域。近期被市場廣泛關(guān)注的鈦合金背后，支撐這一材料得以在消費電子產(chǎn)品上大批量使用的正是3D打印技術(shù)。
以目前這一領(lǐng)域應(yīng)用*熱的手機為例，傳統(tǒng)的金屬加工工藝為CNC（數(shù)控機床），但其難以加工鈦合金材料。3D打印技術(shù)則是通過對金屬粉末激光熔融而層層累積一體化成形的增材制造工藝，能有效規(guī)避鈦合金難加工的屬性。目前，折疊屏手機的鉸鏈、手機及智能手表的中框均已開始采用這一技術(shù)。
2023年7月，榮耀發(fā)布的折疊屏手機Magic V2，就**次大規(guī)模使用鈦合金3D打印技術(shù)，該技術(shù)主要用于鉸鏈的軸蓋部分，這是3D金屬工藝結(jié)構(gòu)件首次在手機上大規(guī)模使用。相比此前的不銹鋼和鋁合金材質(zhì)，鈦合金能夠更好地兼具堅固和輕薄的特點，從而降低手機的厚度和重量，并提高強度。這是3D打印首次大規(guī)模在消費電子中進行應(yīng)用。
漸商證券分析師李思揚對虎嗅表示，鈦合金3D打印實現(xiàn)了輕量化與高強度的結(jié)合，有望在消費電子領(lǐng)域開拓市場，此次軟體機器人的自由度其實就是想象力付諸現(xiàn)實的實例。它可以根據(jù)人們的需求自由變化，有著極高的靈活性以及與生俱來的高度適應(yīng)性。毫無疑問，一只擁有骨骼、韌帶和肌腱的機械手，在與人類互動方面將更具安全優(yōu)勢，也將在生物工程、救災(zāi)救援、醫(yī)療領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用前景，3D打印市場的想象空間也已打開。
02.鈦合金觸發(fā)3D打印在手機領(lǐng)域的新奇點
目前，蘋果、榮耀、小米等頭部廠商已經(jīng)逐步對鈦合金展開大規(guī)模批量式應(yīng)用。從*初的手表表殼到手機中框，鈦合金材料逐漸被消費電子選擇。為了進一步提高效率和降低成本，這些廠商已經(jīng)開始采用3D打印技術(shù)來制造這些產(chǎn)品。
鈦合金材料存在加工難度大、良率低等問題，從而使得制造成本過高。通過3D打印技術(shù)，尤其是金屬粉末激光熔化技術(shù)，能夠有效地解決鈦合金材料成型的問題，大大降低了生產(chǎn)成本。
來源：增材制造創(chuàng)新設(shè)計，浙商證券研究所
在成本方面，隨著光纖激光器的降價和金屬3D打印粉末的降價，3D打印鈦合金的成本已經(jīng)逐漸降低。根據(jù)Counterpoint的數(shù)據(jù)，Apple Watch series 6表殼的機加成本約為132元，而通過3D打印技術(shù)制造的Ultra測算鈦合金成本約為109元，成本端已具備競爭優(yōu)勢。
此外，據(jù)鉑力特公司公告，我國金屬3D打印粉末價格持續(xù)下降，鉑力特自制金屬3D打印粉末平均售價由2020年的144.48萬元/噸下降至2022年的78.19萬元/噸，降幅達45.9%。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，我國激光器價格下降趨勢明顯，我國3kW光纖激光器價格從2018年的40萬元/臺下降至2021年的10萬元/臺，降幅達75.0%。據(jù)中經(jīng)產(chǎn)業(yè)信息研究網(wǎng)，我國激光振鏡平均價格已由2017年的2225.71元/套下降至2021年的2139.43元/套。
在市場空間方面，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴大。經(jīng)測算，到2024年，中國工業(yè)級3D打印設(shè)備市場空間約為400億元。其中，航空航天和模型制造領(lǐng)域的應(yīng)用分別達到217億元和126億元。
值得一提的是，3D打印在手機液冷中具備很強的優(yōu)勢，困擾很多機型的發(fā)熱問題能借此得到解決。
當前VC均熱板液冷+石墨烯已成為5G手機散熱的主流方案。隨著智能手機性能的提升，智能手機功耗快速提升，對散熱的需求增加。目前手機散熱方式主要分為液冷散熱（VC均熱板、熱管）、風冷散熱、石墨散熱、導(dǎo)熱凝膠散熱、金屬背板/邊框散熱等。
市場上常見的高端智能手機散熱主要采用超薄VC均熱板輔以石墨及石墨烯等的散熱組合方案，中端機型則是使用熱導(dǎo)管結(jié)合石墨散熱。VC均熱板和熱管由純銅制造的內(nèi)部密封、中空且填充冷卻劑的散熱單元組成。
但液冷散熱存在液體泄漏的風險，會導(dǎo)致手機升溫、損害零部件。
3D打印具有一體化成型、輕量化、制造周期短等特點，能夠提高液冷散熱構(gòu)件的密封性及輕薄性，并縮短生產(chǎn)周期。2023年5月，芯片研究巨頭imec在ITF世界會議上展出的3D打印處理器冷卻器將處理器（如CPU和GPU）的能力提高了3.5倍，比目前**的CPU冷卻器性能高出 3.5倍。未來3D打印有望在手機液冷散熱領(lǐng)域打開市場空間。
除了在消費電子領(lǐng)域的應(yīng)用外，3D打印技術(shù)在鞋模制造、航空航天等領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。在鞋模制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)已經(jīng)全面應(yīng)用于鞋模制造，相較于傳統(tǒng)加工方法具有成本和時間優(yōu)勢。
A股市場上，目前布局3D打印產(chǎn)業(yè)的公司超80家，近期多家公司透露產(chǎn)業(yè)布局情況。
例如奧比中光與3D打印產(chǎn)業(yè)頭部企業(yè)創(chuàng)想三維（Creality）達成戰(zhàn)略合作關(guān)系，以三維掃描整機解決方案助力3D打印領(lǐng)域客戶進一步完善產(chǎn)業(yè)鏈布局，助力客戶及用戶打造創(chuàng)意3D世界。
英諾激光在3D打印領(lǐng)域有非常豐富的積累，應(yīng)用于3D打印的激光器收入占比為10%-13%。久日新材的光引發(fā)劑產(chǎn)品可以應(yīng)用于汽車的3D打印，目前已有客戶在小范圍地應(yīng)用。悅安新材研發(fā)的3D打印粉末材料，在國防特種及醫(yī)療領(lǐng)域，鈷基高溫合金、鐵基不銹鋼產(chǎn)品處于批量生產(chǎn)階段。
未來隨著成本下降，3D打印消費電子市場空間將打開，目前鈦合金軸蓋的材料成本30元左右，加工成本在200-300元之間。未來隨著3D打印技術(shù)量產(chǎn)進一步規(guī)?；⒘悸蔬M一步提高，有望帶來邊際成本下降。價格的進一步下跌，有望帶動3D打印在消費電子應(yīng)用領(lǐng)域的擴張，打開市場空間。
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