对于3D打印产业的发展,我国历来高度重视。近年来,我国大力推进3D打印技术研发,推进3D打印技术与人工智能、智能制造等融合发展,取得了一定的成绩。在一些基础条件好、需求迫切的重点地区、行业和企业中,3D打印产业与智能制造产业的结合,也呈现除了许多热点新应用。
我国尚无一套有自主知识产权的传感器设计软件,国产传感器可靠性也远不如国外同类产品。MEMS制造能力也更为薄弱,国内具备一定规模的设计企业基本选择国外代工厂,而多数小型设计企业选择与科研院所的中试线绑定,这就导致产业化进程相对缓慢。
在市场剧烈变化的压力下,汽车厂商急需新的技术来解决运营和市场需求带来的压力。随着3D打印技术的进一步发展,特别是近年来该技术在功能性零件直接制造以及批量制造方面的突破,汽车制造商逐渐注意到3D打印技术的价值,并开始积极展开布局。
特别是国内代工环节工艺严重制约MEMS产业发展。国内缺少MEMS代工经验或以及纯MEMS制造的公司,之前国内的MEMS代工厂一直是科研院所使用4/6英寸的晶圆制造出来的。中国MEMS代工企业还未积累起足够的工艺技术储备和大规模市场验证反馈的经验,加工工艺的一致性、可重复性都不能满足设计需要,产品的良率和可靠性也无法达到规模生产要求。代工环节薄弱导致好的设计无法迅速产品化并推向市场,极大地制约了中国MEMS产业的发展。
车企借助3D打印技术来制造各种零部件,乃至探索整车制造,已经成为当前汽车产业发展的一大热点。在范围内,宝马、通用、大众、宾利等汽车集团都在使用3D打印技术,福特汽车在设计阶段大量采用3D打印技术制造零部件原型,仅是福特密歇根工厂每年就打印大约2万件原型。在中国的汽车制造商中,一汽、江淮、上汽、长安汽车等企业也在设计阶段积极地运用3D打印技术。
然而,尽管全球MEMS传感器产业向亚洲转移,但具体到国家来看,美国、日本和德国作为全球MEMS产业、技术和产品的发达国家,其行业发展水平依旧世界领先。与他们比,我国MEMS产业关键核心技术受制于人,产业总体上仍处价值链中低端,代工制造和加工贸易所占比重较高,产业政策环境亟待完善,内需带动机制也尚未健全。这些问题和矛盾制约了我国MEMS产业由大变强,产业迁移带来机遇的同时,也带来了挑战。
借助直接金属3D打印技术或者砂型铸造金属3D打印技术,可以减少定制铸件中的子装配体,实现重大转变。其中的砂型铸造金属3D打印工艺,已经成熟、成本也低,这就冲击和改善着传统铸造行业的结构,更好地为汽车领域所需要的大批量生产提供支持。
技术方面,计算机视觉、传感器融合等新技术,为MEMS市场注入新活力。目前我国大力推进人工智能发展领域的边缘计算、计算机视觉和传感器融合技术落地应用于各个行业,支撑创新服务发展。
3D打印经过多年的发展,市场规模逐渐扩大。据《Wohlers Report 2020》数据,2019年增材制造(AM)行业的产品和服务收入为118.67亿美元(约842亿人民币),比2018年增长了21.2%。相比于2018年,增长速度有所放缓。此外,据《Wohlers Report 2020》问卷调查显示,目前工业中使用3D打印多的行业是汽车工业,占比超过16%。
市场方面,物联网市场对MEMS产品需求巨大,且中国是全球最为活跃的物联网应用市场。而消费电子更新加快推动MEMS行业发展4G和5G网络及相应产品的普及不断拓展智能手机、可穿戴设备及相关消费电子产品的应用深度和广度。同时,智能音箱、智能电视、智能可穿戴设备等智能硬件新的应用市场也不断被创造出来,将引领中国MEMS产业进入下一轮高速增长期。
政策方面,国内传感器产业发展环境持续优化,推动传感器市场加速发展。为促进我国传感器产业发展,迈向中高端水平,2016年9月国家发展改革委员会和工信部发布了《智能硬件产业创新发展专项行动(2016-2018年)》;2017年11月工信部发布了《智能传感器产业三年行动指南(2017-2019年)》。随着“制造强国战略”、“互联网+”行动计划的大力推进,传感器技术及传感器产业的重要性将日益凸显,可以预见,未来,传感器技术将是我国科技发展的重中之重。
政策方面,国内传感器产业发展环境持续优化,推动传感器市场加速发展。为促进我国传感器产业发展,迈向中高端水平,2016年9月国家发展改革委员会和工信部发布了《智能硬件产业创新发展专项行动(2016-2018年)》;2017年11月工信部发布了《智能传感器产业三年行动指南(2017-2019年)》。随着“制造强国战略”、“互联网+”行动计划的大力推进,传感器技术及传感器产业的重要性将日益凸显,可以预见,未来,传感器技术将是我国科技发展的重中之重。
相较CNC机床制作配件原型时必须有操作员在机床刀具巨大的噪音下全程进行监管以保证生产安全,使用3D打印后,设计人员可以在制作前就实时检查3D型态并迅速作出调整,设计流程得以大大精简。3D打印的应用,让汽车研发周期与配件生产同步,极大提高了原型加工质量与产品制造速度,整体的设计工艺也得到了提升。
国内MEMS市场中高端传感器进口占比达80%,传感器芯片进口率达90%,国产替代空间巨大。但是,我国传感器新品研制落后近10年,产业化水平落后10-15年。而传感器技术的研究需要比较长时间的投入,一款传感器的研发,要6-8年才能成熟,一般中国企业都承受不了这么长的周期。再加上产品的价格并不与产品的重要性或者开发难度成正比,中国MEMS企业无法在价格战中获利。
从汽车的内饰件到轮胎、缸盖、前格栅、空气管道、发动机缸体,3D打印技术几乎可以制造出所有汽车零部件的原型。此前保时捷表示,通过研究并使用3D打印技术,可以生产出一种全新形态的桶型座椅,并且该座椅可以替代传统桶形座椅。
传感器及其产业的特点之一是技术密集,由于技术密集,也自然要求人才密集。而我国缺乏高端研发人员和经验丰富的本土MEMS工程师,导致基础研究落后。随着技术商业化进程的加快,很多技术在市场存活时间很短,而MEMS传感器需要较长研发时间,这对MEMS企业是一个很大的挑战。虽然经过多年的发展,国内MEMS传感器产业已经积累一批人才,但与国际领先的企业相比,国内MEMS传感器产业高端、专业人才仍相对稀缺,缺少龙头企业带动和领军人才的引领作用。
据悉,保时捷配件有限公司从2020年开始为保时捷911及718系列车型提供该定制座椅。使用3D打印技术打造的座椅,除了更加符合人体工程学之外,它还具有独特的造型、更高的舒适度、更轻的重量以及更好的透气度。