科技让生活更美好
作者|通州老猫
今年以来，苹果、华为、小米、三星、荣耀、OPPO等3C厂商，纷纷大规模推出钛合金材质的消费电子产品，引起了市场对钛合金相关行业前所未有的关注，而这些钛合金工艺大多是通过3D打印实现的。
近日，来自瑞士苏黎世联邦理工学院和一家美国初创公司的研究人员利用最新的激光扫描技术，首次成功打印出一个机械手，其中包含由不同聚合物制成的骨骼、韧带和肌腱。这项新技术使弹性特种塑料的一次性3D打印成为可能，为生产柔性机器人结构开辟了一条新的道路。这项研究发表在最新一期的《自然》杂志上。
软机械手示意图。图片来源:苏黎世联邦理工学院
3D打印技术过去仅限于快速固化的塑料，但在新的研究中，它也可以用于缓慢固化的塑料。研究人员利用各种优质材料一次性打印出更复杂耐用的机械手。这次使用的新技术可以很容易地将柔软和弹性的特性与刚性材料结合起来。研究人员可以根据需要使用它来创建精致的结构和具有空空腔的零件。柔性机器人手的这一研究成果可以说将3D打印推向了一个新的高度。比如在相应的机器上使用时可以折叠展开，会更轻更耐用。
这项研究填补了以往机器人手的空白，使用感更接近人手。
这项研究的突破在于，科学家首次利用缓慢固化的硫醇聚合物成功打印出一只机器人手。硫烯聚合物弹性非常好，弯曲后回复原状的速度比聚丙烯酸酯快很多。此外，thiolene的硬度也可以微调，以满足柔性机器人的要求。由软材料制成的机器人比传统的金属机器人有优势。这是因为它们身体柔软，在与人类一起工作时，伤害人类和损伤自己的风险较小，更适合处理易碎物品。
根据Wohlers Associates的统计，2022年，全球3D打印产品和服务的收入达到约180亿美元，同比增长18%，3D打印行业已经连续25年保持两位数的增长趋势。根据我国增材制造业的发展现状和趋势前景，预计2023-2027年我国3D打印的市场规模将从400亿元增长到1000亿元。
01.3D打印技术开启消费电子应用。
我们常说的3D打印，又称增材制造，是一种快速成型技术。它是以数字模型文件为基础，利用粉末金属或塑料等粘性材料，通过逐层打印来构造物体的技术。与传统工艺相比，适用于制造复杂物体；节约材料，降低成本；缩短R&D和制造周期；轻量化和一体化成型；满足定制需求等优点。
目前，该技术已广泛应用于航空空航天、医疗、汽车、人形机器人、无人机等领域。在最近被市场广泛关注的钛合金背后，是3D打印技术支撑这种材料在消费电子产品中大量使用。
以这个领域最受欢迎的手机为例。传统的金属加工技术是CNC(数控机床)，但钛合金材料加工困难。3D打印技术是通过激光熔化金属粉末，逐层堆积形成的增材制造工艺，可以有效避免钛合金难加工的特性。目前这项技术已经应用在折叠屏手机的铰链、手机中框、智能手表上。
2023年7月，荣耀发布的折叠屏手机Magic V2首次大规模使用钛合金3D打印技术，主要用于铰链的轴盖部分。这是3D金属工艺结构部件首次大规模用于手机。相对于之前的不锈钢和铝合金材料，钛合金可以更好的结合坚固和轻便的特点，从而降低手机的厚度和重量，提高强度。这是3D打印在消费电子领域的首次大规模应用。
湘商证券分析师李思阳对虎嗅表示，钛合金3D打印实现了轻量化和高强度的结合，有望在消费电子领域打开市场。软机器人这次的自由，其实就是把想象变成现实的一个例子。它可以根据人的需要自由变化，具有高度的灵活性和先天的高度适应性。毫无疑问，一个拥有骨骼、韧带和肌腱的机械手在与人类交互时将更具安全优势，在生物工程、救灾和医疗等领域也将有巨大的应用前景。3D打印市场的想象力也已经打开。
02.钛合金引发3D打印在手机领域的新奇。
目前，苹果、荣耀、小米等头部厂商已经陆续开展了钛合金的大规模批量应用。从最初的表壳到手机中框，钛合金材料逐渐被消费电子选用。为了进一步提高效率和降低成本，这些制造商已经开始使用3D打印技术来制造这些产品。
钛合金材料存在加工困难、成品率低等问题，使得制造成本过高。通过3D打印技术，尤其是金属粉末激光熔化技术，可以有效解决钛合金材料成型问题，大大降低生产成本。
来源:增材制造创新设计，浙商证券研究所。
成本方面，随着光纤激光和金属3D打印粉的降价，3D打印钛合金的成本也逐渐降低。根据Counterpoint的Ultra，Apple Watch series 6表壳的加工成本约为132元，而3D打印技术制造的钛合金成本约为109元，成本端具有竞争优势。
此外，根据铂金公司公告，国内金属3D打印粉价格持续下降，铂金自制金属3D打印粉销售均价从2020年的144.48万元/吨降至2022年的78.19万元/吨，降幅达45.9%。据前瞻产业研究院称，中国激光价格明显下降。我国3kW光纤激光器价格已从2018年的40万元/台降至2021年的10万元/台，降幅达75.0%。据中经产业信息研究网统计，全国激光振镜均价已从2017年的2225.71元/台降至2021年的2139.43元/台。
市场空方面，随着3D打印技术的不断发展，其应用领域也在不断扩大。预计到2024年，中国工业3D打印设备市场规模约为400亿元空。其中在航空空航天和型号制造方面的应用分别达到217亿元和126亿元。
值得一提的是，3D打印在手机液冷方面有很强的优势，可以解决困扰很多机型的发热问题。
目前，VC蒸汽室液冷+石墨烯已经成为5G手机散热的主流解决方案。随着智能手机性能的提升，智能手机的功耗迅速增加，对散热的需求也随之增加。目前手机的散热方式主要分为液冷(VC蒸汽室、热管)、风冷、石墨散热、导热凝胶散热、金属背板/边框散热等等。
市面上常见的高端智能手机主要采用超薄VC蒸汽室结合石墨和石墨烯散热，中端机型则采用热管结合石墨散热。VC蒸汽室和热管由纯铜制成的散热单元组成，内部密封，介质空，充有冷却液。
但是液冷散热有漏液的风险，会导致手机温度升高，损坏零件。
3D打印具有一体成型、重量轻、制造周期短的特点，可以提高液冷散热部件的密封性和薄型化，缩短生产周期。2023年5月，芯片研究巨头imec在ITF世界大会上展出的3D打印处理器冷却器将处理器(如CPU和GPU)的能力提高了3.5倍，比目前最好的CPU冷却器的性能高3.5倍。未来3D打印有望在手机液冷散热领域打开市场空。
除了在消费电子领域的应用，3D打印技术还广泛应用于鞋模制造、航空空航天等领域。在鞋模制造领域，3D打印技术已经全面应用于鞋模制造，相比传统加工方式具有成本和时间优势。
在a股市场，目前已有80多家公司布局3D打印产业。最近很多公司都披露了产业布局。
例如，欧比中广与3D打印行业头部企业Creality达成战略合作伙伴关系，帮助3D打印领域的客户进一步完善产业链布局，以3D扫描机解决方案帮助客户和用户打造创意3D世界。
英诺激光在3D打印领域有着非常丰富的积累，用于3D打印的激光收入占比10%-13%。九日新的光引发剂产品可应用于汽车的3D打印，已有客户小规模应用。粤安新材料研发的3D打印粉末材料正处于国防特种、医疗等领域的钴基高温合金、铁基不锈钢产品的量产阶段。
未来，随着成本的降低，3D打印消费电子市场将会打开。目前钛合金轴盖的材料成本在30元左右，加工成本在200到200-300元之间。未来随着3D打印技术量产规模的进一步扩大和良品率的进一步提升，有望带来边际成本的下降。价格的进一步下降有望推动3D打印在消费电子应用领域的扩展，并打开市场空。
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