3D 打印新突破，不只有钛合金，这次还有柔性机器人
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出品 | 虎嗅科技组
作者 | 通州老猫
头图 | 视觉中国
今年以来，苹果、华为、小米、三星、荣耀、OPPO 等 3C 大厂纷纷大面积推出了钛合金材质打造的消费电子产品，引发了市场对钛合金相关产业前所未有的关注，而这些钛合金工艺大多都是通过 3D 打印实现的。
近日，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使用最新激光扫描技术，首次成功打印出一只机械手，其中包含由不同聚合物制成的骨骼、韧带和肌腱。这项新技术使一次性 3D 打印具有弹性的特种塑料成为可能，为柔性机器人结构的生产开辟了全新路径。该研究发表在最新一期《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 打印技术以前仅限于快速固化塑料，但新研究下也可用于慢速固化塑料。研究人员此次使用各种优质材料一次性 3D 打印出更复杂、更耐用的机械手，这次使用的新技术让柔软弹性的特点与刚性材料很容易地结合在一起。研究人员可根据需要用它来创建精致的结构和带有空腔的零件，柔性机器手的这一研究成果，可以说将当下 3D 打印又推向了一个新高度，如使用在相应的机械上可以实现折叠和抻展等形态，也将更轻更耐用。
此次研究弥合了此前机器手的差距，使用感更接近人手
此次研究的突破，是科学家利用缓慢固化的硫醇烯聚合物，首次成功一次性打印出一只机械人手。硫醇烯聚合物具有非常好的弹性，弯曲后恢复到原始状态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进行微调，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更具优势。这是由于它们柔软的身体，在与人类一起工作时伤害人类和自身受损的风险均较小，也更适合处理易碎物品。
根据 Wohlers Associates 统计数据，2022 年全球 3D 打印制造产品和服务的收入达到 180 亿美元左右，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。据《中国增材制造产业发展现状与趋势展望》预计，2023-2027 年我国 3D 打印市场规模有望从 400 亿元增长至 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 , 又被称为增材制造，是一种快速成型技术。是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。相较传统工艺具有：适用于制造复杂物体；节省材料、降低成本；缩短研发制造周期；轻量化、一体化成型；满足定制化需求等优势。
当前这一技术已广泛应用于航空航天、医疗、汽车、人形机器人、无人机等多个领域。 近期被市场广泛关注的钛合金背后，支撑这一材料得以在消费电子产品上大批量使用的正是 3D 打印技术。
以目前这一领域应用最热的手机为例，传统的金属加工工艺为 CNC（数控机床），但其难以加工钛合金材料。3D 打印技术则是通过对金属粉末激光熔融而层层累积一体化成形的增材制造工艺，能有效规避钛合金难加工的属性。目前，折叠屏手机的铰链、手机及智能手表的中框均已开始采用这一技术。
2023 年 7 月，荣耀发布的折叠屏手机 Magic V2，就第一次大规模使用钛合金 3D 打印技术，该技术主要用于铰链的轴盖部分，这是 3D 金属工艺结构件首次在手机上大规模使用。相比此前的不锈钢和铝合金材质，钛合金能够更好地兼具坚固和轻薄的特点，从而降低手机的厚度和重量，并提高强度。这是 3D 打印首次大规模在消费电子中进行应用。
渐商证券分析师李思扬对虎嗅表示，钛合金 3D 打印实现了轻量化与高强度的结合，有望在消费电子领域开拓市场，此次软体机器人的自由度其实就是想象力付诸现实的实例。它可以根据人们的需求自由变化，有着极高的灵活性以及与生俱来的高度适应性。毫无疑问，一只拥有骨骼、韧带和肌腱的机械手，在与人类互动方面将更具安全优势，也将在生物工程、救灾救援、医疗领域有着很大的应用前景，3D 打印市场的想象空间也已打开。
- 钛合金触发 3D 打印在手机领域的新奇点
目前，苹果、荣耀、小米等头部厂商已经逐步对钛合金展开大规模批量式应用。从最初的手表表壳到手机中框，钛合金材料逐渐被消费电子选择。为了进一步提高效率和降低成本，这些厂商已经开始采用 3D 打印技术来制造这些产品。
钛合金材料存在加工难度大、良率低等问题，从而使得制造成本过高。通过 3D 打印技术，尤其是金属粉末激光熔化技术，能够有效地解决钛合金材料成型的问题，大大降低了生产成本。
来源：增材制造创新设计，浙商证券研究所
在成本方面，随着光纤激光器的降价和金属 3D 打印粉末的降价，3D 打印钛合金的成本已经逐渐降低。根据 Counterpoint 的数据，Apple Watch series 6 表壳的机加成本约为 132 元，而通过 3D 打印技术制造的 Ultra 测算钛合金成本约为 109 元，成本端已具备竞争优势。
此外，据铂力特公司公告，我国金属 3D 打印粉末价格持续下降，铂力特自制金属 3D 打印粉末平均售价由 2020 年的 144.48 万元 / 吨下降至 2022 年的 78.19 万元 / 吨，降幅达 45.9%。据前瞻产业研究院，我国激光器价格下降趋势明显，我国 3kW 光纤激光器价格从 2018 年的 40 万元 / 台下降至 2021 年的 10 万元 / 台，降幅达 75.0%。据中经产业信息研究网，我国激光振镜平均价格已由 2017 年的 2225.71 元 / 套下降至 2021 年的 2139.43 元 / 套。
在市场空间方面，随着 3D 打印技术的不断发展，其应用领域也不断扩大。经测算，到 2024 年，中国工业级 3D 打印设备市场空间约为 400 亿元。其中，航空航天和模型制造领域的应用分别达到 217 亿元和 126 亿元。
值得一提的是，3D 打印在手机液冷中具备很强的优势，困扰很多机型的发热问题能借此得到解决。
当前 VC 均热板液冷 + 石墨烯已成为 5G 手机散热的主流方案。随着智能手机性能的提升，智能手机功耗快速提升，对散热的需求增加。目前手机散热方式主要分为液冷散热（VC 均热板、热管）、风冷散热、石墨散热、导热凝胶散热、金属背板 / 边框散热等。
市场上常见的高端智能手机散热主要采用超薄 VC 均热板辅以石墨及石墨烯等的散热组合方案，中端机型则是使用热导管结合石墨散热。VC 均热板和热管由纯铜制造的内部密封、中空且填充冷却剂的散热单元组成。
但液冷散热存在液体泄漏的风险，会导致手机升温、损害零部件。
3D 打印具有一体化成型、轻量化、制造周期短等特点，能够提高液冷散热构件的密封性及轻薄性，并缩短生产周期。2023 年 5 月，芯片研究巨头 imec 在 ITF 世界会议上展出的 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 冷却器性能高出 3.5 倍。未来 3D 打印有望在手机液冷散热领域打开市场空间。
除了在消费电子领域的应用外，3D 打印技术在鞋模制造、航空航天等领域也有广泛应用。在鞋模制造领域，3D 打印技术已经全面应用于鞋模制造，相较于传统加工方法具有成本和时间优势。
A 股市场上，目前布局 3D 打印产业的公司超 80 家，近期多家公司透露产业布局情况。
例如奥比中光与 3D 打印产业头部企业创想三维（Creality）达成战略合作关系，以三维扫描整机解决方案助力 3D 打印领域客户进一步完善产业链布局，助力客户及用户打造创意 3D 世界。
英诺激光在 3D 打印领域有非常丰富的积累，应用于 3D 打印的激光器收入占比为 10%-13%。久日新材的光引发剂产品可以应用于汽车的 3D 打印，目前已有客户在小范围地应用。悦安新材研发的 3D 打印粉末材料，在国防特种及医疗领域，钴基高温合金、铁基不锈钢产品处于批量生产阶段。
未来随着成本下降，3D 打印消费电子市场空间将打开，目前钛合金轴盖的材料成本 30 元左右，加工成本在 200-300 元之间。未来随着 3D 打印技术量产进一步规模化、良率进一步提高，有望带来边际成本下降。价格的进一步下跌，有望带动 3D 打印在消费电子应用领域的扩张，打开市场空间。
