Xu hướng và triển vọng phát triển ngành in 3D: Con đường tương lai từ đột phá công nghệ đến chuyển đổi công nghiệp

Giới thiệu: Sự phát triển nhanh chóng của ngành in 3D

Sau hơn ba mươi năm phát triển, công nghệ Sản xuất đắp dần (AM) đã phát triển từ một công cụ tạo mẫu nhanh thành công nghệ cốt lõi làm thay đổi cục diện sản xuất. Theo "Báo cáo ngành in 3D toàn cầu năm 2025" của McKinsey, thị trường in 3D toàn cầu sẽ đạt khoảng 600 tỷ USD vào năm 2025, với các ứng dụng cấp công nghiệp chiếm hơn 40% và tốc độ tăng trưởng hàng năm duy trì ở mức 15% -20%. Động lực tăng trưởng này chủ yếu đến từ những đột phá đổi mới công nghệ và mở rộng chiều sâu các kịch bản ứng dụng công nghiệp, đánh dấu việc in 3D đã chính thức bước vào thời kỳ tăng tốc công nghiệp hóa.

Là cường quốc sản xuất toàn cầu, Trung Quốc đã cho thấy đà phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực in 3D. Kế hoạch nghiên cứu và phát triển trọng điểm quốc gia "Kế hoạch 5 năm lần thứ 14" của Bộ Khoa học và Công nghệ liệt kê sản xuất bồi đắp là một dự án trọng điểm nhằm thúc đẩy đổi mới hợp tác trong chuỗi công nghiệp. Từ nghiên cứu và phát triển vật liệu, sản xuất thiết bị đến dịch vụ ứng dụng, một hệ sinh thái công nghiệp hoàn chỉnh đang hình thành, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật quan trọng cho quá trình chuyển đổi và nâng cấp ngành sản xuất.

1. Đột phá công nghệ và hướng đổi mới

1. Công nghệ in kim loại trưởng thành

In 3D kim loại là viên ngọc quý của công nghệ sản xuất bồi đắp, trong đó công nghệ SLM (nung chảy laser có chọn lọc) là công nghệ trưởng thành nhất. Vào năm 2024, công nghệ SLM sẽ tạo ra bước đột phá lớn trong lĩnh vực in song song đa tia laser. Thông qua các tia laser kép, bốn tia laser hoặc thậm chí mười hai tia laser hoạt động cùng nhau, hiệu quả sản xuất sẽ được cải thiện đáng kể. Hệ thống sản xuất bồi đắp kim loại VM400 do Hunan Yunjian ra mắt được trang bị hệ thống tuần hoàn bột khép kín hoàn toàn tự động và hệ điều hành thông minh, giúp thực hiện tự động hóa và thông minh của quy trình in.

Đổi mới công nghệ cho thấy xu hướng đa dạng: từ in 3D không cần hỗ trợ vào năm 2023 đến công nghệ nóng chảy điểm, tạo hình chùm tia laze và in song song nhiều cung vào năm 2024, khả năng xử lý tiếp tục vượt qua các giới hạn. Vòi phun nhiên liệu do GE Aviation sản xuất sử dụng công nghệ SLM tích hợp 20 bộ phận ban đầu thành một bộ phận in duy nhất, giúp giảm 25% trọng lượng và tăng độ bền lên gấp 5 lần, trở thành mẫu cho các ứng dụng in kim loại.

2. In đa vật liệu và vật liệu composite

Đổi mới vật liệu là chìa khóa để thúc đẩy việc mở rộng ứng dụng in 3D. Diễn đàn Vật liệu In 3D Polymer Quốc tế năm 2024 đã chứng minh tiến bộ mới nhất trong in đa vật liệu: nhựa quang trùng hợp có thể tái sử dụng giúp giảm chi phí vật liệu và gánh nặng môi trường; vật liệu có thể in trực tiếp niềng răng trong suốt cách mạng hóa quy trình sản xuất thiết bị y tế; Vật liệu in 4D thể hiện các đặc tính phản ứng thông minh trong lĩnh vực thiết bị y sinh và robot mềm, đạt được những thay đổi năng động về cấu trúc và chức năng.

Công nghệ in trên vật liệu composite ma trận kim loại và vật liệu composite ma trận gốm ngày càng hoàn thiện, đặt nền tảng cho các ứng dụng trong điều kiện làm việc khắc nghiệt. Việc nghiên cứu và phát triển các hợp kim titan mới và vật liệu hợp kim nhiệt độ cao giúp sản xuất các bộ phận phức tạp trong lĩnh vực hàng không vũ trụ.

3. Đột phá trong việc cân bằng giữa độ chính xác và tốc độ

Mâu thuẫn giữa độ chính xác và tốc độ từ lâu đã hạn chế ứng dụng công nghiệp của in 3D. Vào năm 2024, công nghệ in 3D xử lý bằng ánh sáng có độ chính xác tổng hợp sẽ đạt được sự đổi mới lớn. Hệ thống in xử lý bằng ánh sáng chiếu bề mặt có độ chính xác kép (Dual Series) có thể tự động chuyển đổi các chế độ chính xác theo đặc tính của bộ phận, cải thiện đáng kể hiệu quả in ấn mà vẫn đảm bảo chất lượng bề mặt. Bước đột phá công nghệ này cung cấp một giải pháp mới cho việc sản xuất các thiết bị y tế chính xác như mặt dán nha khoa. Hỗn hợp veneer nha khoa được sản xuất bổ sung đầu tiên đã được chứng nhận là thiết bị y tế Loại III.

2. Những thay đổi công nghiệp và cơ hội thị trường

1. Từ sản xuất nguyên mẫu đến sản xuất hàng loạt

Theo kiến thức truyền thống, in 3D chủ yếu được sử dụng để tạo mẫu nhanh và tùy chỉnh hàng loạt nhỏ. Tuy nhiên, với sự cải thiện về trình độ công nghệ và hiệu quả sản xuất, sản xuất bồi đắp đang dần bước vào lĩnh vực sản xuất hàng loạt. Báo cáo của Wohlers Associates chỉ ra rằng các ứng dụng công nghiệp chiếm hơn 40%, đồng nghĩa với việc in 3D không còn là công cụ phụ trợ mà đã trở thành một lựa chọn quan trọng cho sản xuất, chế tạo.

Adidas hợp tác với Công ty Carbon để sản xuất hàng loạt đế giữa giày chạy bộ 4D bằng công nghệ CLIP. Năng lực sản xuất hàng năm vượt quá một triệu đôi, đánh dấu sự xuất hiện của kỷ nguyên in hàng loạt các sản phẩm dành cho người tiêu dùng. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, mẫu Airbus A350 sử dụng hơn 1.000 bộ phận in 3D để đạt được mục tiêu kép là giảm trọng lượng và tối ưu hóa cấu trúc.

2. Đẩy mạnh liên kết dọc chuỗi công nghiệp

Các công ty hàng đầu trong ngành đang đẩy nhanh quá trình tích hợp theo chiều dọc của chuỗi ngành để hình thành các khả năng khép kín từ nghiên cứu và phát triển vật liệu, sản xuất thiết bị đến dịch vụ in ấn. Các công ty Trung Quốc đã thể hiện nổi bật xu hướng này: các công ty như Platinum và Farsoon High-Tech đã đạt được những bước đột phá về nội địa hóa trong lĩnh vực thiết bị in kim loại; nhiều công ty đã nhận được hỗ trợ từ kế hoạch R&D trọng điểm quốc gia "Kế hoạch 5 năm lần thứ 14" của Bộ Khoa học và Công nghệ nhằm thúc đẩy nghiên cứu công nghệ cốt lõi.

Các nền tảng dịch vụ in 3D cấp công nghiệp như Future Factory sử dụng hệ thống khớp quy trình thông minh để tự động khớp SLA, SLS, MJF, FDM, SLM và các quy trình khác dựa trên cấu trúc bộ phận, vật liệu và số lượng, mức giá tương đương đầu ra và phạm vi phân phối, hạ thấp ngưỡng lựa chọn của người dùng và thúc đẩy phổ biến công nghệ.

3. Tối ưu hóa liên tục cơ cấu chi phí

Chi phí là yếu tố chính hạn chế ứng dụng in 3D trên quy mô lớn. Trong những năm gần đây, vật tư tiêu hao bột được sản xuất trong nước đã giảm đáng kể chi phí nguyên liệu, in song song nhiều tia laser đã cải thiện việc sử dụng thiết bị và hệ thống tuần hoàn bột tự động đã giảm sự can thiệp thủ công và lãng phí nguyên liệu. Lấy ngành điện tử 3C làm ví dụ, việc ứng dụng công nghệ SLM trong lĩnh vực tản nhiệt truyền thông và các bộ phận chính xác của phần cứng thông minh tiếp tục mở rộng, trở thành động lực quan trọng cho sự đổi mới công nghệ trong ngành.

3. Mở rộng kịch bản ứng dụng

1. Hàng không vũ trụ: sản xuất kết cấu nhẹ và phức tạp

Hàng không vũ trụ là lĩnh vực có ứng dụng hoàn thiện nhất và giá trị cao nhất của công nghệ in 3D. Công nghệ SLM có thể sản xuất các bộ phận cấu trúc bên trong phức tạp mà các quy trình truyền thống không thể sản xuất được, chẳng hạn như vòi phun nhiên liệu tích hợp, kênh làm mát cánh tuabin, giá đỡ nhẹ, v.v. Các công ty động cơ hàng không quốc tế như GE Aviation, Rolls-Royce và Safran Group đã áp dụng sản xuất bồi đắp trên quy mô lớn đối với các bộ phận chính.

Lĩnh vực hàng không vũ trụ của Trung Quốc cũng đạt được tiến bộ đáng kể: các công ty hàng không vũ trụ thương mại như Blue Arrow Aerospace sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất các bộ phận động cơ tên lửa, rút ​​ngắn chu trình nghiên cứu và phát triển cũng như giảm chi phí sản xuất. Trong dự án máy bay cỡ lớn COMAC C919, nhiều bộ phận bên trong và kết cấu được sản xuất bằng công nghệ đắp dần, góp phần giảm trọng lượng và nâng cao hiệu suất của máy bay cỡ lớn sản xuất trong nước.

2. Sức khỏe y tế: y học cá nhân hóa và chính xác

Sức khỏe y tế là lĩnh vực quan trọng của ứng dụng in 3D. Theo nghiên cứu của Gartner, thiết bị in 3D y tế được đánh giá là hướng ứng dụng hứa hẹn nhất, bao phủ nhiều phân khúc thị trường như niềng răng, niềng răng, máng dẫn phẫu thuật và cấy ghép. Kể từ khi triển khai đợt tiêu chuẩn nhóm thiết bị y tế in 3D đầu tiên của nước tôi vào tháng 7 năm 2019, mức độ tiêu chuẩn hóa và tiêu chuẩn hóa trong ngành đã tăng lên đáng kể.

Các ứng dụng điển hình bao gồm: mặt dán nha khoa được cá nhân hóa và bộ chỉnh răng vô hình để đạt được khả năng tùy chỉnh chính xác và giao hàng nhanh chóng; cấy ghép chỉnh hình bằng hợp kim titan để phù hợp với hình dạng xương của bệnh nhân và nâng cao tỷ lệ thành công của phẫu thuật; hướng dẫn phẫu thuật và mô hình lập kế hoạch trước phẫu thuật để giúp bác sĩ tối ưu hóa kế hoạch phẫu thuật và giảm thiểu rủi ro phẫu thuật. Vật liệu in 4D có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong giàn giáo kỹ thuật mô và có thể được điều chỉnh thích ứng theo những thay đổi của môi trường sinh lý.

3. Năng lượng và ô tô: đổi mới thành phần cốt lõi

Trong các lĩnh vực năng lượng như năng lượng mới và năng lượng hạt nhân, công nghệ SLM dần thay thế các quy trình đúc và gia công truyền thống nhờ các ưu điểm đúc về khả năng chịu nhiệt độ cao, độ dẫn nhiệt cao và độ bền cao. Các bộ phận chính như bộ trao đổi nhiệt, tấm lưỡng cực pin nhiên liệu và các bộ phận của hệ thống làm mát nhà máy điện hạt nhân có thể đạt được sự tối ưu hóa về cấu trúc và cải thiện hiệu suất thông qua sản xuất bồi đắp.

Ngành công nghiệp ô tô cũng được sử dụng rộng rãi: từ các mẫu xe ý tưởng, nguyên mẫu chức năng cho đến các bộ phận sử dụng cuối cùng, in 3D xuyên suốt toàn bộ quá trình R&D và sản xuất ô tô. Bugatti sử dụng công nghệ SLM để in kẹp phanh bằng hợp kim titan, giúp giảm trọng lượng khoảng 2 kg và tăng độ bền đáng kể. Nhu cầu nhẹ về phương tiện sử dụng năng lượng mới mang lại không gian thị trường rộng lớn cho sản xuất bồi đắp.

4. Sản xuất công nghiệp: khuôn mẫu, đồ đạc

Trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp, in 3D có những ứng dụng hoàn thiện trong sản xuất khuôn mẫu và đồ gá dụng cụ. Khuôn chạy làm mát phù hợp được sản xuất thông qua công nghệ in, giúp rút ngắn chu trình ép phun và cải thiện chất lượng sản phẩm. Việc thiết kế và sản xuất đồ gá dụng cụ nhanh chóng giúp rút ngắn đáng kể thời gian gỡ lỗi dây chuyền sản xuất và cải thiện hiệu quả sản xuất. Công ty Ford Motor sử dụng hàng chục nghìn thiết bị in 3D mỗi năm, tiết kiệm hàng triệu đô la chi phí.

4. Triển vọng tương lai và đề xuất phát triển

1. Hướng phát triển công nghệ

Trong tương lai, công nghệ in 3D sẽ phát triển theo hướng có độ chính xác cao hơn, tốc độ nhanh hơn, nhiều vật liệu hơn và trí tuệ hơn. Tối ưu hóa quy trình do AI điều khiển, phát hiện lỗi được hỗ trợ bằng máy học và tích hợp bản sao kỹ thuật số và sản xuất phụ trợ sẽ đẩy sản xuất thông minh sang một giai đoạn mới. Các công nghệ tiên tiến như in gốm kích thước lớn, in chính xác ở cấp độ nano và in sinh học tiếp tục tạo ra những bước đột phá và mở rộng ranh giới ứng dụng.

Việc thiết lập hệ thống tiêu chuẩn ngành là sự đảm bảo quan trọng cho sự phát triển của ngành. Việc hoàn thiện tiêu chuẩn vật tư, tiêu chuẩn thiết bị, tiêu chuẩn quy trình, tiêu chuẩn kiểm tra chất lượng sẽ thúc đẩy sự phát triển đồng bộ của chuỗi công nghiệp và sự phát triển tiêu chuẩn hóa của thị trường.

2. Công trình sinh thái công nghiệp

Nên xây dựng một hệ sinh thái ngành lành mạnh từ các khía cạnh sau:

Đổi mới vật liệu: Tăng cường đầu tư vào nghiên cứu và phát triển vật liệu kim loại, vật liệu composite và vật liệu thông minh hiệu suất cao, phá vỡ sự phụ thuộc vào nhập khẩu và giảm chi phí nguyên vật liệu.

Nâng cấp thiết bị: Phát triển thiết bị in ấn quy mô lớn, thông minh và chuyên nghiệp để đáp ứng nhu cầu ứng dụng của các ngành công nghiệp khác nhau. Thúc đẩy nội địa hóa thiết bị và cải thiện tính an toàn và khả năng kiểm soát của chuỗi công nghiệp.

Đào sâu ứng dụng: Chuyển đổi từ sản xuất nguyên mẫu sang sản xuất hàng loạt và nâng cấp từ sản xuất bộ phận lên giải pháp tổng thể. Tăng cường ứng dụng trong các lĩnh vực có lợi thế như hàng không vũ trụ và y tế, đồng thời mở rộng các thị trường mới nổi như điện tử tiêu dùng và xây dựng.

Đào tạo nhân tài: Thiết lập cơ chế đào tạo nhân tài để hợp tác nghiên cứu giữa doanh nghiệp và trường đại học nhằm đào tạo các chuyên gia liên ngành và hỗ trợ sự phát triển bền vững của ngành.

3. Chiến lược phát triển doanh nghiệp

Đối mặt với sự điều chỉnh định kỳ của đầu tư ngành suy giảm và thị trường nguội lạnh, các doanh nghiệp nên quay trở lại bản chất của mình và tìm kiếm những bước đột phá: làm rõ định vị thị trường và tập trung vào các lĩnh vực lợi thế cốt lõi; giảm chi phí, nâng cao hiệu quả và nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường; tăng cường hợp tác người dùng, chuyển đổi từ nhà cung cấp thiết bị sang nhà cung cấp dịch vụ giải pháp; tăng cường đầu tư đổi mới công nghệ, xây dựng lợi thế cạnh tranh khác biệt.

Hội nhập và hợp tác là xu hướng tất yếu trong quá trình phát triển của ngành. Các doanh nghiệp lớn nâng cao năng lực toàn diện thông qua mua bán và sáp nhập, các doanh nghiệp vừa và nhỏ tập trung vào các phân khúc thị trường để hình thành lợi thế riêng biệt, còn thượng nguồn và hạ nguồn của chuỗi công nghiệp cùng nhau đổi mới để tạo dựng lợi thế sinh thái.

Tóm tắt

Ngành công nghiệp in 3D đang trong giai đoạn chuyển đổi quan trọng từ giai đoạn trưởng thành về công nghệ sang ứng dụng công nghiệp. Thị trường toàn cầu dự kiến ​​sẽ đạt 600 tỷ USD vào năm 2025, chứng tỏ tiềm năng phát triển ngành rất lớn. Những đột phá trong các công nghệ cốt lõi như in kim loại và đúc đa vật liệu, đào sâu các ứng dụng chính như hàng không vũ trụ và y tế, cũng như tái thiết hệ sinh thái công nghiệp trong kỷ nguyên sản xuất thông minh, cùng nhau tạo ra một tương lai tươi sáng cho ngành sản xuất bồi đắp.

Đối mặt với môi trường phát triển nơi các cơ hội và thách thức cùng tồn tại, đồng thời tuân thủ sức mạnh tổng hợp sinh thái công nghiệp, định hướng theo nhu cầu thị trường và đổi mới công nghệ, ngành in 3D của Trung Quốc chắc chắn sẽ chiếm một vị trí quan trọng trong cạnh tranh toàn cầu và đóng góp lực lượng chủ chốt cho việc xây dựng một quốc gia sản xuất hùng mạnh. Là một nền tảng chuyên nghiệp trong ngành, lantu3D sẽ tiếp tục chú ý đến xu hướng phát triển công nghệ và cung cấp các dịch vụ chuyên nghiệp cũng như hỗ trợ có giá trị cho tất cả các bên trong ngành.