中國3D打印產(chǎn)業(yè)的制約因素和應對策略

鄭淑榮

3D打印于上世紀80年代誕生于美國，學名是“快速成型技術”，也被稱為“增材制造技術”，是將設計好的物體轉(zhuǎn)化為三維設計圖，采用分層加工、疊加成形的方式逐層增加材料來打印真實物體。其工作原理與傳統(tǒng)打印原理類似，只不過3D打印機不用紙與墨，而是用塑料、金屬、陶瓷、沙子等材料做成粉狀后充當“墨水”進行打印。3D打印不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機床就可以打造出任意形狀。其過程分為掃描和打印兩部分：先通過計算機建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。3D打印分為三大類：一是大眾消費級，多用于工業(yè)設計、文化創(chuàng)意等領域；二是工業(yè)級，主要用于模具、模型等行業(yè)以及金屬零部件等產(chǎn)品制造；三是生物工程級，如打印牙齒、細胞、器官等。

中國3D打印產(chǎn)業(yè)的制約因素

目前，3D打印技術正在歐美掀起如火如荼的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展熱潮，而中國在這個領域還欠缺影響力。盡管新材料和高端裝備制造兩個戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的落地執(zhí)行，為3D打印在中國的突破奠定了相關技術基礎，但是3D打印技術的發(fā)展仍存在瓶頸。

研發(fā)力量小而零散，且各自為戰(zhàn)。美國由于企業(yè)介入3D打印技術較早，因此研發(fā)實力較強。占據(jù)3D 打印產(chǎn)業(yè)主導地位的一些美國公司，每年研發(fā)投入占銷售收入的10% 左右。而中國雖然上世紀80 年代末就已在西安交通大學、華中科技大學和清華大學等高校開始研究，但幾所院校的研發(fā)和設計都是各自為戰(zhàn)，發(fā)展很慢。而且中國3D打印的研發(fā)投入與美國相比有較大差距，占銷售收入的比重也很少。

材料存在問題。在我國，可適用的材料成熟度跟不上整個3D打印市場的發(fā)展。目前3D打印耗材有限，多為石膏、塑料、可粘結(jié)的粉末顆粒、樹脂等，制造精度、復雜性、強度等難以達到較高要求，一般只能應用于模型、玩具等產(chǎn)品領域。而對于金屬材料來說，如果液化打印則難以成型，如果采用粉末冶金方式，除高溫還需高壓，因此恐怕短期內(nèi)很難成熟。另外，當前不能將不同材料混在一起打印，只能一次打印一種材料。換言之，現(xiàn)有的3D打印技術只能生產(chǎn)由一種材料組成的零件，再組裝成成品，距離一次性通過3D打印生產(chǎn)汽車、飛機的設想，還有相當一段距離。同時，還存在打印時的流暢性與固化程序需要時間的矛盾、冷卻定型與材料強度之間的矛盾以及材料對人體的安全性及對環(huán)境的友好性之間的矛盾等。

產(chǎn)品性能存在缺陷。首先，由于3D打印是材質(zhì)一層一層堆積成形，每一層都有厚度，這決定了它的精度難以企及傳統(tǒng)制造方法。提高制造精度需不斷降低每一層的厚度，這樣在難度提高的同時，也大幅延長了制造時間。即便層和層之間粘結(jié)再緊密，其產(chǎn)品性能也無法和傳統(tǒng)模具整體澆鑄的零件相媲美。其次，噴嘴問題難以解決。目前噴嘴有用膠漆噴的、鋪粉后再用激光融化后進行打印的（后者做金屬類的東西）、金屬和非金屬兼容的。后者一般要同時用到兩個噴頭，目前國內(nèi)還沒有此類技術，即便在國外，也無法輕易解決。

價格高企，價值有限。當前3D打印機價格高企，昂貴的設備只能提供有限的價值。即使3D打印機成本能夠降下來，但單個商品的制造成本依然得不到解決。使用3D打印機制造商品，其成本要遠高于大型企業(yè)規(guī)?；a(chǎn)后均攤到每一件商品的成本，而后者批量生產(chǎn)也比3D打印產(chǎn)品的制造速度要快得多。目前市場上3D打印機價格差距懸殊，例如西安交通大學推出的一款家用3D打印機售價僅為6800元，而打印樹脂制品的設備價格在40萬到200萬元，打印金屬制品的設備價格竟在350萬到1500萬元。不僅如此，3D打印所需原料價格同樣差距甚大。低端原料國內(nèi)已能自產(chǎn)，價格比較便宜，但高端原料只能從國外進口，價格昂貴。進口樹脂材料高達每公斤數(shù)千元，而用于組織器官培育生物材料每克在百元左右。以飛機零件為例，打印這類部件的金屬粉末原料，一公斤售價8萬元，一枚零件打印出來后至少要賣到2萬元。因此，高昂的成本限制了產(chǎn)業(yè)化和相關研究的推進。

所占市場份額較小。據(jù)全球知名的3D 打印行業(yè)咨詢機構(gòu)——美國沃勒斯合伙公司的報告顯示：2012 年，3D 打印全球市場規(guī)模為22 億美元，同比增長了29%。其中3D 打印機的銷售量同比上升了25%，其中有38%產(chǎn)自美國，8.5%來自中國。我國的3D打印企業(yè)北京殷華（依托于清華大學）、陜西恒通智能機器（依托西安交通大學）、湖北濱湖機電（依托華中科技大學）等雖然都已實現(xiàn)了一定程度的產(chǎn)業(yè)化，部分企業(yè)生產(chǎn)的便攜式桌面3D 打印機的價格已具備國際競爭力，成功進入歐美市場，但企業(yè)規(guī)模普遍較小，對技術研發(fā)投入不足，在加工流程穩(wěn)定性、工件支撐材料生成和處理、部分特種材料的制備技術等諸多環(huán)節(jié)存在缺陷，難以完全滿足產(chǎn)品制造的需求。

應用領域有限。國外的3D打印技術已經(jīng)在新產(chǎn)品開發(fā)、生物醫(yī)療、航空航天、汽車、模具制作、影視教育、創(chuàng)意等方面有較多應用。特別在西方國家，3D 打印技術打印出來的個性化假牙、假肢在醫(yī)療健康領域已經(jīng)取得成效。美國在2011年就達到了每4公里范圍內(nèi)一定會有一臺3D 打印機的程度，而我國還主要局限于模具打印、文化創(chuàng)意產(chǎn)品等少數(shù)領域。

無法應用于工業(yè)化大批量生產(chǎn)。與模具制造等傳統(tǒng)工藝相比，3D激光打印機制造的同類產(chǎn)品可減重65%、節(jié)材90%。但如果是批量生產(chǎn)，傳統(tǒng)技術仍具有優(yōu)勢。如果新研發(fā)一種新產(chǎn)品，單件小批量生產(chǎn)，3D打印肯定比傳統(tǒng)開模生產(chǎn)要快。但如果進入批量生產(chǎn)階段，3D打印顯然還不適合。這點與普通打印如出一轍——打印幾張紙很快，如果印書，還是到印刷廠制版印刷效率更高。因此，3D打印技術只能在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)做不了的領域發(fā)揮作用。特別是在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)批量不大、價格昂貴的部分，利用3D打印一次成型技術，打印設計好的復雜結(jié)構(gòu)，可以節(jié)約材料，降低零部件研制周期和成本。此外，在制造精度上，3D打印目前與傳統(tǒng)的機械加工制造技術仍有差距，傳統(tǒng)機械制造的精度可以達到微米級，而3D打印目前只能做到百微米級，這種差距很難迅速消失。

產(chǎn)業(yè)鏈上企業(yè)整合度低。從完整產(chǎn)業(yè)鏈看，3D打印技術至少包括上游的設計、材料和下游的制造、營銷等環(huán)節(jié)，國內(nèi)制造商在制造環(huán)節(jié)也許并不落后，但在上游的軟件開發(fā)、設計研發(fā)以及市場營銷等方面，則缺乏“整體化配合”。3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要完善的供應商和服務商體系及市場平臺。在供應商和服務商體系中，包含工業(yè)設計機構(gòu)、3D數(shù)字化技術提供商、3D打印機及耗材提供商、3D打印設備經(jīng)銷商、3D打印服務商；市場平臺包含第三方檢測驗證支持、金融支持、電子商務、知識產(chǎn)權保護等支持。而目前國內(nèi)的3D打印企業(yè)的產(chǎn)業(yè)整合度較低，主導的技術標準、開發(fā)平臺尚未確立，技術研發(fā)和推廣應用還處于無序狀態(tài)。

缺乏教育培訓和社會推廣。目前，我國多數(shù)制造企業(yè)尚未接受“數(shù)字化設計”、“批量個性化生產(chǎn)”等先進制造理念，對3D 打印這一新興技術的戰(zhàn)略意義認識不足。企業(yè)購置3D 打印設備的數(shù)量非常有限，應用范圍狹窄。在機械、材料、信息技術等工程學科的教學課程體系中，缺乏與3D 打印技術相關的必修環(huán)節(jié)，還停留在部分學生的課外興趣研究層面。

發(fā)展中國3D打印產(chǎn)業(yè)的對策

從國家戰(zhàn)略層面統(tǒng)籌規(guī)劃，避免一哄而上。英國增材制造聯(lián)盟主席格瑞漢姆·卓曼表示，能推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展的是工業(yè)級應用，而中國以中心工業(yè)城市集聚帶動產(chǎn)業(yè)、依靠政府支持是目前比較好的一種發(fā)展途徑，有利于工業(yè)級3D打印技術的發(fā)展和應用推廣。中國3D打印技術產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書長、亞洲制造業(yè)協(xié)會首席執(zhí)行官羅軍也預測，中國有潛力成為世界最大的3D打印市場，這引起了不少地方政府對發(fā)展相關產(chǎn)業(yè)的興趣。有人覺得3D打印是萬能技術，是賺錢的良機，而實際上，有發(fā)展3D 打印產(chǎn)業(yè)技術基礎的城市并不多，盲目一哄而上的結(jié)果可能會損害3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，應從國家戰(zhàn)略層面統(tǒng)籌規(guī)劃，避免各地政府競相上馬，過度競爭。

制定3D打印產(chǎn)業(yè)相關的扶持政策。2012年，在工信部的支持下，中國3D打印技術產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，這也是世界上首個3D打印技術產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。目前，國內(nèi)有40多家從事3D打印技術的上下游企業(yè)、科研單位都加入了聯(lián)盟。為整合資源，促進3D打印盡快產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟已首批選擇在南京、青島建設3D打印技術產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，三年內(nèi)正式啟動至少10個3D打印創(chuàng)新中心，發(fā)展500家傳統(tǒng)企業(yè)進入3D打印技術產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。

在科技部2013年公布的《國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）以及國家科技支撐計劃制造領域2014年度備選項目征集指南》中，3D打印產(chǎn)業(yè)首次入選。未來仍應加大對3D打印產(chǎn)業(yè)的支持力度。首先，要創(chuàng)新科研機制，使3D打印研發(fā)力量既各有分工，又互助互補。同時，要利用社會主義集中力量辦大事的制度優(yōu)勢，打破當前各自為政的局面，集中優(yōu)勢資源，來共同突破3D打印在原材料、操作范圍和工藝穩(wěn)定性等諸多方面面臨的技術瓶頸。另外，要設立專項基金，重點推進數(shù)字化技術、軟件控制、打印裝置、材料技術等關鍵技術的研發(fā)。在研發(fā)扶持中，要注意建立公平、公正的研發(fā)績效評估體系，鼓勵各研發(fā)主體探索不同的技術路徑。最后，通過制定稅收、金融、政府采購及人才引進等方面的優(yōu)惠政府，重點在若干產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)支持幾家團隊實力強、研發(fā)基礎扎實的企業(yè)作為發(fā)展這個產(chǎn)業(yè)的先導。

加強材料方面的基礎研究。據(jù)悉，國內(nèi)做材料方面的基礎研究的人員不多，造成了當前“有鍋沒米”的局面，而缺乏材料也影響應用領域的擴展。隨著大量材料或混合物應用于3D打印技術，如何更好地理解每種材料的加工、結(jié)構(gòu)、屬性之間的關系，并發(fā)揮好它們的特性仍需大量的研究工作。同時，開發(fā)質(zhì)量測試的程序和方法以幫助擴展可用材料的種類也十分重要。在3D打印技術完全過渡到可提供切實可行的制造解決方案之前，需要整合研究機構(gòu)和材料制造商等多方力量來為材料提供力學性能數(shù)據(jù)的規(guī)范性標準。未來還應針對3D打印制定通用的材料物性標準，使3D打印的適用材料（特別是金屬材料）通用化，以降低3D打印的應用門檻。此外，應開發(fā)更為多樣的新材料，如智能材料、功能材料、復合材料，特別是多種金屬材料直接成型，以及金屬粉末材料的國產(chǎn)化等等。

加強產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟建設，推動3D產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。應積極引導高等院校、工業(yè)設計企業(yè)、3D數(shù)字化技術提供商、3D打印機及材料研發(fā)企業(yè)和機構(gòu)、3D打印服務應用提供商組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，利用有關學會、協(xié)會的平臺加強研討和交流，共同推動3D打印技術研發(fā)和行業(yè)標準制定。促進3D打印技術發(fā)展的市場平臺建設，包括3D打印電子商務平臺、3D打印數(shù)據(jù)安全和產(chǎn)權保護機制、3D打印及周邊項目投融資機制等，以促進產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

加大產(chǎn)學研合作力度。國外專利權人以企業(yè)為主，注重企業(yè)間的合作，其專利權人之間已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展的模式。國內(nèi)專利權人以高校和科研機構(gòu)為主，缺少大型獨立研發(fā)的企業(yè)，且合作意識不強，企業(yè)之間缺少交流。因此，應借鑒美國3D 打印企業(yè)的運營模式，將研發(fā)重點移向技術應用，加大產(chǎn)學研合作力度，加大扶植重點企業(yè)的研發(fā)，以突破“校園模式”，向市場和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變。

加強對3D打印知識產(chǎn)權保護規(guī)則的設計。3D打印工程師們已經(jīng)開始在產(chǎn)品設計及硬件開發(fā)上進行交流和協(xié)作，這促進了這個行業(yè)技術上的合作與發(fā)展，同時也使得我們不得不重視對3D打印知識產(chǎn)權的保護。當產(chǎn)品設計的所有數(shù)據(jù)都保存于一個數(shù)字檔案中時，這個檔案就極易被復制、傳播以及盜版。雖然目前還無法明確關于3D 打印的知識產(chǎn)權的規(guī)則是應該更嚴格（這將阻礙創(chuàng)新）還是更寬泛（這將鼓勵盜版），但關于3D 打印知識產(chǎn)權的規(guī)則設計無疑對于3D 打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極為重要。

尋找中國3D打印當前的出路。核心技術掌握在外國企業(yè)手中，中國3D打印的出路在哪里？目前，最理想的方式是利用該領域的開源趨勢，把國外的圖紙、控制器引進到國內(nèi)，使我國企業(yè)與國際公司站在同一起跑線上。當然，要想真正解決技術難題，仍需要投入大量的時間和精力，需要政府持續(xù)進行支持。否則，核心技術的缺失將導致3D打印的未來發(fā)展難以為繼。

加強教育培訓，促進3D 打印技術的社會化推廣。應將3D 打印技術納入相關學科建設體系，培養(yǎng)3D 打印技術人才。還要依靠行業(yè)協(xié)會、博覽會、論壇等組織形式進行3D 打印技術和應用的培訓。同時，在科技館、文化藝術中心、青少年活動中心等公共機構(gòu)進行3D 打印技術的展示、宣傳和推廣。最后，應當發(fā)展3D 打印服務機構(gòu)，推廣技術應用，為發(fā)展3D 打印產(chǎn)業(yè)積累應用經(jīng)驗。