給我一個3D 打印機還你一架噴氣式飛機

■ 楊恩泉

作為具有前沿性、先導性的新興技術，3D 打印技術作為“第三次工業(yè)革命的重要標志”，被認為是推動新一輪工業(yè)革命的重要契機。

世界主要國家競相從戰(zhàn)略高度重視發(fā)展3D 打印

3D 打印技術的歷史由來已久。1986年，美國3D System 公司推出了第一款工業(yè)化的“3D 打印”設備，1990年開始銷售，短短幾年中，形成了巨大的市場。近年來，美國以企業(yè)和大學及科研機構等半政府半民間的組織為主導力量，明顯加大加快了對3D 打印技術研發(fā)的組織力度。2009年，以美國相關大學為主的“增材制造路線（RAM）研討會”就未來5-10年的技術發(fā)展進行了廣泛的討論，并發(fā)表了較有影響的路線圖研討報告。根據(jù)這一報告的建議，由愛迪生焊接研究所（EWI）牽頭于2010年成立“增材制造共同體AMC（Additive Manufacturing Consortium）”，試圖將相關的制造商與供應商同大學及研究機構聯(lián)結成為一個互動良性促進發(fā)展的生態(tài)組織，共同解決3D 打印技術中還存在著的大量問題。AMC 目前已有30 余家企業(yè)、研究所、大學、軍方和政府等機構成員，以金屬材料的增材制造技術為主，每季度活動一次。目前，AMC 整合EWI 及其成員的設備、技術和專業(yè)知識，初步構成了一個分布式、網(wǎng)絡化的增材制造“國家實驗平臺中心NTBC（National Test Bed Center）”。AMC 和NTBC 的使命就是提高3D 打印增材制造技術的成熟度，促進相應的產業(yè)投資，在全美范圍內將這一新興的制造方式早日轉化為主流的制造方式。自2011年起，AMC 每年都向其會員發(fā)布增材制造的現(xiàn)狀報告。此外，近3年來美國政府、軍方及企業(yè)還多次組織3D 打印技術的有獎挑戰(zhàn)大賽，希望以此加速相關技術的發(fā)展、應用和普及。

盡管美國在3D 打印的整體技術上領先全球，但在基礎研究設施、研發(fā)組織和政府支持上，歐盟明顯領先。首先，歐盟在政府研發(fā)方面的投入要大于美國（不計不公開的國防軍事投入），著名的大型合作項目包括英國的增材制造創(chuàng)新中心、歐盟第六框架項目大航空航天組件快速生產Rapolac（Rapid Production of Large Aerospace Components），全程專注航空航天的SMD（Shaped Metal Deposition）技術等。其次，歐洲工業(yè)界也主動組織形成3D打印產業(yè)群，開發(fā)增材制造的市場。一度形成原始創(chuàng)新技術源于美國，但其后的研發(fā)和應用及商業(yè)化卻是由歐盟等國家完成的局面。此外其他一些國家也都競相從國家戰(zhàn)略高度重視發(fā)展增材制造業(yè)，澳大利亞近期制定了金屬堆積制造路線，南非正在扶持基于激光的大型堆積制造機器的開發(fā)，日本也在著力推動堆積制造技術的推廣應用。

3D 打印行業(yè)處于迅速兼并與整合過程中，專利成為競爭的重要武器。2011年，3D 打印產業(yè)的市場規(guī)模為17億美元。目前，快速成型技術的市場應用份額如圖1 所示，其中航空航天約占8%。目前，全球有兩家3D 打印機制造巨頭，分別為3D System 和Stratasys，均在美國上市，2011年營業(yè)收入分別為2.3億美元和1.6億美元。3D Systems 公司自2009年以來已連續(xù)收購了25 家公司，并于2011年11月收購了3D打印技術的最早發(fā)明者和最初專利擁有者Z Corporation 公司之后，一舉奠定了在3D 打印領域的龍頭地位。Stratasys 公司繼2011年5月收購Solidscape 公司之后，又于2012年4月與以色列著名3D 打印系統(tǒng)提供商Objet 宣布合并。當前，國際3D 打印行業(yè)正處于迅速兼并與整合過程中，行業(yè)巨頭正在加速崛起。3D 打印行業(yè)巨頭積極展開收購行動，在擴大公司規(guī)模的同時也吸收了大量的相關專利，并以此專利優(yōu)勢，在專利上限制對手的發(fā)展。目前全球擁有3D 打印專利前5 名的公司見圖2、表1。

從2005年開始，3D Systems 利用自己的專利優(yōu)勢成功狙擊了納博特斯克的7 項專利申請。2012年底，3D Systems 又控告Formlabs 公司推出的初級3D 打印機涉嫌侵犯其專利技術。

圖1 快速成型市場的行業(yè)應用份額

圖2 全球擁有3D打印專利前5名的公司比較情況

表1 全球擁有3D打印專利前5名的公司

我國3D 打印的技術水平基本與國際同步，但在產業(yè)化方面嚴重失同步。20 世紀90年代初，我國開始推進增材制造設備，即3D 打印機的研發(fā)，在快速成型技術方面取得了長足進展。我國的華中科技大學、清華大學、西安交通大學、北京隆源公司、中航重機激光和南京航空航天大學等單位，于上世紀90年代初率先開發(fā)快速成型設備，以及進行相關技術的研究、開發(fā)、推廣和應用。其中，清華大學成功開發(fā)了無木模鑄造工藝（Patternless Casting Manufacturing），即采用逐點噴灑粘結劑和催化劑的方法來實現(xiàn)鑄造沙粒間的粘結。華中科技大學研發(fā)出世界最大激光快速制造裝備，使得我國在快速制造領域達到世界領先水平。西安交通大學研制出了激光快速成型設備LPS、SPS 系列成型機，并成功推向國內外市場。在國家科技部領導和組織下先后成立了近10 家旨在推廣應用快速成型技術的“快速原型制造技術生產力促進中心”，863/CIMS 主題專家組還將快速成形技術納入目標產品發(fā)展項目?？梢哉f，我國在典型的快速成形設備、軟件、材料等方面的研究和產業(yè)化方面獲得了重大進展，我國快速成形技術的研究工作基本與國際同步。但在快速成形技術新設備研發(fā)和應用方面我國則落后于國外。國外快速成形技術在航空領域有超過8%的應用量，而我國在這方面的應用量則非常低。據(jù)估計，3D 打印設備在我國企業(yè)級裝機量在400 臺左右，2010年以來年均增速為70%左右，市場規(guī)模超過1億元。

3D 打印產品

2013年1月16～20日，巴黎時裝周，首次展出3D 打印機制作的服飾，小到手鏈，大到衣服。

2013年4月9日比特網(wǎng)消息，德國Doppelbock 大學發(fā)明了全球首臺可自我復制的3D 打印機，支持打印比自己小點的子3D 打印機。

2013年4月18日人民網(wǎng)消息，英國倫敦皇家醫(yī)院的牙醫(yī)兼移植專家安德魯·達烏德為因惡性腫瘤切除左臉的60歲的埃里克·莫杰利用3D打印重塑了左臉，并且可以正常的喝水進食。

當前，國際3D 打印行業(yè)正處于迅速兼并與整合過程中，專利成為競爭的重要武器，行業(yè)巨頭正在加速崛起。

3D 打印技術在航空領域的應用情況

3D 打印技術將以其革命性的“制造靈活性”和“大幅節(jié)省原材料”在制造業(yè)掀起一場革命，它最適合應用于多品種、小批量、結構復雜、原材料價值量高的結構制造領域，因此有望在航空制造領域獲得廣泛應用。

歐美已將3D 打印技術視為提升航空航天領域水平的關鍵支撐技術之一。3D 打印技術在航空領域的應用主要集中在3 類：其一是外形驗證，整機和零部件外形評估和測試、驗證；其二是直接產品制造，例如無人機的機翼、云臺、油箱、保護罩等，美國一些大飛機中也有多個零部件采用3D 打印直接制造；其三是精密熔模鑄造的原型制造，采用精密澆鑄工藝來制作部件前的原型等。

波音公司已經(jīng)利用3D 打印技術制造了大約300種不同的飛機零部件，包括將冷空氣導入電子設備的形狀復雜導管。目前波音公司和霍尼韋爾正在研究利用3D 打印技術打印出機翼等更大型的產品。

空客在A380客艙里使用3D打印的行李架，在“臺風”戰(zhàn)斗機中也使用了3D 打印的空調系統(tǒng)?？湛凸咀罱岢觥巴该黠w機概念”計劃，制定了一張“路線圖”，從打印飛機的小部件開始，一步一步發(fā)展，最終在2050年左右用3D 打印機打印出整架飛機?！案拍铒w機”本身有許多令人眼花繚亂的復雜系統(tǒng)，比如仿生的彎曲機身，能讓乘客看到周圍藍天白云的透明機殼等，傳統(tǒng)制造手段難以使用，3D 打印或許是一條捷徑。

GE 航空2012年11月20日收購了一家名為Morris Technologies 的3D 打印企業(yè)，計劃利用后者3D 打印技術打印LEAP 發(fā)動機組件。GE 把這次收購看作是對新制造技術的投資，認為具備處理新興材料與復雜設計的工藝制造開發(fā)能力，對GE 的未來至關重要。

美國空軍對3D 打印也抱以厚望，近日與3D Systems 簽約，投資29.5億美元用于其開發(fā)打印F-35戰(zhàn)機和其他武器系統(tǒng)的3D 打印系統(tǒng)。

中航重機激光技術團隊早在2000年前后，就已經(jīng)開始投入“3D激光焊接快速成型技術”研發(fā)。目前，中航重機激光產品已經(jīng)應用于我國多款新型軍用飛機上，并起到關鍵作用。除了軍用飛機，中航重機激光還在開拓世界最先進四代航空發(fā)動機最核心技術之一——整體葉盤應用市場，以及大型水面水下艦艇市場。

北航同我國主要飛機設計研究所等單位進行“產學研”緊密合作，瞄準大型飛機、航空發(fā)動機等國家重大戰(zhàn)略需求，歷經(jīng)17年在國際上率先突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型復雜整體關鍵構件激光成形工藝、成套裝備和應用關鍵技術，并已在飛機大型構件生產中研發(fā)出5 代、10 余型裝備系統(tǒng)，已經(jīng)受近10年的工程實際應用考驗，使我國成為迄今世界上唯一掌握大型整體鈦合金關鍵構件激光成形技術并成功實現(xiàn)裝機工程應用的國家。2013年1月18日，王華明聯(lián)合研發(fā)團隊憑“3D 激光快速成型技術”獲國家技術發(fā)明一等獎。

相比較傳統(tǒng)制造業(yè)，3D 打印在制造模式、流程、供應鏈等方面發(fā)生巨大變化。其一，定制成為新標準。制造模式上，過去是生產線規(guī)?；a，今后則可能更多的是數(shù)字化、個性化、分散化的定制生產，不再需要庫存大量零部件，也不需要大量生產。其二，縮短上市時間。3D 打印無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期。其三，更優(yōu)越的產品性能。3D 打印的產品是自然無縫連接，結構之間的穩(wěn)固性和連接強度要高于焊接等傳統(tǒng)方法。其四，開放式的產品設計。3D 打印產品設計者與消費者之間可以通過互動改進產品，這個互動是雙向的，消費者也可以自己設計產品。其五，改變離岸經(jīng)濟模式。3D 打印對產品供應鏈有重大影響，選擇生產地時，勞動力成本不再那么重要，而是考慮如何接近消費者，傳統(tǒng)過程的供應鏈就變得短了，使得傳統(tǒng)的離岸經(jīng)濟模式得以改變。

歐美已將3D 打印技術視為提升航空航天領域水平的關鍵支撐技術之一?？湛凸咀罱岢觥巴该黠w機概念”計劃，制定了一張“路線圖”；GE 航空收購了一家3D 打印企業(yè)，美國空軍對3D 打印也抱以厚望。

3D 打印產業(yè)的未來發(fā)展前景

對于3D 打印未來的發(fā)展前景，業(yè)界普遍看好。作為全國工業(yè)的主管部門，工信部準備組織研究制定3D 打印技術路線圖、中長期發(fā)展戰(zhàn)略，推動完善3D 打印技術規(guī)范和標準制定，研究制定支持3D 打印產業(yè)發(fā)展的專項財稅政策。據(jù)報道科技部的3D 打印相關戰(zhàn)略規(guī)劃也正在研究制定中，近期即將公布。高德納（Gartner）公司2012年的新興技術炒作周期報告判斷：3D 打印技術目前正在進入概念炒作的高峰階段，在5～10年的時間內將迎來發(fā)展高峰。

據(jù)Wohlers Associates 報告分析，全球3D 打印產業(yè)產值在1988～2010年間保持著26.2%的年均增速。2011年3D 打印產業(yè)的市場規(guī)模為17億美元，到2016年產業(yè)總產值將達到31億美元，2020年將達到52億美元，其中零部件制造將占80%。而對于快速成型應用領域，則市場更為廣闊。2012年，全世界快速成型制造的產值估計為230億美元，2015年產值將會達到350億美元。

不過3D 打印技術要進一步擴展其產業(yè)應用空間，目前仍面臨著一些瓶頸和挑戰(zhàn)：一是成本方面，現(xiàn)有3D 打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及應用帶來了困難。二是打印材料方面，目前3D 打印的成型材料多采用化學聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患。三是精度、速度和效率方面，目前3D 打印成品的精度還不盡人意，打印效率還遠不適應大規(guī)模生產的需求，而且受打印機工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴重沖突。四是產業(yè)環(huán)境方面，3D 打印技術的普及將使產品更容易被復制和擴散，制造業(yè)面對的盜版風險大增，現(xiàn)有知識產權保護機制難以適應產業(yè)未來發(fā)展的需求。

3D 打印技術未來發(fā)展的主要趨勢

隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟，新的信息技術、控制技術、材料技術等不斷被廣泛應用到制造領域，3D 打印技術也將被推向更高的層面。未來，3D 打印技術的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。

提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質量、力學和物理性能，以實現(xiàn)直接面向產品的制造；開發(fā)更為多樣的3D 打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質材料及復合材料等，特別是金屬材料直接成型技術有可能成為今后研究與應用的又一個熱點；3D 打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便，更加適應分布化生產、設計與制造一體化的需求以及家庭日常應用的需求；軟件集成化，實現(xiàn)CAD/CAPP/RP 的一體化，使設計軟件和生產控制軟件無縫對接，實現(xiàn)設計者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠程在線制造。

航空制造業(yè)整合3D 打印技術的建議

我國是制造業(yè)大國，3D 打印技術對中國諸多企業(yè)將是顛覆性的變革。我國航空制造業(yè)必須未雨綢繆，為迎接此技術革命做好準備。

其一，推進“產學研用”結合，拓展應用領域，延伸產業(yè)鏈，提高產業(yè)化程度。

其二，改變產品，如研發(fā)現(xiàn)有產品的數(shù)字版及3D 打印所需相應的軟硬件。

其三，改變制造過程和方法，將現(xiàn)有制造系統(tǒng)智能化自動化，引入3D 制造系統(tǒng)，形成復合體系。增材制造和減材制造相輔相成，復合制造體系在今后將成為主流。

其四，改變商業(yè)模式。這一次新工業(yè)革命要求完全不同的價值獲取與盈利模式，及相關的流程設計，資源配置和組織機構的形式。

其五，提前謀劃專利布局，在發(fā)展初期就要放眼長遠，更多地走自己的專利之路，努力搶占技術先機，積極進行合理的專利布局，包括國際市場專利布局，同時擺脫對國外3D 打印耗材的依賴，避免陷入不必要的專利泥潭，爭取在未來的市場競爭中占據(jù)有利地位。

GE 收購3D 打印企業(yè)，某種程度上給航空企業(yè)提供了借鑒：通過一些資本化運作手段，兼并收購一些具有核心技術的3D 打印企業(yè)，以核心制造能力為重點，打造航空企業(yè)自身的價值元寶曲線，或許是在這次工業(yè)革命中實現(xiàn)快速趕超的有效途徑。

3壟斷生產：第二次工業(yè)革命（1840～1950年）

“集中發(fā)展到一定階段，可以說就自然而然地走到壟斷。因為幾十個大型企業(yè)彼此之間容易達成協(xié)定；另一方面，正是企業(yè)的規(guī)模巨大造成了競爭的困難呢，產生了壟斷的趨勢?！保ā读袑庍x集》第2 卷）

如果說第一次工業(yè)革命對生產關系的影響是產生了資本主義工廠制，第二次工業(yè)革命則因為電力的廣泛應用而影響了石油、汽車、飛機等產業(yè)的變革甚至一系列新興產業(yè)的誕生，美國和德國成為壟斷組織最發(fā)達的兩個國家。資本主義國家已經(jīng)成為壟斷組織的代言人。