我國3D打印發(fā)展面臨材料與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新雙重瓶頸

丁雪

在剛結(jié)束的兩會(huì)上，李克強(qiáng)總理在《2015年政府報(bào)告》中指出，制造業(yè)是中國的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，要實(shí)施“中國制造2025”，制定“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等與現(xiàn)代制造業(yè)結(jié)合，促進(jìn)電子商務(wù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)金融健康發(fā)展。工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會(huì)、財(cái)政部于2月28日發(fā)布《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃》，表明3D打印行業(yè)已進(jìn)入了加速增長期，發(fā)展空間巨大。北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)北京新材料發(fā)展中心于3月13日組織3D打印專家和行內(nèi)從業(yè)人員召開“3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)沙龍”，探討關(guān)于3D打印技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢。

3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展難點(diǎn)在材料

3D打印技術(shù)依托于多學(xué)科的融合，不同于傳統(tǒng)制造采用“人工+機(jī)械”的模式，3D打印與信息技術(shù)的結(jié)合遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)制造。3D打印產(chǎn)業(yè)主要涉及材料、設(shè)備、軟件、應(yīng)用服務(wù)4個(gè)方面，北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究員陳繼民談到，目前3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展難點(diǎn)在于材料（我國提供3D打印材料的主要公司見表1），目前我國應(yīng)用于3D打印的材料比較有限，現(xiàn)在市場上的打印材料有金屬材料、樹脂、塑料、陶瓷、石膏等。國內(nèi)用于3D打印材料質(zhì)量堪憂，且存在材料與設(shè)備的匹配性的問題。即使是應(yīng)用于桌面打印機(jī)的熱固性塑料在使用過程中仍存在堵頭、斷絲等問題。用于3D打印的金屬粉末則基本依賴國外進(jìn)口，國內(nèi)沒有商業(yè)化的產(chǎn)品。目前，使用金屬材料在3D打印加工精度上與傳統(tǒng)加工相比較低，盡管激光燒結(jié)金屬材料加工精度已經(jīng)可以達(dá)到0.1mm，相當(dāng)于傳統(tǒng)制造中精密鑄造的水平，但是與車削加工相比精度仍然較低，因此在對精度要求較高的領(lǐng)域通常結(jié)合傳統(tǒng)加工進(jìn)行后續(xù)處理以提高精度。整體而言，3D打印使用的材料價(jià)格仍然較為昂貴，鈦合金屬粉末每千克價(jià)格在數(shù)千元至萬元不等，主要原因是行業(yè)尚未大規(guī)模使用，原材料都是小批量供應(yīng)，成本仍然較高。未來，隨著技術(shù)水平不斷提高，行業(yè)應(yīng)用更為廣泛，能夠用于3D打印的材料越來越多，打印材料的價(jià)格也將大幅下降。

國內(nèi)3D打印廠商缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)

經(jīng)過幾年的媒體報(bào)道、企業(yè)的市場推廣，無論是3D打印產(chǎn)業(yè)的從業(yè)者還是消費(fèi)者，對3D打印技術(shù)和應(yīng)用的認(rèn)知度不斷提高。加之國家政策對3D打印產(chǎn)業(yè)的支持愈發(fā)明晰，預(yù)計(jì)國內(nèi)3D打印將呈現(xiàn)出爆發(fā)性增長。在這個(gè)過程中，中外企業(yè)間的競爭越來越激烈，國外一些公司正在力圖通過技術(shù)專利來建立競爭壁壘。不過，隨著鑒于熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、激光固化成型技術(shù)（SLA）和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）基礎(chǔ)專利紛紛到期，會(huì)極大地緩解這一問題。

據(jù)北京易加三維科技有限公司總經(jīng)理馮濤介紹，國內(nèi)目前還沒有主營業(yè)務(wù)是3D打印的上市公司，但已有20多家上市企業(yè)涉及3D業(yè)務(wù)。大多數(shù)從事3D打印企業(yè)沒有上市，由于3D打印技術(shù)門檻較高，多數(shù)企業(yè)帶有高校和院所背景。據(jù)了解，國內(nèi)還沒有真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的金屬3D打印設(shè)備，國內(nèi)生產(chǎn)的3D打印機(jī)絕大多數(shù)還只是桌面級(jí)，產(chǎn)品集中于模型、玩具等低端領(lǐng)域。

隨著產(chǎn)業(yè)的不斷推進(jìn)，一些自主產(chǎn)品陸續(xù)出現(xiàn)，北京工業(yè)大學(xué)正在自主研發(fā)3D打印設(shè)備，能夠達(dá)到幅面不受限制、精度不降低；湖南華曙高科技有限責(zé)任公司由于掌握國際水準(zhǔn)的核心技術(shù)，設(shè)備可以出口；北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等在3D打印裝備研發(fā)發(fā)展比較快，但主要面向航空行業(yè)。

總體來看，我國3D打印行業(yè)規(guī)模小、集中度低，在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都缺乏在全球市場領(lǐng)先的企業(yè)。在技術(shù)創(chuàng)新方面，微創(chuàng)新不斷出現(xiàn)，但顛覆性的創(chuàng)新少。例如：一種全新的材料或全新的3D打印工藝，中國市場上推出或銷售的3D打印機(jī)大多采用了開源技術(shù)，擁有自主創(chuàng)新的企業(yè)較少。在金融投資方面，由于距離商業(yè)化應(yīng)用尚有距離，投資額度還較低。

工業(yè)領(lǐng)域是3D打印未來的市場

3D打印是增材制造，是直接從數(shù)字模型通過層層堆積來生產(chǎn)三維實(shí)體的技術(shù)。它可以按照計(jì)算機(jī)預(yù)先設(shè)計(jì)好的三維立體模型，以特制粉末或液態(tài)金屬等新材料為原料，專用“3D打印機(jī)”為工具，將每層粉末打印成型，最終形成所需產(chǎn)品。3D打印最早主要用于產(chǎn)品原型的制造，受材料和打印技術(shù)等限制3D打印用于直接制造產(chǎn)品的比例非常小，而近年來隨著技術(shù)突破，工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域直接用于產(chǎn)品制造的比例快速上升，特別是在制造金屬產(chǎn)品領(lǐng)域上的應(yīng)用急劇增長。根據(jù)Wohlers Associates的統(tǒng)計(jì)，采用3D打印直接制造產(chǎn)品在全球3D打印和相關(guān)服務(wù)中的比例從2003年的3.9%增長到2013年的34.7%。

在全球范圍內(nèi)業(yè)界普遍看好3D打印在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，認(rèn)為工業(yè)領(lǐng)域?qū)⑹?D打印未來的主要市場。3D打印作為增材制造，發(fā)展的核心是“材”，不同的材料在形態(tài)、原理、結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)不同，從理論上講，很難有一臺(tái)3D打印機(jī)適配于所有應(yīng)用，因此，偏重工業(yè)化的專用機(jī)和專門化設(shè)備將成為發(fā)展主流。目前國內(nèi)3D打印的市場主要是實(shí)驗(yàn)研發(fā)和個(gè)性化設(shè)計(jì)，3D打印將成為傳統(tǒng)機(jī)械加工行業(yè)的有力補(bǔ)充，彌補(bǔ)大型復(fù)雜件加工難的不足。

而全產(chǎn)業(yè)鏈布局，也將是3D打印未來重要的發(fā)展方向。一些國際大型企業(yè)都開始向全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展布局。美國3D SYSTEM早期自己生產(chǎn)光敏樹脂，后來收購了塑料線材生產(chǎn)商VP，之后還收購3D打印陶瓷技術(shù)的領(lǐng)先供應(yīng)商Figulo公司，不斷將產(chǎn)業(yè)鏈擴(kuò)大。國內(nèi)以北京隆源自動(dòng)成型有限公司為例，初創(chuàng)時(shí)是自己作材料，不斷地進(jìn)行材料和設(shè)備的匹配度調(diào)試，隨著近幾年國外大企業(yè)進(jìn)入3D行業(yè)后，原材料與大廠合作，提高了生產(chǎn)效率，也提高了產(chǎn)品質(zhì)量，拓寬了銷路。從工業(yè)3D打印來說，在工業(yè)級(jí)FDM技術(shù)領(lǐng)域，仍然是設(shè)備廠商強(qiáng)勢，主導(dǎo)材料發(fā)展；但從工業(yè)級(jí)3D打印產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展來看，要實(shí)現(xiàn)直接成型的功能，使其不但有“形”，更要具有制品本身的“結(jié)構(gòu)和功能”。這就需要強(qiáng)有力的材料廠商介入?yún)f(xié)同開發(fā)。

平臺(tái)構(gòu)建促3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展

在中國的80后和90后中，有許多熱衷于創(chuàng)新和富有創(chuàng)意的年輕人，他們愿意將熱情投入到某個(gè)他們感興趣的領(lǐng)域中，將他們的才華與他人分享，一旦他們的創(chuàng)意被大眾認(rèn)可，他們就會(huì)與公司和產(chǎn)品建立起情感聯(lián)系，隨著對3D打印技術(shù)感興趣和使用這項(xiàng)技術(shù)的人越來越多，研發(fā)者開發(fā)出富有創(chuàng)意的3D打印平臺(tái)（見表2）供大家交流、滿足大眾需求，這種個(gè)性化和定制化的研制和銷售，3D打印的應(yīng)用服務(wù)也將是3D打印產(chǎn)業(yè)未來市場發(fā)展的主要方向。

3D打印更新了傳統(tǒng)的制造方式，從無到有地制造零件的新型制造技術(shù)，一些顛覆性的創(chuàng)新在推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展，目前3D打印產(chǎn)業(yè)正進(jìn)入加速成長期，發(fā)展空間巨大。我們相信，通過技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印行業(yè)未來將創(chuàng)造出更大的社會(huì)財(cái)富。