3D打印技術(shù)瓶頸核心有哪些？

王鎵垠

近年來被媒體熱炒、官方追捧的3D打印技術(shù)，相較于傳統(tǒng)去除多余材料形成零部件的機加工生產(chǎn)方式，其新穎的增材制造的理念在上世紀(jì)80年代一經(jīng)推出，即受到學(xué)界、媒體和民眾的熱捧。

隨著其核心部件如激光、高精度電機、加熱噴頭等相關(guān)技術(shù)的逐步發(fā)展與性能的提升，加之諸如打印汽車、槍支、食品、器官等炒作事件被媒體推波助瀾的報道，3D打印這一概念的關(guān)注度在近5至8年間被提升到相當(dāng)高的位置，其產(chǎn)值和應(yīng)用范圍被媒體、民眾和政府嚴(yán)重高估。但2013年初開始的3D打印股票接連下挫的市場行為，使得3D打印概念廣泛被各類券商、基金等投資機構(gòu)看空，且媒體相關(guān)報道趨向理性和全面，導(dǎo)致存在于3D打印這一被持續(xù)熱捧概念中的泡沫開始破裂。國內(nèi)市場上如樂高股份、光韻達等多支3D打印明星股開始大幅下挫，國際市場上除3D打印龍頭3D Systems和Stratasys由于企業(yè)并購等利好因素導(dǎo)致股價上揚之外，其他3D打印股價均回歸低位。這一市場行為的直接原因在于，3D打印還未形成廣泛的工業(yè)應(yīng)用，不存在實際的完整產(chǎn)業(yè)鏈條。3D打印不能大面積應(yīng)用的最重要原因在于各類適用材料不能滿足設(shè)計要求，3D打印材料是3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

目前3D打印技術(shù)的核心在于打印材料

各類3D打印材料直接影響打印產(chǎn)品性能和后續(xù)工藝

所謂3D打印材料，是增材制造（即3D打?。┘夹g(shù)用于逐層堆積制作零部件的基礎(chǔ)原材料和技術(shù)核心，科研人員針對不同類型和性質(zhì)的原材料開發(fā)出原理大相徑庭的各類3D打印技術(shù)。目前市場上主流的3D打印工藝類型有選擇性激光燒結(jié)（SLS）、光固化成型（SLA）、絲材熔融擠出成型（FDM）、液體噴印成型（3DP）、分層實體制造（LOM）以及上述類型相應(yīng)的細分衍生技術(shù)等，其應(yīng)用材料則包含金屬粉末、高分子聚合物、光敏樹脂、聚乳酸、無機材料粉末、生物高分子材料等，涵蓋范圍十分廣泛。

由于3D打印技術(shù)采用在水平面內(nèi)逐行成型、在三維結(jié)構(gòu)內(nèi)逐層堆積的技術(shù)原理，致使打印材料的性能直接決定成品的強度、剛度等力學(xué)性能，粗糙度等表面質(zhì)量，以及防潮性、熱穩(wěn)定性、生物相容性等其他特殊性能。材料性能又能進一步影響熱處理、表面理化處理、精加工、拋光鍍膜等后續(xù)工藝，直接影響生產(chǎn)成本和成型效率。隨著其他相關(guān)零部件技術(shù)的不斷提高，3D打印材料的地位不斷提升，其性能已成為當(dāng)前影響3D打印技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品應(yīng)用的核心問題。

打印材料是促進3D打印設(shè)備及零部件技術(shù)創(chuàng)新的原動力

目前在常用3D打印材料種類基本穩(wěn)定的前提下，企業(yè)期望提升產(chǎn)品質(zhì)量、提升產(chǎn)品競爭力、擴大市場份額，就需要對打印設(shè)備的總體設(shè)計進行優(yōu)化，對成型工藝進行創(chuàng)新，對加熱制冷噴頭、三維運動機構(gòu)、步進伺服電機、激光束電子束發(fā)生器、送料裝置等一系列打印設(shè)備組件進行技術(shù)升級，以提高3D打印設(shè)備的市場競爭力，提高3D打印產(chǎn)品的力學(xué)性能、表面質(zhì)量，減少預(yù)處理、后處理工序，節(jié)約成本提高生產(chǎn)效能。例如，選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)針對不同材料提升激光束質(zhì)量、設(shè)定相應(yīng)聚焦點尺寸和激光強度，熔融擠出成型（FDM）技術(shù)研究噴頭加熱溫度對ABS塑料熔絲尺寸和成型性能的影響，設(shè)備中三維運動機構(gòu)提高精度的改進，步進、伺服電機的響應(yīng)速度和精度的提升，均是在打印材料的需求影響下進行的技術(shù)提升和創(chuàng)新，打印材料的需求可在相當(dāng)大程度上影響3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢。

打印材料在3D打印產(chǎn)業(yè)內(nèi)占有重要市場份額

3D打印產(chǎn)業(yè)包含打印設(shè)備、打印材料和打印服務(wù)三大類。據(jù)統(tǒng)計，2013年全球3D打印產(chǎn)業(yè)中，打印設(shè)備產(chǎn)值和打印材料產(chǎn)值比重相當(dāng)，分別為38.6%和37.2%，均超過總產(chǎn)值40.1億美元的三分之一，打印服務(wù)產(chǎn)值占比略小，為24.2%。打印材料業(yè)務(wù)可較大程度影響3D打印企業(yè)的生存發(fā)展，如全球3D打印龍頭3DSystem公司由于其打印耗材需求量大增，導(dǎo)致其在2012年底收購了多家材料生產(chǎn)企業(yè)，材料業(yè)務(wù)的增長最終使其在2013年全年實現(xiàn)45%的營收增速，在全球3D打印泡沫開始破裂時逆勢增長。由于目前應(yīng)用于3D打印的材料種類較少，大量材料的應(yīng)用潛能還未開發(fā)出來，隨著技術(shù)的提升將開發(fā)更多類型材料投入應(yīng)用，打印材料在全行業(yè)總產(chǎn)值所占比重將進一步提升，打印材料可能成為整個3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值最高的一環(huán)。

當(dāng)前3D打印材料在應(yīng)用領(lǐng)域面臨的突出問題

性能或效率不符合要求，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)需要

總體來說，3D打印材料成型出的產(chǎn)品普遍具有強度剛度低、表面質(zhì)量差且具有臺階型紋路、生產(chǎn)效率低等共同缺點，在采用不同工藝技術(shù)路線時還暴露出了其他特定加工成型的劣勢。3D打印技術(shù)必須和其他技術(shù)進行復(fù)合才有可發(fā)展的市場空間。相比于傳統(tǒng)的鑄造、車銑、鍛壓、焊接等金屬機加工生產(chǎn)方式和模具澆灌等非金屬材料生產(chǎn)方式，3D打印技術(shù)成型耗時長而效率低。僅在生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件或設(shè)計原型時，3D打印技術(shù)凸顯出一定的加工優(yōu)勢，但其產(chǎn)品的性能在多數(shù)情況下還不能滿足使用要求。

金屬是3D打印最為廣闊的潛在市場。但在金屬材料打印時，僅支持十多種金屬進行加工，如特定幾種鋁硅合金、鈦合金、鎳合金和不銹鋼，且需要預(yù)先制成專用的金屬粉末；打印出的金屬制品致密度低，最高能達到鑄造件致密度的98%，遠低于鍛造件的力學(xué)性能；打印制品表面質(zhì)量差，精度2～10μm，需要打磨拋光機加工等后處理；3D打印具有復(fù)雜曲面的零部件時，支撐材料難以去除。目前金屬打印產(chǎn)品極少能作為零部件直接組裝應(yīng)用。

無機材料打印主要用于生產(chǎn)陶瓷結(jié)構(gòu)，適用材料范圍極窄，如陶瓷粉、粘土和粘合劑等，且打印完成后需要再進行后處理和高溫?zé)Y(jié)，與其他3D打印制品類似，打印出的結(jié)構(gòu)表面精度差、力學(xué)性能差。最大劣勢在于其生產(chǎn)效率遠低于其他生產(chǎn)方式。

近年來生物組織打印被媒體熱炒，眾多高校和科研機構(gòu)參與其中。但僅支持明膠、膠原與合成高分子混合物等幾種材料；打印出的結(jié)構(gòu)生物相容性較差，孔隙率小且孔洞分布不均勻，細胞附著生長繁殖率低。目前在全球范圍內(nèi)的生物打印僅對組織器官進行結(jié)構(gòu)模仿，并未出現(xiàn)擁有特定理化功能的生物打印成功案例。

少數(shù)技術(shù)成熟的打印材料應(yīng)用市場狹小

在眾多3D打印技術(shù)中，熔融擠出成型（FDM）和光固化成型（SLA）研究較為深入，技術(shù)較為成熟。FDM技術(shù)采用ABS塑料、聚乳酸、尼龍等熱熔性材料進行零部件成型，能實現(xiàn)較好的成型精度和表面質(zhì)量，精度在0.08mm以內(nèi)；SLA技術(shù)采用光敏樹脂進行成型工作，成型精度和表面質(zhì)量比FDM更加優(yōu)異，精度在0.05mm以內(nèi)。但上述兩項技術(shù)所用材料僅能應(yīng)用于工藝品、展示模型、設(shè)計原型制作等領(lǐng)域，應(yīng)用范圍較為狹窄，其在零件裝配可行性方面的市場份額也被功能更為強大的繪圖軟件所取代。

新材料概念多于實用技術(shù)，媒體炒作屏蔽應(yīng)用劣勢

各3D打印企業(yè)出于宣傳公關(guān)、公布利好等目的，定期會將幾種新材料推向市場，尤其是行業(yè)內(nèi)龍頭企業(yè)，其產(chǎn)品名錄包含幾十乃至上百種類的材料。但經(jīng)仔細研究發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)材料是已經(jīng)量產(chǎn)材料的類似物，僅在同種類別內(nèi)進行相應(yīng)研發(fā)，并無實質(zhì)上的創(chuàng)新材料推出。企業(yè)定期向市場宣稱有新材料應(yīng)用時，炒作新材料概念贏取股價上漲的公關(guān)意義大于推出有效創(chuàng)新提升技術(shù)水平的研發(fā)意義。

近年來全球及國內(nèi)媒體瘋狂炒作3D打印概念，諸如打印汽車、槍支、食品、器官等新聞不斷見諸報端，賦予3D打印“第三次工業(yè)革命”的意義，誤導(dǎo)民眾認(rèn)為3D打印是制造一切產(chǎn)品的解決方案，而對其打印材料的局限性、打印成本等問題則避而不談。例如，3D打印金屬手槍并試射子彈的報道，著重強調(diào)其創(chuàng)新應(yīng)用，而隱瞞了金屬材料無法達到要求，在試射幾發(fā)子彈之后槍管爆裂的事實；3D打印人造器官的報道，并未深究其試驗產(chǎn)品不具備任何生物理化性能，天然高分子材料中的細胞無法建立聯(lián)系形成組織，細胞無法成活的現(xiàn)狀，所謂產(chǎn)品僅是形狀類似的表面功夫；3D打印汽車的報道，并未和傳統(tǒng)方式制造的汽車進行性能對比，未做碰撞測試確定材料強度性能，且汽車動力總成、懸掛、底盤、轉(zhuǎn)向等均為傳統(tǒng)方式制造，僅有外殼和面板由3D打印生產(chǎn)，最重要的是相比于傳統(tǒng)制造方式，3D打印效率低下、成本高昂則未被提及。3D打印技術(shù)的媒體炒作嚴(yán)重干擾了各級政府規(guī)劃和招商的判斷能力，其被淪為部分國內(nèi)企業(yè)從地方政府圈錢的財富工具。3D打印的市值被嚴(yán)重高估，事實情況是目前全球3D打印產(chǎn)值總額不到富士康某個新建工廠的年產(chǎn)值。

逐步解決我國3D打印材料問題的對策建議

加強頂層設(shè)計與發(fā)展指導(dǎo)

首先應(yīng)堅持并增大3D打印產(chǎn)業(yè)，尤其是3D打印材料產(chǎn)業(yè)的政策扶植力度，定期出臺文件指導(dǎo)3D打印產(chǎn)業(yè)在不同時期內(nèi)有側(cè)重點的發(fā)展，將面向工業(yè)生產(chǎn)及航空航天的金屬打印材料研發(fā)作為產(chǎn)業(yè)提升和促進的主要方向。梳理亟待解決的金屬3D打印關(guān)鍵技術(shù)，列入國家和地方科技發(fā)展計劃，加大研發(fā)扶植力度。其次，集中優(yōu)勢力量開展提升3D打印材料力學(xué)性能、致密性和成型精度的專題研究，持續(xù)舉辦發(fā)展論壇并適當(dāng)予以引導(dǎo)和支持。再次，將3D打印階段性成果以及創(chuàng)新技術(shù)成果實時向汽車、船舶、機加工、航空航天等大規(guī)模制造型企業(yè)進行示范推廣，尋找產(chǎn)業(yè)結(jié)合點，創(chuàng)造市場需求，并支持產(chǎn)業(yè)內(nèi)上下游企業(yè)間的合作，建立3D打印產(chǎn)業(yè)與制造業(yè)之間面向市場需求的溝通研發(fā)長效機制，發(fā)掘新型的產(chǎn)業(yè)交叉盈利模式。最后，聯(lián)合高校等科研機構(gòu)，建立3D打印企業(yè)，尤其是3D打印材料生產(chǎn)企業(yè)的金屬材料創(chuàng)新研發(fā)平臺，予以一定資金和政策支持，引導(dǎo)企業(yè)和高校聯(lián)合集中優(yōu)勢研發(fā)力量攻克3D打印材料技術(shù)瓶頸。

加強定向高技術(shù)人才培養(yǎng)

建立高校培養(yǎng)、企業(yè)實踐、面向研發(fā)需求應(yīng)用的鏈條式人才培養(yǎng)機制，對有利于解決金屬3D打印形成大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)需求的人才進行重點培養(yǎng)。首先，加大高校和其他科研機構(gòu)在金屬材料打印工藝、力學(xué)性能、合金新材料開發(fā)、精度提升等科目的資金投入，設(shè)立重大科研成果獎勵機制，鼓勵社會和企業(yè)資金對高校優(yōu)秀人才進行獎勵資助。其次，加強3D打印產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)的知識產(chǎn)權(quán)保護力度，強化知識產(chǎn)權(quán)成果轉(zhuǎn)化，針對我國國情開展知識產(chǎn)權(quán)防護和風(fēng)險分析以及戰(zhàn)略保護等內(nèi)容的系統(tǒng)培訓(xùn)。企業(yè)內(nèi)部應(yīng)加大知識產(chǎn)權(quán)保護培訓(xùn)力度，建立完善的內(nèi)部提拔合格人才的選拔機制。再次，對本領(lǐng)域國際專家進行試點引進，吸引海外華人學(xué)者回國發(fā)展、創(chuàng)業(yè)、投資。最后，針對打印材料領(lǐng)域內(nèi)培養(yǎng)或引進的高端人才，為其提供生活便利。通過降低企業(yè)社保負(fù)擔(dān)、增加工資補貼、便利子女入學(xué)等方式，增強企業(yè)對專業(yè)相關(guān)人才的吸引力。

創(chuàng)立需求、應(yīng)用、研發(fā)互動信息平臺

在3D打印企業(yè)、高?？蒲袡C構(gòu)、潛在市場應(yīng)用企業(yè)和相關(guān)政府部門之間搭建以3D打印供需為主導(dǎo)的、解決研發(fā)技術(shù)問題為目的的全面信息平臺。在3D打印企業(yè)和大規(guī)模生產(chǎn)性企業(yè)之間互通有無、明確需求、開發(fā)潛在應(yīng)用之后，3D打印企業(yè)可將生產(chǎn)技術(shù)難題及時與高校等科研機構(gòu)溝通合作，面向需求解決問題；同時高?？商岢銮罢靶詽撛趹?yīng)用，聯(lián)絡(luò)3D打印企業(yè)和潛在市場需求企業(yè)進行聯(lián)合應(yīng)用開發(fā)；借助此平臺還可及時向各方提供政府在3D打印及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的建設(shè)思路和扶植力度，在政府政策引導(dǎo)下找對方向快速發(fā)展。

鼓勵企業(yè)上延下拓集群發(fā)展

學(xué)習(xí)3D打印行業(yè)龍頭3D System和Stratasys的成功經(jīng)驗，通過資本運作和企業(yè)并購將材料、零部件、銷售等上下游企業(yè)納入公司自身管理范圍，壯大技術(shù)和資金實力，節(jié)約生產(chǎn)成本提高效益。鼓勵和引導(dǎo)企業(yè)圍繞核心業(yè)務(wù)，拓展服務(wù)業(yè)務(wù)，通過融資、并購、租賃等資本運作手段整合上下游發(fā)展勢頭較好、技術(shù)水平較高、管理水平完善的配套企業(yè)。鼓勵促進企業(yè)間交流合作，支持產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)聚集發(fā)展，鼓勵開拓產(chǎn)品增加附加值的企業(yè)行為。

（本文轉(zhuǎn)自《裝備制造》）