3D打印技術(shù)的本質(zhì)特征及產(chǎn)業(yè)化對策探析

包國光, 趙默典

(東北大學(xué) 馬克思主義學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

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3D打印技術(shù)的本質(zhì)特征及產(chǎn)業(yè)化對策探析

包國光, 趙默典

(東北大學(xué) 馬克思主義學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819)

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比,在原理上具有本質(zhì)性的不同,顯示出“革命性”特征;但3D打印技術(shù)并不能完全替代傳統(tǒng)制造技術(shù),二者是對立統(tǒng)一的互補(bǔ)關(guān)系。中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快,但受到技術(shù)瓶頸困擾、材料進(jìn)口依賴、應(yīng)用成本高企、“市場峽谷”阻礙等方面的制約。為了推進(jìn)中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化,需要正確判定3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的定位;建立“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新中心及上下游合作研制生產(chǎn)3D打印材料;建立應(yīng)用示范基地,增強(qiáng)用戶對3D打印技術(shù)的信心;促進(jìn)3D打印商業(yè)運營模式創(chuàng)新;培育3D打印技術(shù)應(yīng)用人才;政府建立3D打印行業(yè)基金吸引企業(yè)投資跟進(jìn)。

3D打印技術(shù); 增材制造; 產(chǎn)業(yè)化; 市場峽谷

進(jìn)入21世紀(jì)以來,3D(三維)打印(three dimensional printing,簡稱3DP)技術(shù)、增材制造(additive manufacturing,簡稱AM)技術(shù)、快速成形制造技術(shù)(rapid prototyping and manufacturing,簡稱RPM)等新的制造技術(shù)正在快速發(fā)展。國外的一些研究機(jī)構(gòu)和輿論界興奮地預(yù)測,以3D打印技術(shù)為代表的新技術(shù)將會逐漸占據(jù)制造領(lǐng)域的主導(dǎo)地位[1]。國內(nèi)的一些報紙宣稱數(shù)字化增材制造技術(shù)將帶來“第三次工業(yè)革命”,3D打印將撼動全球制造業(yè)[2]。3D打印技術(shù)為何如此受到褒揚,未來的制造業(yè)果真將被3D打印技術(shù)一統(tǒng)天下么?

一、 3D打印技術(shù)的起源與本質(zhì)特征

3D打印技術(shù)之所以被認(rèn)為具有“革命性”,在于它的“技術(shù)原理”與傳統(tǒng)加工制造原理有著根本的不同。

1. 3D打印技術(shù)的“革命性”與優(yōu)勢

(1) 3D打印技術(shù)的起源

19世紀(jì)末美國有人研究出了地貌成形技術(shù),形成了利用“層疊成形”的方法去制作地形圖的構(gòu)想,這是3D打印技術(shù)設(shè)想的來源之一。真正的3D打印技術(shù),學(xué)界一般認(rèn)為開端于20世紀(jì)80年代的美國和日本[3]。1977年,美國的Swainson提出了可以通過激光選擇性照射光敏聚合物的方法來直接制造立體模型產(chǎn)品。1979年,日本的中川威雄利用“層疊成形”的薄膜技術(shù)方法加工出實用的工具模具。1981年,美國的Hideo Kodama首次提出了一套功能感光聚合物快速成形系統(tǒng)的設(shè)計方案。1986年,3D Systems公司成立,開發(fā)出里程碑式的STL文件,并于1988年成功研制出世界首臺商用3D打印機(jī)SLA-250。Scott Crump也于1988年發(fā)明了另一種3D打印技術(shù)FDM,并創(chuàng)建了Stratasys公司,于1992年研制出第一臺FDM技術(shù)的3D打印機(jī)。

(2) 與傳統(tǒng)加工制造技術(shù)相比的“革命性”

傳統(tǒng)加工制造技術(shù)工藝主要是利用力學(xué)、熱學(xué)、壓強(qiáng)等原理來實行加工制造。一般將產(chǎn)品的技術(shù)加工過程分為冷去除加工和熱變形加工兩大類,通常是利用切割、磨削、腐蝕、熔融等方法,去除多余部分,得到零部件形狀,再以拼裝、組合、焊接等方法加工制造成最終產(chǎn)品[4]。

以3D打印技術(shù)、快速成形制造技術(shù)(RPM)為代表的“增材制造技術(shù)”,是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的“集成型”高技術(shù),依賴于計算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、CAD/CAM 技術(shù)、新材料技術(shù)等高技術(shù)群。3D打印技術(shù)的基本原理與傳統(tǒng)的加工制造原理有本質(zhì)的不同。其革命性顯示在基于離散、堆積原理采用不同方法堆積材料,通過計算機(jī)控制來實現(xiàn)產(chǎn)品的成形制造。3D打印技術(shù)制造產(chǎn)品采用的是“增材法”,即用材料逐層或逐點堆積出產(chǎn)品的形態(tài),其基本原理卻都是“分層制造,逐層疊加”,可以類比于數(shù)學(xué)上的“積分”過程,也可以說是微積分原理在制造技術(shù)上的體現(xiàn)。

3D打印技術(shù)這種“自下而上”的“累加堆積”成形原理,即將一個空間實體分層離散加工,再堆積成形得到所需產(chǎn)品(離散-堆積-成形)?；痉椒ǔ绦蚴?首先利用計算機(jī)建立實體的三維CAD模型,再將CAD模型進(jìn)行分層離散化,即將實體沿z方向分層切片,得到各層截面輪廓的幾何信息。然后轉(zhuǎn)換為控制成型機(jī)工作的NC代碼,將成形材料按截面輪廓進(jìn)行分層加工再疊加起來,即得到所需產(chǎn)品的實體形態(tài)。

(3) 3D打印技術(shù)制造產(chǎn)品的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的的去除成形法、受迫成形法加工制造零件相比,3D打印技術(shù)工藝過程不對材料進(jìn)行切割加工,因而也就不會產(chǎn)生工藝廢料。傳統(tǒng)制造工藝的加工周期一般都比較長,受限于刀具、模具形狀,不能制造出復(fù)雜曲面的、異形深孔的特殊零件;而3D打印技術(shù)等“增材制造技術(shù)”彌補(bǔ)了上述制造技術(shù)的缺點,顯示出“綠色技術(shù)”的優(yōu)越特性。

采用3D打印技術(shù),在產(chǎn)品建模設(shè)計階段就可以看到將來欲成型的產(chǎn)品外觀形狀,因而可以超前、靈活地調(diào)整并測試,能夠快速、低成本、高品質(zhì)地推出產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比,3D打印技術(shù)工藝減少了多道加工工序,在一臺設(shè)備上可快速而連續(xù)地“打印”制造出任意復(fù)雜形狀的產(chǎn)品,從而實現(xiàn)“自由制造”,解決許多過去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形問題,并大大減少了加工工序環(huán)節(jié),縮短了加工周期,而且越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品,其制造的效率相對地就越發(fā)顯著。

2. 3D打印技術(shù)的主流類型

① 熔融層積成型技術(shù)(FDM)。通過加熱將塑料類材料(ABS、PC類塑料)軟化,用噴頭將其擠出,迅速固化,逐層堆積成形產(chǎn)品。使用此類技術(shù)的代表性企業(yè)是Stratasys公司。

② 光固化成型技術(shù)(SLA)。采用激光掃描液體的光敏樹脂,將其固化,然后逐層堆積成形產(chǎn)品。使用材料一般為液態(tài)光敏樹脂,代表性企業(yè)是3D Systems公司。

③ 選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)。在激光照射下,使粉末狀材料燒結(jié)。在計算機(jī)控制下按照界面輪廓信息,進(jìn)行有選擇地?zé)Y(jié),堆積成形產(chǎn)品零件。使用材料可以是金屬粉末、陶瓷粉末、熱塑塑料等;代表性企業(yè)是3D Systems公司、EOS公司等。

④ 直接金屬粉末激光燒結(jié)技術(shù)(DMLS)。在基材表面添加熔覆材料,利用高能激光使之與基材表面層一起熔凝,形成添料熔覆層。此項技術(shù)以合金金屬為材料,代表性企業(yè)為EOS公司、MT公司等。

⑤ 激光疊層制造技術(shù)(LOM)。將熱熔膠涂到材料表面,然后熱壓片材,使其粘結(jié);然后用激光器切割零件截面輪廓。紙張、塑料薄膜、鋁箔等可作為材料,代表性企業(yè)有Helisys公司、Kinergy公司等。

⑥ 電子束熔融技術(shù)(EBM)。在高溫下逐層融化金屬粉末,快速成型金屬零件。一般以鈦合金為材料,代表性企業(yè)為Arcam AB公司。

⑦ 3DP技術(shù)。逐層噴涂成型材料,直至所需模型完成。一般以彩色石膏為材料,代表性企業(yè)為3D Systems公司。

支持上述主流的3D打印技術(shù)的程序語言,有低級的STL和高級的AMF等。3D軟件是圖像前期設(shè)計成型建模,有AutoCAD和Solidworks等。

二、 中國3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1. 3D打印技術(shù)研發(fā)與國外保持同步

國外3D打印技術(shù)發(fā)端于20世紀(jì)80年代,我國自20世紀(jì)90年代以來也有多所高校和科研機(jī)構(gòu)開展了“增材制造技術(shù)”領(lǐng)域的自主研發(fā)。如清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、中國科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院金屬研究所和沈陽自動化研究所等科研機(jī)構(gòu),在分層實體制造、FDM工藝、成型材料、光固化成型系統(tǒng)、微制造、金屬粉末激光增量制造系統(tǒng)等方面,取得了與國外基本保持同步、國內(nèi)領(lǐng)先的科技成果。以這些科研院所為技術(shù)依托,分別成立的企業(yè)有北京太爾時代公司、武漢濱湖機(jī)電技術(shù)有限公司、南京紫金立德公司、新松機(jī)器人公司等。國內(nèi)代表性3D打印技術(shù)公司的產(chǎn)品技術(shù)特點見表1。

表1 國內(nèi)代表性3D打印技術(shù)公司的產(chǎn)品技術(shù)特點

2. 國內(nèi)市場增長迅速

世界3D打印技術(shù)市場發(fā)展很快?！?015沃勒斯報告》總結(jié)了增材制造(3D打印)技術(shù)及應(yīng)用在過去一年的發(fā)展,在結(jié)合現(xiàn)有增材制造流程、材料、制造商、打印系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,分析評估了這一行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、機(jī)遇及挑戰(zhàn)。報告指出在2014年,增材制造市場(包括全球整體增材制造產(chǎn)品和服務(wù))的收入為41.03億美元,年復(fù)合增長率為35.2%。2013年的市場收入是30.33億美元,年復(fù)合增長率為33.4%。

《2014沃勒斯報告》中公布的3D打印機(jī)保有量方面,2013年中國的數(shù)量比率(8.8%)落后于美國(30%)、日本(9.4%)、德國(9.1%),但領(lǐng)先于英國(4.3%)、法國(3.3%)。近年來,中國的3D打印產(chǎn)業(yè)也步入高速增長階段,根據(jù)中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟公布的數(shù)據(jù),2013年中國國內(nèi)3D打印產(chǎn)值為20億元,預(yù)計2016年將會達(dá)到100億元左右,見圖1。

圖1 2010—2015年中國3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值

3. 產(chǎn)業(yè)化方面與美歐先進(jìn)國家相比仍有差距

美歐的3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早,已經(jīng)形成了相對比較完整的產(chǎn)業(yè)鏈條。從上游的3D打印設(shè)備、3D打印程序設(shè)計專用軟件、3D打印材料,到下游的3D打印技術(shù)應(yīng)用、3D打印技術(shù)服務(wù)等,保持了有效的鏈接和循環(huán)促動。美國的相關(guān)輔助產(chǎn)業(yè)十分發(fā)達(dá),主要的3D打印公司都是一體化的3D打印解決方案的提供商。美國形成了幾家大的3D打印技術(shù)公司,如3D Systems公司和Stratasys公司,能提供3D打印設(shè)備、配套的程序設(shè)計專用軟件和專用的3D打印材料。還出現(xiàn)了專門的3D打印技術(shù)服務(wù)運營的模式,如Shapeways公司。該公司是做3D打印產(chǎn)品服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè),運營著一個網(wǎng)絡(luò)平臺,有效整合了專業(yè)設(shè)計師、業(yè)余設(shè)計人員、消費者、3D打印技術(shù)和平臺商的關(guān)系,形成了一個3D服務(wù)的生態(tài)系統(tǒng)。

中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化方面,從總體來看,在裝備與核心元件、材料、軟件、產(chǎn)業(yè)整合、服務(wù)模式等方面,與美國有很大差距[5]。中國的3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈條不夠完備,雖然在3D打印技術(shù)設(shè)備開發(fā)研制上緊跟國際步伐,但相關(guān)輔助產(chǎn)業(yè)十分薄弱,3D打印程序設(shè)計專用軟件和3D打印材料對進(jìn)口依賴嚴(yán)重,缺乏3D打印技術(shù)服務(wù)運營公司。中國的3D打印技術(shù)企業(yè)規(guī)模還不夠大,年銷售額最大的北京太爾時代公司也沒有達(dá)到1億美元的銷售規(guī)模。

中國的3D打印技術(shù)專利到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的渠道環(huán)節(jié)不順暢。中國的3D打印技術(shù)開發(fā)活動和專利多在科研院所等機(jī)構(gòu),而企業(yè)的開發(fā)研究能力比較弱,擁有的專利很少。劉紅光等對中國和美國的3D打印技術(shù)專利擁有部門進(jìn)行了統(tǒng)計對比,美國的3D打印技術(shù)專利擁有數(shù)量前五位的部門都是企業(yè)公司,而中國的前五位都是大學(xué)[6]。技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的主體是企業(yè),企業(yè)缺乏專利,大學(xué)專利過多,往往造成從專利技術(shù)到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用不夠通暢或周期過長。

4. 國家制定規(guī)劃促進(jìn)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

2012年10月16日,“中國 3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”成立,以協(xié)調(diào)推進(jìn)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2015年2月28日,《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計劃(2015—2016年)》公布(由工信部、發(fā)改委和財政部聯(lián)合制定)。該計劃提出到2016年,初步建立比較完善的增材制造產(chǎn)業(yè)體系,整體技術(shù)水平保持與國際同步。力爭在產(chǎn)業(yè)化程度、技術(shù)水平、行業(yè)應(yīng)用、研發(fā)支撐等四個方面取得重大進(jìn)展。爭取實現(xiàn)30%的年均增長速度;形成具有較強(qiáng)國際競爭力的3D打印技術(shù)企業(yè)2～3家;部分3D打印技術(shù)工藝裝備達(dá)到國際先進(jìn)水平,研發(fā)一批自主裝備、核心器件及成形材料;在全國建設(shè)一批3D打印技術(shù)應(yīng)用示范中心或基地;建立支持政策,成立3D打印技術(shù)行業(yè)協(xié)會,建立5～6家3D打印技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,形成較為完善的3D打印技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系等。

三、 中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的主要制約因素

1. 技術(shù)上的瓶頸困難

這也是國外3D打印技術(shù)面臨的共同難題,國內(nèi)表現(xiàn)得更加突出。目前,3D打印技術(shù)在工藝穩(wěn)定性、加工精度、重復(fù)加工的效果一致性方面,與傳統(tǒng)加工制造技術(shù)相比還有一定差距。3D打印技術(shù)在支撐工藝、激光掃描算法程序、復(fù)雜數(shù)據(jù)處理、RPM軟件標(biāo)準(zhǔn)化和二次開發(fā)等方面,也存在許多不足。由于受到3D打印技術(shù)設(shè)備自身的體積限制,加工產(chǎn)品的尺寸大小也受到很大局限。許多3D打印技術(shù)設(shè)備對加工材料的質(zhì)量特性要求過高,限制了其應(yīng)用的領(lǐng)域范圍。

2. 3D打印材料的局限

目前3D打印技術(shù)使用的材料達(dá)到300余種,但相對于廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域仍顯十分不足。 3D打印使用的材料主要有三大類 :金屬材料(如鈦合金、銅鋁合金、鎳鉻合金等);高分子材料(如ABS、PLA、PC、PVC、尼龍粉、石膏粉、光敏樹脂等);無機(jī)非金屬材料(如陶瓷、硅粉等)[7]。

中國在3D打印材料的研發(fā)和生產(chǎn)方面處于劣勢。目前國內(nèi)專門從事3D打印材料專業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè)不多,主要依賴于進(jìn)口。3D打印材料的專用性非常強(qiáng),不同類型的3D打印技術(shù)設(shè)備對材料的密度、顆粒分布、氧含量要求等等都不相同,常常是與特定公司的特定型號3D打印設(shè)備捆綁銷售。國內(nèi)使用的多數(shù)3D打印材料就是由3D打印設(shè)備制造公司直接提供,還沒有采取和實現(xiàn)第三方供應(yīng)模式。有些3D打印材料國內(nèi)還沒有生產(chǎn),或是生產(chǎn)的材料精度和強(qiáng)度都較低,難以滿足實際應(yīng)用需要,只能依靠進(jìn)口。進(jìn)口依賴導(dǎo)致成型材料領(lǐng)域利潤非常高,多數(shù)關(guān)鍵材料都被美國公司所壟斷。

3. 技術(shù)應(yīng)用成本過高

制約中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要因素之一是應(yīng)用成本居高不下。盡管3D打印技術(shù)應(yīng)用減少了切削、模具、成型、組裝等方面的制造成本,卻增加軟件、設(shè)計、材料、服務(wù)等環(huán)節(jié)的成本,其中材料成本的影響作用較大。由于中國3D打印技術(shù)企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不大,3D打印技術(shù)設(shè)備售價很高,每臺在4 000～20 000美元不等,限制了中小企業(yè)和私人用市場的擴(kuò)展。3D打印技術(shù)設(shè)備往往需要特殊的能源動力如激光,而激光系統(tǒng)(包括激光器、冷卻器、電源和外光路)的價格及維護(hù)費用昂貴,致使成型件的成本較高,相對于傳統(tǒng)加工制造相同的零件產(chǎn)品,耗電量多出10余倍。

3D打印技術(shù)應(yīng)用特征之一是滿足個性化生產(chǎn)需求,材料的專用性較強(qiáng),規(guī)?；a(chǎn)材料的難度大。雖然3D打印設(shè)備價格在2萬～10萬元,而材料的價格卻從每千克幾百元到4萬元不等。少數(shù)的大企業(yè)如軍工、航天、醫(yī)療、科研等方面的應(yīng)用,可以消化材料的高成本,其他的大多數(shù)用戶卻很難承受3D打印應(yīng)用成本代價。

4. 市場“峽谷”的存在

每一項突破性的新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化過程,都會遇到市場的各種阻力,其中重要的潛在應(yīng)用者的觀望和等待是關(guān)鍵性因素。美國學(xué)者Geoffrey A. Moore (1990)根據(jù)潛在客戶對新技術(shù)應(yīng)用的風(fēng)險的態(tài)度,選擇不同的時間周期階段采用新技術(shù),將技術(shù)采用過程的各個時期階段的進(jìn)入者,劃分為創(chuàng)新者、有遠(yuǎn)見者、實用主義者、保守主義者及落后者五個階段類型。通過對五類各個階段的采用者進(jìn)行了分析研究,Moore發(fā)現(xiàn)技術(shù)采用過程軌跡并不是平滑連續(xù)的,有遠(yuǎn)見者和實用主義者之間的差異最大,他將這種從有遠(yuǎn)見者向?qū)嵱弥髁x者過渡的“間距現(xiàn)象”定義為“峽谷”,也稱做技術(shù)采用峽谷或市場峽谷(見圖2)[8-9]。市場峽谷表示新技術(shù)還沒有被關(guān)鍵的用戶采用,技術(shù)產(chǎn)業(yè)化還處于初期階段的關(guān)鍵時期。

圖2 技術(shù)采用的進(jìn)入階段周期和“市場峽谷”

高群和鄭家霖對國內(nèi)的3D打印技術(shù)采用情況進(jìn)行了實證研究。他們根據(jù)2014年中國制造業(yè)企業(yè)500強(qiáng)中的前200家企業(yè)的公開資料,對其采用3D打印技術(shù)的情況進(jìn)行了調(diào)查統(tǒng)計,得出采用企業(yè)用戶為34家,占調(diào)查總數(shù)的17%。進(jìn)而得出我國3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,處于技術(shù)采用生命周期的“峽谷”階段[10]。

我國目前階段采用了3D打印技術(shù)的公司、部門或個人,屬于有創(chuàng)新精神和遠(yuǎn)見信念的使用者,他們喜歡3D打印技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)和堅信3D打印技術(shù)的“前景”。但“有遠(yuǎn)見的”技術(shù)采用者在市場中所占的比例還很小,3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化還需要穩(wěn)健的、理智的、注重實際利潤的“實用主義者”,他們決定和標(biāo)志著3D打印新技術(shù)的市場應(yīng)用的成熟性。只有越過了市場“峽谷”,3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化才能初步成形。

四、 推進(jìn)中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化對策建議

1. 目前階段3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的定位

盡管3D打印技術(shù)具有“革命性”和“綠色優(yōu)越性”,但不能過于樂觀地高估其產(chǎn)業(yè)功能地位,它并不能完全替代傳統(tǒng)制造技術(shù)。傳統(tǒng)制造技術(shù)與3D打印技術(shù)各具優(yōu)勢,這二者是一種對立統(tǒng)一的互補(bǔ)關(guān)系。3D打印技術(shù)在批量化、高精度、低成本、大尺寸生產(chǎn)產(chǎn)品等方面有局限,更為關(guān)鍵的是3D打印技術(shù)的材料還只能依靠傳統(tǒng)制造技術(shù)來生產(chǎn)。目前,各種3D打印技術(shù)設(shè)備仍然依靠傳統(tǒng)制造技術(shù)來制造,即3D打印技術(shù)設(shè)備還不能完全通過3D打印技術(shù)來制造。

3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè),同傳統(tǒng)制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)之間的關(guān)系,應(yīng)該是相輔相成的互補(bǔ)關(guān)系。目前階段,3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)的定位和目標(biāo),應(yīng)該是發(fā)揮優(yōu)勢長處,并與傳統(tǒng)制造業(yè)進(jìn)行對接、集成、互補(bǔ)、協(xié)調(diào)發(fā)展。我國的3D打印產(chǎn)業(yè)政策和頂層設(shè)計,不能孤立地僅僅針對3D打印技術(shù)與產(chǎn)業(yè),而要抓住3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)同傳統(tǒng)制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)之間的關(guān)聯(lián)處、交接處、互補(bǔ)處,促進(jìn)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)同傳統(tǒng)制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展,才能使相對處于弱勢的3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè),借助傳統(tǒng)制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)的市場優(yōu)勢而逐步壯大。在與其他先進(jìn)制造技術(shù)的結(jié)合方面(如納米技術(shù)、超精密加工技術(shù)、逆向工程等),3D打印技術(shù)具有協(xié)同融合的必要性和廣泛的前景空間。

2. 建立3D打印“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新中心

3D打印技術(shù)的上游開發(fā)研制仍然是關(guān)鍵性的前提,合理有效的技術(shù)開發(fā)應(yīng)用模式,是加快3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的條件和措施。3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的主體是還是企業(yè)公司,建立以企業(yè)為基礎(chǔ)的“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新中心,是推進(jìn)和加快3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的不可缺少的步驟和環(huán)節(jié)。

3D打印技術(shù)的最終應(yīng)用者還是企業(yè)和個人用戶。然而我國目前在3D打印技術(shù)領(lǐng)域研究領(lǐng)先的單位卻是一些高校和研究所,企業(yè)在這些領(lǐng)域的投入和成果都不多。因此,政府各部門應(yīng)加強(qiáng)對3D打印技術(shù)的“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新的支持,在市場銷售、推廣應(yīng)用上給予政策稅收方面的優(yōu)惠,是加快3D打印技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力的有力措施。

3. 上下游合作研制生產(chǎn)3D打印材料

目前的3D打印材料往往是專門為特定的3D打印技術(shù)設(shè)備服務(wù)的,而且生產(chǎn)3D打印材料的企業(yè)仍然是傳統(tǒng)制造企業(yè)。我國解決3D打印材料困境,必須采取3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)上下游通力合作研制生產(chǎn)的模式,包括產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新。

3D打印材料對精細(xì)度、專用性、標(biāo)準(zhǔn)性和可靠性等要求比較高,只有通過加強(qiáng)上游的材料、中游的3D打印機(jī)設(shè)備,以及下游的產(chǎn)品等各個環(huán)節(jié)的密切交流溝通合作,才能促進(jìn)3D打印材料的高級化,推動規(guī)?；a(chǎn)從而降低材料成本。

促進(jìn)3D打印材料發(fā)展的產(chǎn)業(yè)政策,要鼓勵支持材料生產(chǎn)企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)、3D打印技術(shù)設(shè)備制造商及使用者等的通力合作,協(xié)同解決3D打印材料的多品種、高質(zhì)量、低成本和通用性難題。

4. 越過3D打印技術(shù)“市場峽谷”的對策

3D打印技術(shù)作為一項“革命性”的新技術(shù),其產(chǎn)業(yè)化成功的主要標(biāo)志就是越過了“市場峽谷”。3D打印技術(shù)作為戰(zhàn)略性的新興技術(shù),越過市場峽谷不僅僅是一個“市場問題”,而且是一個綜合的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)發(fā)展問題,包括技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品市場、商業(yè)模式、后續(xù)服務(wù)、人才培育、政策配套等。只有穩(wěn)健的、占有市場規(guī)模較大的傳統(tǒng)制造企業(yè)和個人應(yīng)用者,即“實用主義者”們紛紛采用3D打印技術(shù),市場應(yīng)用才能初具規(guī)模,3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化才能初步完成。本文提出以下的對策推進(jìn)我國3D打印技術(shù)突破“市場峽谷”。

(1) 建立應(yīng)用示范基地,增強(qiáng)用戶對3D打印技術(shù)的信心

3D打印技術(shù)是一個新興的、全新的技術(shù)-產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,其優(yōu)點和缺點都十分明顯,潛在的可能用戶大多數(shù)保持觀望是正常的狀態(tài)。增強(qiáng)潛在的用戶(企業(yè)機(jī)構(gòu)用戶和個人用戶)對3D打印技術(shù)和產(chǎn)品的信心,是吸引“實用主義者”們采用3D打印技術(shù)的一個前提條件。各級政府和行業(yè)部門建立一些3D打印技術(shù)應(yīng)用示范基地和產(chǎn)品體驗中心,可以增加潛在的用戶對3D打印技術(shù)的了解,預(yù)期和相信3D打印技術(shù)的市場前景,逐步增強(qiáng)采用3D打印技術(shù)的信心。

(2) 技術(shù)產(chǎn)品設(shè)計針對實用主義者的要求

潛在的用戶中的“實用主義者”是3D打印技術(shù)市場拓展的關(guān)鍵?！皩嵱弥髁x者”的特點是富于理智、規(guī)避風(fēng)險、注重成本、要求技術(shù)可靠、講究利益實效,他們比較關(guān)注技術(shù)工藝的穩(wěn)定性、產(chǎn)品功能的整體性、行業(yè)基礎(chǔ)的牢固性、投資回報的確定性。這就要求3D打印技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)品設(shè)計,要深入地了解“實用主義者”的特點,要針對“實用主義者”的需求偏好和決策風(fēng)格,與“實用主義者”中的主流代表深入溝通合作,來進(jìn)一步爭取“實用主義者”接受和采用3D打印技術(shù)。千方百計降低成本,是吸引“實用主義者”采用3D打印技術(shù)的重要因素。

(3) 推進(jìn)商業(yè)運營模式創(chuàng)新

3D打印技術(shù)制造產(chǎn)品的方式和過程與傳統(tǒng)制造行業(yè)有很大的不同,個性化設(shè)計模式、整體化解決方案、分散化制造方式、小批量生產(chǎn)、訂單決定產(chǎn)量、持續(xù)化的售后服務(wù)等特點,決定了3D打印技術(shù)行業(yè)的商業(yè)運營模式應(yīng)該與傳統(tǒng)制造行業(yè)有很大不同,不能完全照搬模仿傳統(tǒng)制造行業(yè)的商業(yè)運營模式,而必須采取符合3D打印技術(shù)制造產(chǎn)品的方式和過程的獨特的商業(yè)運營模式。

3D打印技術(shù)的商業(yè)運營模式,應(yīng)該以客戶需求為中心而展開,建立經(jīng)常交流溝通、實時跟蹤反饋、快速建模設(shè)計、反復(fù)交換意見、及時提供服務(wù)的運營模式。同時必須充分運用“互聯(lián)網(wǎng)+”的平臺模式,引入“創(chuàng)客空間”來提高創(chuàng)新的效率,降低創(chuàng)新的成本,推動3D打印技術(shù)制造產(chǎn)品的方式的迅捷化、柔性化、大眾化。3D打印技術(shù)是典型的數(shù)字化制造技術(shù),特別適合于遠(yuǎn)程異地設(shè)計制造。開展面向應(yīng)用對象的網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)模式,是推動3D打印技術(shù)發(fā)展的一項重要任務(wù)。

(4) 培育3D打印技術(shù)人才

一個新興技術(shù)的崛起和產(chǎn)業(yè)化,必然需要大量的專門人才。3D打印技術(shù)一旦成為成熟的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)業(yè)技術(shù),必將需要大批的專業(yè)人才來開發(fā)設(shè)計產(chǎn)品、向各個行業(yè)推廣應(yīng)用、維修服務(wù)等。高等院校前瞻地將3D打印技術(shù)等“增材制造技術(shù)”納入相關(guān)學(xué)科建設(shè)體系,培養(yǎng)3D打印技術(shù)、“增材制造技術(shù)”的專業(yè)人才;鼓勵民營機(jī)構(gòu)培訓(xùn)面向各個行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的專門3D打印技術(shù)人才。這些人才培養(yǎng)舉措是3D打印技術(shù)拓展市場應(yīng)用、吸引支持“實用主義者”、實現(xiàn)市場峽谷跨越、完成產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用的不可缺少的條件。

(5) 政府建立行業(yè)基金吸引企業(yè)投資跟進(jìn)

新興技術(shù)在沒有跨越“市場峽谷”之前,潛在的用戶特別是“實用主義者”的投資熱情不高。目前我國的3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)投資不足,尤其是3D打印技術(shù)研發(fā)的投入規(guī)模與美歐相比有很大差距,我國有必要設(shè)立專項基金來推進(jìn)3D打印技術(shù)核心關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。國家發(fā)改委、科技部、財政部、教育部、中科院及各省份,應(yīng)設(shè)立專項基金重點支持3D打印技術(shù)設(shè)備的核心關(guān)鍵技術(shù)和支撐技術(shù)的開發(fā),扶持關(guān)鍵原材料的技術(shù)開發(fā)和工藝改進(jìn),增加新的原材料品種,降低原材料成本。對于3D打印技術(shù)的重大研究項目,實行全國招標(biāo)和聯(lián)合研發(fā)。

在新技術(shù)應(yīng)用初期,進(jìn)行技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化總是伴隨許多困難和創(chuàng)新風(fēng)險。因此,為鼓勵技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化推廣,必須制定相應(yīng)的政策和規(guī)劃來化解困難并降低創(chuàng)新風(fēng)險。政府部門應(yīng)設(shè)立專項基金來推進(jìn)3D打印技術(shù)核心關(guān)鍵技術(shù)研發(fā),同時制定優(yōu)惠政策吸引企業(yè)投資的跟進(jìn),擴(kuò)大3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)的投資規(guī)模。只有3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)的前景呈現(xiàn)出樂觀態(tài)勢時候,觀望的“實用主義者”(公司)才能加入投資的行列,為越過3D打印技術(shù)“市場峽谷”完成初步產(chǎn)業(yè)化做出關(guān)鍵的一步選擇。

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(責(zé)任編輯: 李新根)

On the Essential Characteristics and Industrialization Measures of 3D Printing

BAOGuo-guang,ZHAOMo-dian

(College of Marxism, Northeastern University, Shenyang 110819, China)

Theoretically, 3D printing totally differs from traditional manufacturing technology in essence and has its own revolutionary features. However, 3D printing will not replace traditional manufacturing technology completely in that they are the unity of complementary opposites. 3D printing industry has developed fast but also encountered such restrictions as technological bottleneck, dependence on imported materials, high application cost and impediment of “market canyon”. To improve the industrialization of 3D printing in China, it is recommended that the role of 3D printing should be located correctly, collaborative innovation centers for “industrial and academic studies” and cooperative up-down mechanisms should be built to create 3D printing materials, application demonstration bases should be established to enhance users’ confidence in 3D printing, commercial operation modes for 3D printing should be innovated, application-oriented talents for 3D printing should be cultivated, and 3D printing industry sponsored by the government should be founded to attract investment from enterprises.

3D printing; additive manufacturing; industrialization; market canyon

10.15936/j.cnki.10083758.2016.02.001

2015-10-28

遼寧省教育廳人文社會科學(xué)研究資助項目(W2014044); 陳昌曙技術(shù)哲學(xué)基金資助項目(0047103117)。

包國光(1965- ),男(蒙古族),黑龍江肇源人,東北大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師,主要從事技術(shù)哲學(xué)和馬克思主義哲學(xué)研究; 趙墨典(1987- ),男,遼寧錦州人,東北大學(xué)博士研究生,主要從事技術(shù)哲學(xué)研究。

N 031; F 264

A

1008-3758(2016)02-0111-07