3D打印未來(lái)可期

王壇壇

在看到中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展成績(jī)的同時(shí)，我們也要意識(shí)到目前產(chǎn)業(yè)尚處于產(chǎn)業(yè)化起步階段，專(zhuān)用的材料、工藝、裝備等核心技術(shù)還有待進(jìn)一步突破，標(biāo)準(zhǔn)體系、安全法規(guī)有待進(jìn)一步完善，商業(yè)模式應(yīng)用領(lǐng)域還有待進(jìn)一步開(kāi)拓。

2019年1月，清華大學(xué)運(yùn)用自主研發(fā)的機(jī)器臂3D打印混凝土技術(shù)，在上海建成目前世界上規(guī)模最大的混凝土3D打印步行橋。該橋全長(zhǎng)26.3米，寬度3.6米，橋梁結(jié)構(gòu)借取了中國(guó)古代趙州橋的結(jié)構(gòu)方式，采用單拱結(jié)構(gòu)承受荷載，拱腳間距14.4米。據(jù)介紹，步行橋最多可以承載600人的重量。

說(shuō)到3D打印，大家并不陌生。近幾年，3D打印技術(shù)大火。3D打印是增材制造（Additive Manufacturing）的俗稱(chēng)，是一種融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工與成型技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專(zhuān)用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料，按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實(shí)體物品的制造技術(shù)。

3D打印技術(shù)作為一種新興的快速制造技術(shù)，在很多生產(chǎn)制造領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。時(shí)至今日，雖然消費(fèi)者對(duì)3D打印的關(guān)注度下降，但3D打印技術(shù)在航空航天、醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用正快速加強(qiáng)。

不一樣的技術(shù)

現(xiàn)代意義上的3D打印技術(shù)誕生于20世紀(jì)80年代中期。

1986年，美國(guó)科學(xué)家查爾斯·胡爾（Charles Hull）發(fā)明了立體光固成型技術(shù)，并以此獲得了專(zhuān)利。同年，Charles Hull開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)，并成立了3D Systems公司。1988年，斯科特·克倫普（Scott Crump）發(fā)明了熔融沉積成型技術(shù)，并于次年成立了Stratasys公司。1989年美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Carl Dechard發(fā)明了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)。同年，德國(guó)EOS公司成立。

早期的3D打印局限于塑料打印。一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)轉(zhuǎn)折點(diǎn)是在20世紀(jì)90年代中期，針對(duì)金屬燒結(jié)或金屬熔化技術(shù)的增材制造的出現(xiàn)。EOS在1995年推出了全球第一套商業(yè)化的金屬3D打印設(shè)備，能夠直接制造出金屬件，使得3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍瞬間拓展。雖然當(dāng)時(shí)可用的金屬材料很少，但從那時(shí)起，3D打印技術(shù)開(kāi)始慢慢拓展到不同行業(yè)。

2007年，英國(guó)巴斯大學(xué)的機(jī)械工程高級(jí)講師Adrian Bowyer博士在開(kāi)源3D打印機(jī)項(xiàng)目RepRap中，成功開(kāi)發(fā)出世界首臺(tái)可自我復(fù)制的3D打印機(jī)，3D打印機(jī)開(kāi)始進(jìn)入普通人的生活。2008年，以色列Objet Geometries公司推出其革命性的Connex500快速成型系統(tǒng)，它是有史以來(lái)第一臺(tái)能夠同時(shí)使用幾種不同打印原料的3D打印機(jī)，開(kāi)創(chuàng)了混合材料打印的先河。

3D打印涉及多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，包括光學(xué)技術(shù)、電子、機(jī)械制造、信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等，是技術(shù)密集型行業(yè)，具有多學(xué)科交叉、技術(shù)復(fù)雜度高的特點(diǎn)。在加工方法上，3D打印和傳統(tǒng)的機(jī)械加工大不相同。傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法往往是“做減法”，在制造過(guò)程中材料逐漸減少;鍛造、鑄造等熱加工方法，可粗略視為“等材制造”;3D打印恰好相反，采用打印頭、噴嘴等，通過(guò)逐層增加材料的方式制造三維實(shí)體物件。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印不用事先制造模具，不用在制造過(guò)程中去除大量的材料，也不用通過(guò)復(fù)雜的鍛造工藝。因此，在生產(chǎn)上可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、節(jié)約材料和節(jié)省能源。3D 打印技術(shù)適合于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、快速單件及小批量零件制造、復(fù)雜形狀零件的制造、模具的設(shè)計(jì)與制造等。

發(fā)展至今，3D打印產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸成長(zhǎng)為可以滿足工業(yè)生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型的產(chǎn)業(yè)。產(chǎn)業(yè)鏈上游為塑料、金屬、蠟、石膏、砂等其他各種材料，下游領(lǐng)域主要是3D打印服務(wù)，延伸到各個(gè)細(xì)分的實(shí)際應(yīng)用方向。目前，3D 打印已應(yīng)用于產(chǎn)品原型、模具制造、藝術(shù)創(chuàng)意產(chǎn)品、珠寶制作等領(lǐng)域。

3D 打印技術(shù)的快速發(fā)展使其成為近幾年國(guó)內(nèi)外快速成型技術(shù)研究的重點(diǎn)。人們對(duì)快速成型技術(shù)投入了大量的研究，使3D打印技術(shù)得到了迅速發(fā)展。

大有可為

“未來(lái)制造不會(huì)是單純的增材制造或單純的傳統(tǒng)制造，兩者會(huì)通過(guò)集成——比如3D打印完之后的后處理，如熱處理或是加工拋光等傳統(tǒng)制造工藝——結(jié)合起來(lái)，工廠或車(chē)間的信息集成將使上述流程更加順暢?！贝饲癊OS首席執(zhí)行官Adrian Keppler接受采訪時(shí)表示。

隨著技術(shù)的逐漸成熟及發(fā)展，3D打印已經(jīng)從研發(fā)轉(zhuǎn)向了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，成為制造業(yè)的“香餑餑”。新技術(shù)應(yīng)用正在打破行業(yè)的限制壁壘，近年來(lái)隨著大批傳統(tǒng)制造企業(yè)進(jìn)入到增材制造的領(lǐng)域，全球3D打印產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了大變局。通用電氣（GE）、西門(mén)子等行業(yè)巨頭和用戶(hù)企業(yè)，通過(guò)持續(xù)并購(gòu)加速了全球的布局。

一直以來(lái)，GE都是研發(fā)和應(yīng)用3D打印技術(shù)的行業(yè)領(lǐng)先者。在3D打印的收益得到驗(yàn)證后，GE開(kāi)始進(jìn)行全球的3D打印工廠建設(shè)，先后設(shè)立了位于印度的3D打印工廠、匹茲堡的3D打印技術(shù)發(fā)展中心（CATA）以及意大利的3D打印生產(chǎn)線等，將3D打印技術(shù)的應(yīng)用延伸到GE的所有業(yè)務(wù)領(lǐng)域。西門(mén)子在3D打印領(lǐng)域的布局非常類(lèi)似于GE，不僅有大手筆，更有全局和細(xì)節(jié)方面的考量。早在2015年，西門(mén)子下屬的風(fēng)投機(jī)構(gòu)SVC對(duì)3D打印公司Materials Solutions發(fā)起戰(zhàn)略投資，以利用這家企業(yè)在金屬3D打印方面的技術(shù)積累改進(jìn)西門(mén)子燃?xì)鉁u輪的設(shè)計(jì)制造。2016年2月，西門(mén)子在瑞典開(kāi)設(shè)了一家金屬3D打印工廠，進(jìn)行大規(guī)模的零部件制造。

目前3D打印的成熟應(yīng)用主要集中在航空航天、醫(yī)療及石油天然氣行業(yè)。

知名法國(guó)航空與國(guó)防企業(yè)賽峰（Safran）的3D打印金屬渦輪噴嘴獲得了歐洲航空安全局（EASA）的飛行認(rèn)證，而該噴嘴是Leonardo AW189型直升機(jī)輔助動(dòng)力單元（APU）的核心部件之一。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）已經(jīng)認(rèn)證了許多3D打印的金屬航空部件，其中包括GE的LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)3D打印噴油嘴。

在國(guó)內(nèi)，2017年3D打印龍頭企業(yè)之一的湖南華曙高科在國(guó)內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)了3D打印技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)靜子、轉(zhuǎn)子類(lèi)零件上的直接應(yīng)用性驗(yàn)證，有望突破航空渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的制造技術(shù)瓶頸。在臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試環(huán)節(jié)，用傳統(tǒng)工藝制造的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子件在低于10萬(wàn)轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下破裂，而華曙高科3D打印渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)零件經(jīng)受住了考驗(yàn)。

3D打印的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。

在2018中國(guó)增材制造大會(huì)暨展覽會(huì)上，GE增材創(chuàng)始人，首任CEO Mohammad Ehteshami表示，通過(guò)3D打印能夠更快地進(jìn)行新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，能夠有更好的成本控制及輕量化產(chǎn)品，這也是3D打印能夠快速與各領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)融合的重要原因。目前，GE正在通過(guò)收購(gòu)打造3D打印的全生態(tài)鏈，也希望與更多企業(yè)深度合作，促進(jìn)全球3D打印產(chǎn)業(yè)騰飛。

西門(mén)子中國(guó)研究院高級(jí)專(zhuān)家研究員李長(zhǎng)鵬在2018中國(guó)增材制造大會(huì)暨展覽會(huì)首屆線上微論壇暨新聞發(fā)布會(huì)也發(fā)表了類(lèi)似的看法，他表示：“一方面，3D打印本身可以通過(guò)全新的設(shè)計(jì)，整體提高產(chǎn)品的性能和工業(yè)設(shè)備的能效，而且還節(jié)能環(huán)保;另一方面，3D打印有別于傳統(tǒng)的加工制造工藝，是典型的數(shù)字化制造工藝，可以通過(guò)小批量生產(chǎn)銷(xiāo)售、開(kāi)模和簡(jiǎn)化整體產(chǎn)品供應(yīng)鏈等方式，充分結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)，重組整合制造流程，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備的融合，這也是得到學(xué)術(shù)界、工業(yè)界還有政府部門(mén)高度重視和支持的重要原因之一?！?/p>

近年來(lái)，我國(guó)持續(xù)出臺(tái)多項(xiàng)政策支持3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2017年國(guó)家出臺(tái)了《3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020）》《增強(qiáng)制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力三年行動(dòng)計(jì)劃（2018-2020）》等多項(xiàng)對(duì)3D打印的支持性政策。在2017年發(fā)布的《重大技術(shù)裝備關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化實(shí)施方案》中指出由骨干企業(yè)牽頭，聯(lián)合相關(guān)單位，研制工業(yè)級(jí)鑄造3D打印設(shè)備，滿足大型發(fā)動(dòng)機(jī)、航天航空等領(lǐng)域黑色及鋁合金鑄件的需求。

在政策的鼓勵(lì)和引導(dǎo)下，各地紛紛將3D打印作為未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的增長(zhǎng)點(diǎn)來(lái)重點(diǎn)培育，推動(dòng)3D打印技術(shù)與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新材料技術(shù)、新設(shè)計(jì)理念的加速融合，力爭(zhēng)搶占未來(lái)科技和產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)。我國(guó)進(jìn)軍3D打印領(lǐng)域的企業(yè)數(shù)量不斷增多。據(jù)中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，僅2017年，我國(guó)提供3D打印服務(wù)的企業(yè)數(shù)量就已經(jīng)超過(guò)了500家。

對(duì)于中國(guó)3D打印的發(fā)展，中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書(shū)長(zhǎng)左世全表示：“從行業(yè)組織來(lái)看，整體行業(yè)在加速布局，市場(chǎng)空間愈加廣闊。一個(gè)是從制造企業(yè)本身來(lái)講，提供的裝備包括材料領(lǐng)域不斷拓展，另外從應(yīng)用企業(yè)，從用戶(hù)，包括像GE公司、惠普等等這樣一些公司，通過(guò)并購(gòu)、投資的方式，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展。”同時(shí)，他還指出目前中國(guó)3D打印的發(fā)展態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)張，2017年達(dá)到了100億元。二是創(chuàng)新產(chǎn)品層出不窮，一些專(zhuān)用材料、工藝、裝備、關(guān)鍵零部件、軟件系統(tǒng)等新產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，包括增材制造軟件系統(tǒng)取得突破。從產(chǎn)業(yè)整體布局來(lái)看，呈現(xiàn)出多方開(kāi)花的發(fā)展態(tài)勢(shì)，在北京、湖北、浙江、廣東、山西等地形成了產(chǎn)業(yè)集聚地和產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。

直面挑戰(zhàn)

目前，國(guó)內(nèi)的3D打印主要集中在家電及電子消費(fèi)品、模具檢測(cè)、醫(yī)療及牙科正畸、文化創(chuàng)意及文物修復(fù)、汽車(chē)及其他交通工具、航空航天等領(lǐng)域。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《3D打印產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)需求與投資潛力分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2012年中國(guó)3D打印機(jī)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到1.61億美元，至2016年，中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到11.87億美元（約80億元人民幣），復(fù)合增長(zhǎng)率為49%。

雖然中國(guó)在3D打印產(chǎn)業(yè)化發(fā)展上姿態(tài)積極，但是在核心技術(shù)、核心材料等方面仍存在不少短板。我國(guó)在3D打印核心技術(shù)、核心產(chǎn)品、核心服務(wù)等方面依然有著很大的提升空間。中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的數(shù)據(jù)表明，2018年中國(guó)3D打印領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)有近600家，但是真正的巨頭企業(yè)寥寥無(wú)幾，國(guó)際影響力與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力都難言強(qiáng)大。業(yè)內(nèi)人士指出，未來(lái)要想推動(dòng)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)健康、可持續(xù)發(fā)展，還需要在材料研發(fā)、技術(shù)應(yīng)用、人才培養(yǎng)等多個(gè)環(huán)節(jié)持續(xù)發(fā)力。

僅就打印設(shè)備而言，我國(guó)的3D打印產(chǎn)業(yè)目前還處于起步階段，而3D打印設(shè)備是牽動(dòng)整個(gè)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵步驟之一。3D打印設(shè)備分為桌面級(jí)打印機(jī)和工業(yè)級(jí)打印機(jī)，國(guó)內(nèi)桌面級(jí)打印機(jī)猛增，技術(shù)壁壘不斷降低，盈利能力持續(xù)減弱。2016年中國(guó)交付的3D打印機(jī)數(shù)量約為16萬(wàn)臺(tái)，其中96%是個(gè)人或桌面3D打印機(jī)，其平均價(jià)格低于1000美元。目前國(guó)內(nèi)的桌面級(jí)打印機(jī)競(jìng)爭(zhēng)已接近白熱化，加之利潤(rùn)小、精度差、實(shí)用性一般，天花板效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)。相比于個(gè)人3D打印機(jī)而言，中國(guó)工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)雖受到國(guó)家利好政策的刺激，但由于設(shè)備研發(fā)起步較晚，目前還沒(méi)形成能夠與3D Systems和Stratasys等國(guó)際巨頭相抗衡的3D打印設(shè)備公司。

業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)要想實(shí)現(xiàn)真正的跨越式發(fā)展，就必須在核心技術(shù)、核心零部件國(guó)產(chǎn)化上下功夫。如果能夠攻破核心技術(shù)，緩解核心零部件受制于人的現(xiàn)狀，那么生產(chǎn)成本與銷(xiāo)售成本就能大幅下降，售后服務(wù)問(wèn)題也能迎刃而解。

對(duì)此，工業(yè)和信息化部政策法規(guī)司副司長(zhǎng)范斌在2018中國(guó)增材制造大會(huì)暨展覽會(huì)致辭中表示，世界各主要國(guó)家已然將3D打印作為未來(lái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新增長(zhǎng)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2017年全球增材制造產(chǎn)值已經(jīng)達(dá)到73億美元，近5年來(lái)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)26.34%。中國(guó)作為制造業(yè)大國(guó)，舉國(guó)上下也非常重視3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并提出了一系列有利于3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策方針。但是，在看到中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展成績(jī)的同時(shí)，我們也要意識(shí)到目前產(chǎn)業(yè)尚處于產(chǎn)業(yè)化起步階段，專(zhuān)用的材料、工藝、裝備等核心技術(shù)還有待進(jìn)一步突破，標(biāo)準(zhǔn)體系、安全法規(guī)有待進(jìn)一步完善，商業(yè)模式應(yīng)用領(lǐng)域還有待進(jìn)一步開(kāi)拓，促進(jìn)我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展任務(wù)艱巨，責(zé)任重大。

2018年11月26日，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布了《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類(lèi)（2018）》（國(guó)家統(tǒng)計(jì)局令第23號(hào)）。公告中有大量的關(guān)于3D打印的項(xiàng)目類(lèi)別，包括3D打印機(jī)裝備、金屬3D打印專(zhuān)用材料、醫(yī)療3D打印專(zhuān)用材料、3D打印設(shè)計(jì)等入選了戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類(lèi)。

這一次，國(guó)家統(tǒng)計(jì)局將3D打印列入國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類(lèi)，有助于推動(dòng)3D打印技術(shù)和應(yīng)用真正地落地，在細(xì)分領(lǐng)域產(chǎn)生價(jià)值，加速中國(guó)制造的發(fā)展，如金屬材料與技術(shù)、非金屬材料與技術(shù)、醫(yī)療增材制造專(zhuān)用材料等從長(zhǎng)期和短期發(fā)展目標(biāo)來(lái)看，具備戰(zhàn)略性意義的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域。