3D打印 豐滿還是骨感

紀宇

盡管3D打印技術發(fā)展空間廣闊，應用已十分廣泛，迅速發(fā)展繁榮表象的背后，仍然存在著產業(yè)基礎薄弱、關鍵核心技術有待突破、產業(yè)鏈缺乏統籌發(fā)展等一系列“成長的煩惱”，距離產業(yè)化仍有很長的路要走。

在不久前舉辦的2017中國國際信息通信展上，展臺上的煎餅“賣”得格外火爆。煎餅，大家都習以為常，為什么此款煎餅頗受追捧？只因其披上了3D打印的華麗外衣。

從打印出的房子里醒來，換上打印出的衣服，吃完打印出的早餐，騎著打印出的單車去上班……這看似是在科幻電影中才會實現的場景，現在都能夠依靠3D打印技術將這些幻想成為現實。從高大上的前沿技術，到如今滲透到我們衣食住行的各個領域，3D打印帶給我們的驚喜總是超出想象。

3D打印是一種形象化的表述，還有一個正式的官方名字，叫作增材制造（Additive Manufacturing，AM），技術的本質跟傳統的普通打印工作原理基本相同，打印機內裝的不是墨粉，而是實實在在的“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制構建模型，再輸出數據把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。

由于其與信息網絡技術深度融合，給傳統制造業(yè)帶來變革性影響，目前已經成為世界各國培育未來產業(yè)的重點。據Wohlers Associates對全球61家工業(yè)系統制造商、19家專用材料生產商、100家服務提供商以及一批消費級增材制造設備制造商的統計數據顯示，2016年，全球增材制造產業(yè)產值達到60.63億美元，同比增長17.4%。工業(yè)級增材制造裝備制造企業(yè)數量不斷增加。2016年，全球有97家工業(yè)級增材制造裝備制造商，相比2014年的49家，增長近1倍。報告顯示，2015年全球增材制造設備市場保有量格局中，歐美國家占有率為67.9%。其中，北美國家占有率39.7%，歐洲國家占有率28.2%，均呈現下降趨勢。亞洲國家占有率為27.5%，呈現小幅上升趨勢。從國別看，美國的設備保有量占有率居首，高達37.8%，相比2014年下降了0.3個百分點。德國設備保有量占有率居其次，高達9.6%，相比2014年下降了0.1個百分點。據國際數據公司IDC預計，未來5年內，全球3D打印市場將以22.3%的年復合增長率擴大，在2020年達到289億美元。

從2013年開始，我國也開始逐漸加大對3D打印的扶持力度。2015年，《國家增材制造產業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》以及《中國制造2025》相繼出臺。提高制造創(chuàng)新能力的呼聲也日益突出，3D打印技術發(fā)展頗為可觀，如目前世界上最大的3D打印機正是中國制造；天宮一號、國產大飛機C919的部分零部件，也都使用了3D打印技術。

據中國增材制造產業(yè)聯盟對23家規(guī)模以上企業(yè)的經營數據統計，2016年國內規(guī)模以上增材制造企業(yè)總產值20.3億元，比2015年的10.8億元增長87.5%。2017年上半年總產值為11.6億元，同比增長50.5%，產業(yè)規(guī)模實現快速增長。從產業(yè)構成看，增材制造裝備、材料和服務的產值比例分別為50.1%、26.9%、23.0%，增材制造裝備產值占一半。

雖然現在國內3D打印行業(yè)紅紅火火，但是作為新興行業(yè)，依然存在著不容忽視的問題。首先，國內現在有大概三四百家企業(yè)進入3D打印領域，但是多數仍在從事粗放式生產設備的工作，基本上還是處于“小而散”的狀態(tài)，未有核心龍頭企業(yè)。雖然國外的3D打印企業(yè)大多也并不盈利，而且規(guī)模也不算大，但是區(qū)別還是非常明顯的。

其次，從技術層面看，我國基本上還是缺乏核心技術，缺乏原創(chuàng)技術，但是國外的技術卻在不斷改寫3D打印新的歷史。在應用層面，雖然我們在很多領域都開始應用，但是我們的應用基本上還是非常初級，要打開應用市場還有不少困難和問題。而美國基本上在航空航天和軍工領域全面覆蓋，歐洲在汽車及零部件、模具、醫(yī)療領域的深度應用已經10多年。日本雖然也是后來者，但在模具、汽車及零部件等領域的應用也遠遠超過我們。

除了核心技術有待突破外，與傳統制造相比，3D打印存在著難以量產的先天劣勢，材料與成本是阻礙3D打印實現量產的兩大因素。材料上，3D打印面臨耗材短缺的問題。目前能夠應用到3D打印的材料僅100多種，而傳統減材制造、等材制造的材料有數萬種。另外材料的性能還不夠穩(wěn)定，且材料的通用性比較差和成本高企，制約著3D打印在工業(yè)領域應用的進一步發(fā)展。

成本過高是制約該技術發(fā)展的重要瓶頸之一。大多桌面級的3D打印機售價都在2萬元人民幣左右，而工業(yè)級的設備在幾十萬元到上百萬元。桌面級設備因為應用的是熔融沉積快速成型技術，無需激光器等貴重元器件，因此價格較便宜。但成形后表面粗糙，需后續(xù)拋光處理，一些過于精細的細節(jié)也表現不出來。但這些產品在效果上都難以叫人滿意，故而阻礙了量產。工業(yè)3D打印設備本身的運營和維護成本又較高，導致價格昂貴，成本不好下降。以SLS（粉末材料選擇性激光燒結）技術為例，由于使用了大功率激光器，除了本身的設備成本，還需要很多輔助保護工藝，不僅技術難度大，維護成本也非常高，中小企業(yè)望而卻步，阻礙了現有傳統生產方式的改造升級。

最為重要的是目前3D打印整個產業(yè)鏈缺乏統籌發(fā)展。3D打印產業(yè)的發(fā)展需要完善的供應商和服務商體系和市場平臺。在供應商和服務商體系中，包含工業(yè)設計機構、3D數字化技術提供商、3D打印機及耗材提供商、3D打印設備經銷商、3D打印服務商。市場平臺包含第三方檢測驗證、金融、電子商務、知識產權保護等支持。而目前國內的3D打印企業(yè)還處于“單打獨斗”的初級發(fā)展階段，產業(yè)整合度較低，主導的技術標準、開發(fā)平臺尚未確立，技術研發(fā)和推廣應用還處于無序狀態(tài)。

盡管3D打印技術發(fā)展空間廣闊，應用已十分廣泛，但迅速發(fā)展繁榮表象的背后，仍然存在著核心器件、成形材料、工藝及軟件等產業(yè)基礎薄弱、關鍵核心技術有待突破、產業(yè)鏈缺乏統籌發(fā)展等一系列“成長的煩惱”，距離產業(yè)化仍有很長的路要走。endprint

專家視點

盧秉恒（中國工程院院士、西安交通大學機械學院院長、教授）：我國的3D打印技術進步很快，但仍然落后于歐美，而落后的原因并不是研發(fā)時間晚了幾年。國內企業(yè)在研發(fā)上投入少、底子薄、資金少，制約了研發(fā)投入。此外，政府的支持力度還不夠。國內3D打印技術雖然科研水平已位居世界前列，但在工藝裝備、工程應用方面還有很大的發(fā)展空間。為此，我國3D打印技術需要制定技術發(fā)展路線圖，規(guī)劃基礎研究、產業(yè)化、工程應用的發(fā)展路線，從而使其真正產業(yè)化。

楊海成（中國航天科技集團總工程師）：3D打印制造是一種典型的數字化制造技術。以3D打印制造技術為代表的數字化制造技術將對產品設計、制造工藝、制造裝備及生產線、材料制備、相關工業(yè)標準、制造企業(yè)形態(tài)乃至整個傳統制造體系產生全面、深刻的變革。

王華明（北京航空航天大學材料加工工程及自動化系教授）：增材制造技術最近很“熱”，需要科學地、理性地對待。增材制造只是制造技術大家庭一個成員而已，實際上裝備制造不可能依賴一種技術。制造技術體系完整，減材制造不是說傳統制造，其實傳統制造技術非常地多。增材制造與減材制造并不是對立的事情，增材制造產品需要后續(xù)少量的減材加工。增材制造不可能顛覆或取代減材制造。

羅軍（中國3D打印技術產業(yè)聯盟執(zhí)行理事長）：過去的幾年是3D打印概念推廣階段，現在是3D打印應用階段，更需要與傳統產業(yè)深度結合?，F在我們要做的是保持足夠信心和耐心，腳踏實地開展工作。做技術研發(fā)的要從材料端入手，做應用服務的要從設計端入手，做產業(yè)發(fā)展的要從專業(yè)人才培訓入手。比如，技術研發(fā)機構應扎扎實實從材料端入手，對材料和工藝深入研究，使國內打印機速度更快、精度更高、成本更低，有更多功能性材料面世。做應用服務的企業(yè)，要多做“3D打印+”，著實把3D打印的應用市場打開。如果一項好技術始終不能有效打開應用市場，這項技術的發(fā)展無疑將受到限制。

史玉升（華中科技大學材料科學與工程學院副院長、教授）：我們認為3D打印存在以下瓶頸問題。第一，粉末材料。材料已經成為增材制造的主要瓶頸問題，如何制備這樣的材料有很多困難。第二，裝備的精度和效率。第三，成本?，F在裝備一買幾百萬，上千萬，成本太高了。第四，成形工藝。除了本身的增材制造成形工藝，也要考慮和傳統的工藝相結合，結合后將發(fā)揮傳統和增材制造的優(yōu)點。表面質量、微觀結構和宏觀性能控制都是3D打印技術亟待解決的關鍵問題，特別是標準制定。

孟光（上海航天局副局長）：應該處理好五個關系。第一個，傳統設計制造與3D打印制造的關系。第二個，大規(guī)模制造與個性化制造的關系。將來是多件大批量，還是停留在小層面精細化制造。第三個，政府和市場的關系。如果這個問題現在不考慮清楚，將來會產生很多問題。第四個，裝備和產品，硬件和軟件的關系。我覺得在關心3D打印制造裝備的同時，應該關心滿足3D打印需求的材料的制備裝備，包括鈦合金的粉末，均勻性、一致性各方面的要求。第五個，制造模式、商業(yè)模式與產業(yè)模式的關系。

連寧（南京紫金立德電子公司總經理）：3D打印技術在高層規(guī)劃中，很重要的一點是要加強正確的宣傳和引導?，F在有些媒體的一些報道、宣傳已經過頭了，我們應該抱著科學合理冷靜的觀點來看待3D打印技術，要促進技術人員到研發(fā)人員，更多更好地了解、認識3D打印技術，讓他們更快地接受3D打印技術，來促進他們思想觀念的轉變以至引起他們工作方式方法的改變。

李冬茹（機械聯合會副秘書長、研究員）：從工業(yè)領域對3D打印或者增材制造有幾個疑慮，第一個疑慮，通過這種工藝生產出來的東西，比如某一個零件，它跟傳統制造的零件，特別是內在力學上有什么樣的相同和不同，感覺拿出來的實驗數據不足，不足以讓產業(yè)界放心。第二個疑慮，成本控制問題。3D打印開發(fā)出的新產品在技術高速發(fā)展的今天，能保持多長時間的技術領先？在高投入的同時，能否獲得高回報，這都值得疑慮。現在大家看到主要的研究還是以學校為主，怎么能在一兩個行業(yè)，在工業(yè)領域有所突破，使它更快速地發(fā)展，這是很核心的問題。

邵新宇（華中科技大學常務副校長、教授）：3D打印所帶來的是一種關鍵技術乃至于將來產業(yè)變化的核心是越來越明顯的，或者潛力是無限的，因此，要高度重視。從國家戰(zhàn)略規(guī)劃層面來看，的確要重視這塊，相關資源整合起來，比如相關的基金委在關注，科技部在關注，工信部也會談到這塊。要把相關的資源整合起來，尤其是政府層面。endprint