3D打印或將重塑全球制造業格局

文/小聶

3D打印或將重塑全球制造業格局

文/小聶

3D打印技術正悄然席卷全球，并依靠其突出優勢迅速占領了部分市場，成為工業制造的新寵。如何將3D打印更好地融入我國的現代化工業生產中已然成為熱門話題，而對于我國已經取得的技術成果，還需細心總結，虛心求教，找出不足，并且在今后更加努力地將3D打印技術發展壯大。

3D打印技術正日益走進我們的生產生活之中。近日，一則新聞吸引了眾人的眼球——“世界首款3D打印汽車現身紐約街頭”。這款3D打印汽車只有兩個座位，名字叫做“斯特拉迪”。“斯特拉迪”汽車利用3D打印技術制造，全身材料為碳纖維和塑料。全車只使用了40個零件，且依靠電動能源，充電花費3.5小時，可以行駛約100公里。這是汽車生產方式的新突破，也是工業時代新型制造方式的推廣。

近年來，3D打印技術正悄然席卷全球，并依靠其突出優勢迅速占領了部分市場，成為工業制造的新寵。

如何將3D打印更好地融入到我國的現代化工業生產中，已然成為時下最為熱門的話題。

技術優勢明顯

3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎，運用特殊的打印材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。打印過程不需要紙和墨，只是將設計好的物體轉化為三維設計圖，采用分層加工、疊加成形的方式逐層增加材料來打印真實物體。3D打印技術使產品復制由平面擴展到了立體空間，其意義遠遠超過了噴墨到激光、黑白到彩色打印技術的發展，從此裝備制造業將會逐步告別車床、鉆頭、沖壓機、制模機等傳統工具，改由更加靈巧的電腦軟件來主宰控制。

3D打印技術已成為現代模型、模具和零件制造的有效手段，它簡化產品的制造程序，縮短產品的研制周期，提高效率并降低成本，其發展將會深刻影響先進制造業、工業設計業、生產性服務業、文化創意業、電子商務業及制造業信息化工程等。

與傳統制造相比，3D打印技術的優勢明顯。第一，3D打印速度快、操作簡便。打印過程一次性完成而非分步優化，產品形狀想象空間更大，可以用軟件做出傳統制造不方便完成的形狀。設計者可以通過想象制造出一些構造復雜、傳統工藝無法實現的零部件，這將大幅提升金屬零部件的生產效率。此外，修改成本小，設計者只需要在軟件中修改部分參數，就可以快速生產出新產品，省去了傳統制造工藝中的諸多環節，操作簡便。

第二，材料多樣、結構堅固輕便。在機械零件制造時，大多數金屬和塑料零件在生產中由于設計結構復雜導致零件自重大，并且含有與制造有關但與其功能無關的剩余物。而利用3D打印技術生產出的金屬零件，原材料只為生產所需要的部分，這使得零件更加精細輕盈。當材料沒有了生產限制后，就能以最優化的方式來實現其功能，因此，與機器制造出的零件相比，打印出來的產品重量要輕很多，并且同樣堅固。

第三，節省空間、生產成本低。3D打印生產不需要在工廠操作，摒棄了生產線降低了成本。桌面打印機可以打印出小物品，人們可以將其放在辦公室一角、商店甚至房間里，只有更大的機械零件等才需要更大的打印機和更大的放置空間。另外，3D打印的“增材制造”形式大幅減少了材料的浪費。“增材制造”無需原胚和模具，能直接根據計算機圖形數據，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產品的制造程序，縮短產品的研制周期，提高效率并降低成本。

目前，3D打印技術已經在很多基礎研究領域取得了突破性進展,它將把裝備制造水平帶入一個全新的高度和境界，因為隨著生產速度和質量的不斷提升，越來越多的工業部件將被打印出來，而不是被沖壓或燒鑄出來。同時，它還改變了通過對原材料切削、組裝進行生產的傳統加工模式，實現了隨時隨地按不同需要進行生產。

3D打印需要依托多個學科領域的尖端技術，其中包括信息技術、精密機械和材料科學三大技術。近年來，3D打印技術發展迅速，在各個環節都取得了長足進步。通過與數控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段結合，該技術已成為現代模型、模具和零件制造的有效手段，在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫學等領域得到了一定應用，在工程和教學研究等應用領域也占有獨特地位。

全球制造業格局或將生變

為適應新一輪科技革命和產業變革需要，推動我國由制造大國向制造強國轉變，工業和信息化部鼓勵推動3D打印技術的發展。工信部總經濟師周子學指出，工信部將著力在設計3D打印產業化路線、政策支持等方面加大工作力度，不斷提高相關技術水平，延伸產業鏈條，加快我國裝備制造業轉型升級。

當今世界，科技創新正在推動人類社會生產、生活方式的深刻變革。特別是信息技術和制造技術的融合，大數據、云計算、3D打印、新能源、新材料等技術的重大突破，對制造業的生產方式、發展模式帶來顛覆性、革命性影響，并將重塑全球制造業發展格局。

3D打印技術在我國發展迅速，在各個環節都取得了長足進步。由湖南華曙高科技有限責任公司自主研發的世界上最快的工業級3D打印機FARSOON 402于近日正式面世。據悉，FARSOON 402通過打印設備軟硬件的升級，其激光掃描速度達到12.7m/s，打印速度較之從前提高了60%。該設備的核心在于激光燒結系統軟件，作為設備的“大腦”，將對3D打印的全過程進行數據處理。這標志著中國企業自主研發的工業級3D打印技術已進入全球領先行列。

在金屬零部件制造中，3D打印也發揮出巨大的優勢。目前3D打印機所制造出來的金屬部件在精度和強度上已經大有提升，這也讓許多行業開始對3D打印刮目相看，并且已經開始進行大規模嘗試。專家預測，通過3D打印制造出來的金屬零部件有朝一日將能夠達到甚至超過傳統制造工藝的水平。由于3D打印的突出優勢，使得利用3D打印的生產成本效益較傳統更高一些，在加工某一個零部件時，不需要冗長的生產線和復雜的加工流程，只需在一臺打印機中就能夠全部完成，從而將故障點數目降到最低，幾乎杜絕了殘次品的出現，這在傳統制造技術中是難以想象的。

此外，3D打印還能夠制造出一些構造復雜、傳統工藝無法實現的零部件，這也將大幅提升金屬零部件的生產效率。通過金屬3D打印，可實現飛機零部件的輕量化訂制，減輕機身重量，使得航空公司每年可節約不菲的燃油費用。而對于汽車行業，金屬3D打印技術將能輕松解決由于車輛更新換代過快而導致的適合車型零件短缺問題。只要保存好汽車零件的掃描數據，隨時可以通過一臺金屬3D打印機制造出來。所以，相信未來將會有更多的3D打印機出現在工業制造領域之中。

加工工藝存在局限性

雖然3D打印擁有諸多優勢，對于一般要求較低、專業性不強的部件，3D打印可以滿足要求，但是對于高硬度的產品，3D打印明顯力不從心。

首先是材料的問題。部分打印材料性能差，強度、剛度、機械加工性等都遠不如傳統加工方式；其次是材料局限，成本高。目前供3D打印機使用的材料非常有限，主要是石膏、無機粉料、光敏樹脂、塑料等。有些3D打印成品非?！按嗳酢?，一捏就碎，經不起折騰；再次是精度問題。由于分層制造存在臺階效應，每個層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍會形成具有一定厚度的一級級分層，如果需要制造的對象表面是圓弧形，那么就會造成精度上的偏差。業內人士表示，整個產業的大發展除了打印機的功能加強以及成本降低，同樣需要材料的發展能夠多樣性、功能化，才可能推動整個3D打印產業的大發展。

我國3D打印技術產業聯盟首席顧問顏永年曾經對如何將3D打印與傳統工藝結合起來的問題闡述了自己的觀點。他認為，這是3D打印發展方向的問題，任何一個新技術的發展不能脫離已有的技術孤立地發展，與原有技術互相補充是基本的發展理念。3D打印與傳統加工工藝不是取代的關系，而是結合的關系。金屬3D打印應與熱加工相結合，反過來熱加工也要與金屬3D打印相結合。

與此同時，我國3D打印技術產業聯盟秘書長羅軍也發表了自己的看法。他同樣認為，雖然3D打印在部分產品的小批量生產和模具生產上頗有優勢，但在大批量生產上，3D打印的速度和成本其實都比不過傳統制造方式。打印材料品種的單一和昂貴的成本，使其局限于對價格敏感度不高的產品，市場應用領域有限。所以，3D打印技術只是傳統制造業的補充。3D打印技術擅長解決個性化、復雜化、高難度的生產技術，而傳統制造業擅長批量化、規?；途婊纳a，兩者是互補關系，無法相互替代。

3D推動中國制造由大變強

我國生產的3D打印機裝備功能已經接近國際先進水平，兩者的差距主要體現在裝備的可靠性和材料研發上。部分3D打印機的關鍵器件需從國外進口，而用國產零件生產的打印機穩定性不夠。此外，我國在材料質量和品種上還遠不如美國、德國豐富，許多研發的實驗材料也需要進口。而差異在更大程度上體現在實際應用上，在國外，3D打印技術已經在新產品開發、生物醫療、航空航天、影視教育創意等方面有較多應用，而我國還主要局限于模具打印、文化創意產品等少數領域。

雖然還有不小差距，但3D打印技術已經算是我國制造行業與國外先進水平差距很少的技術之一，部分領域幾乎同步，在某些方面還具有自身特色和一定優勢。我國要從制造業大國走向強國，依靠當前加工型的技術含量低的生產手段難有根本改觀，國家應加強對3D打印技術研究的支持。

中國科學院院士盧秉恒曾表示，目前我國3D打印產業的發展與美國的差距主要在于沒有形成產業鏈、工業環境不配套等。此外，在一些核心技術和關鍵器件上，如3D打印機中的激光器，也仍然對國外依賴較大。目前我國3D打印的大部分應用仍集中在軍工領域的開發與模具制造上。

有數據顯示，國外有40%～50%的3D打印產品是直接做終端產品樣機，而國內基本上還是停留在功能性測試、研發階段來用這個技術，制約了我國3D技術應用產業的發展。從設備數量上看，美國目前各種3D打印設備的數量占全世界40%，而中國只有8%左右。

對于具體的發展方向，盧秉恒曾對媒體表示，軍用和工業的高端領域，以及創意開發等大眾消費領域，都應該大力去發展。我國是制造大國，制造能力過剩，但設計研發能力不足。而3D打印技術正是輔助和加速設計與研發的手段。同時，盧秉恒也認為，我國對3D打印應采取理性態度。3D打印技術在生產制造中所占的比例正在上升，但對傳統制造業更多是補充而非顛覆。應該高度重視這一技術，投入科研和其他力量，并大力推廣，這樣才能真正使我國成為制造強國。

2013年，我國政府已將3D打印產業納入國家戰略發展項目。預計2015年我國3D打印市場規模將達到100億人民幣。在我國政府重點扶持下，3D打印產業將迎來新一輪發展機遇，并有望成為世界最大的3D打印應用市場。在將來，復雜繁瑣的流水線、不絕于耳的機器聲都將越來越少，一個人、一臺電腦、一部打印機就有可能組成一個現代化“工廠”。