3D打印產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

劉洋

（河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河南 鄭州 450046）

3D打印產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

劉洋

（河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河南 鄭州 450046）

3D打印作為具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)，得到了社會(huì)各個(gè)層面的廣泛關(guān)注，并迅速市場(chǎng)化和產(chǎn)業(yè)化。然而，當(dāng)前3D打印的產(chǎn)業(yè)環(huán)境尚未成熟。本文討論了3D打印技術(shù)的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)，并對(duì)當(dāng)前3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行歸納和梳理，旨在打破瓶頸，促進(jìn)該行業(yè)取得健康長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展。

3D打印；數(shù)字化制造；產(chǎn)業(yè)發(fā)展

1 3D打印概述

3D打印技術(shù)是一種用材料以逐層或逐點(diǎn)方式堆積出制件的制造方法。它的基本原理是根據(jù)“分層堆積”的成型方法，利用三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，或用實(shí)體反求工程收集到相關(guān)制件的三維結(jié)構(gòu)相關(guān)信息，通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件（如UG、PRO/E等），在此基礎(chǔ)上建立數(shù)字化CAD模型，之后通過(guò)特定軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將三維數(shù)字化CAD模型轉(zhuǎn)換為一系列三角面片表面，生成STL文件，再利用相關(guān)的切片軟件將數(shù)字化CAD模型進(jìn)行切片分層，分解成多個(gè)具有一定層厚的薄片文件，也就是將三維數(shù)字化CAD模型就轉(zhuǎn)換成為了一系列的二維層片數(shù)據(jù)；然后根據(jù)不同的快速成型工藝對(duì)文件進(jìn)行處理，對(duì)薄片文件進(jìn)行驗(yàn)正，同時(shí)生成加工路徑；最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)（CAM）控制成形材料按照預(yù)定的加工路徑進(jìn)行堆砌，逐層堆積形成一個(gè)三維實(shí)體模型[1]。3D打印快速成型主要包括離散過(guò)程和堆積過(guò)程，零件的三維數(shù)字模型先進(jìn)行離散化，然后按照數(shù)字積分的思路進(jìn)行逐層堆積，其具體過(guò)程如圖1所示。

2 3D打印的優(yōu)勢(shì)

2.1 打破設(shè)計(jì)和生產(chǎn)之間的技術(shù)和時(shí)間瓶頸

傳統(tǒng)的零件制造過(guò)程，需要接受過(guò)專(zhuān)業(yè)技能培訓(xùn)的人員熟練地對(duì)機(jī)器進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)。3D打印機(jī)令設(shè)計(jì)師無(wú)需了解制造技術(shù)。這樣設(shè)計(jì)人員可以直接通過(guò)3D打印機(jī)得到零件的實(shí)體，進(jìn)而對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)一步完善。這種方法能夠簡(jiǎn)化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并降低成本。

2.2 減少?gòu)U棄材料

3D打印是增材制造技術(shù)，而傳統(tǒng)的數(shù)控制造一般是在原材料基礎(chǔ)上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品[2]。因此，3D打印這種不會(huì)浪費(fèi)材料的凈成型制造方式是更加環(huán)保的加工方式。

圖 1 3D打印機(jī)快速成型的基本過(guò)程

2.3 數(shù)字化程度高

3D打印產(chǎn)業(yè)是信息消費(fèi)的載體，能夠提高實(shí)體世界和數(shù)字世界之間形態(tài)的轉(zhuǎn)換。只要有數(shù)字三維模型或者通過(guò)掃描技術(shù)，可以快速得到精確的實(shí)體副本。

2.4 降低復(fù)雜零件的成本

就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復(fù)雜，制造成本就越高。對(duì)于3D打印機(jī)來(lái)說(shuō)，增加復(fù)雜的零件不產(chǎn)生額外的成本。自然界存在的形狀，都可以打印出來(lái)[3]。

3 3D打印產(chǎn)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

3.1 不具備成本優(yōu)勢(shì)

3D打印設(shè)備的成本居高不下。當(dāng)前，3D打印機(jī)主要有三大類(lèi)，分別是桌面級(jí)、工業(yè)級(jí)和生物醫(yī)學(xué)級(jí)。工業(yè)級(jí)的激光3D打印機(jī)，售價(jià)多在幾十萬(wàn)美元以上。居高不下的3D打印設(shè)備價(jià)格讓大部分工業(yè)設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)企業(yè)望而卻步。即使如一汽大眾、上海大眾這樣資金雄厚的企業(yè)，也選擇將3D打印的業(yè)務(wù)外包給3D打印企業(yè)做，從而避免高投入和高風(fēng)險(xiǎn)。桌面級(jí)3D打印機(jī)是3D打印技術(shù)里面最簡(jiǎn)單、科技含量最低的產(chǎn)品，是未來(lái)最有可能在大眾中得到普及的3D打印機(jī)，但其價(jià)格依然高昂。據(jù)調(diào)查，Stratasys公司生產(chǎn)的最新型的桌面打印機(jī)MakerBot replicator的售價(jià)為3 000美元左右，這對(duì)大多數(shù)中產(chǎn)家庭來(lái)說(shuō)是絕對(duì)是一筆不菲的開(kāi)銷(xiāo)。

其次，耗材的成本依然很高，即使是最廉價(jià)的ABS塑料，單卷600克裝的售價(jià)也在200元左右。例如，鄭州面向大眾的三維造像服務(wù)是以重量來(lái)計(jì)費(fèi)的，金屬類(lèi)為30～50元/克，最便宜的是塑料類(lèi)為3～5元/克，打印一個(gè)縮微版的3D人像需要花費(fèi)兩三千元。

3.2 原材料的局限性

3D打印產(chǎn)業(yè)是軟件開(kāi)發(fā)、設(shè)備制造、材料科學(xué)和市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)多個(gè)學(xué)科的交叉。當(dāng)前，我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)受到了原材料的制約。舉例來(lái)說(shuō)，3D打印最適合個(gè)人定制的醫(yī)療領(lǐng)域，牙齒、骨骼的制造正契合3D打印的優(yōu)勢(shì)。但材料的問(wèn)題制約了3D打印技術(shù)在該領(lǐng)域的發(fā)展，國(guó)內(nèi)目前研發(fā)出的能適用3D打印的材料有限，比如現(xiàn)在可以打印出一個(gè)塑料假牙模型，但不能給病人直接使用，因?yàn)樗芰喜牧喜贿m合作為生物材料。

3D打印的另外一個(gè)致命傷在于：不支持硅基電子元件打印。富士康總裁郭臺(tái)銘曾放言，3D打印絕不等于第三次工業(yè)革命，只是噱頭而已。他推斷，3D打印受材料的限制，此項(xiàng)技術(shù)無(wú)法大量用于商業(yè)用途。例如，3D打印可以制造出電話(huà)，但只能看不能用；3D打印商品不能加入電子元件，無(wú)法形成電子產(chǎn)品的量產(chǎn)。

此外，3D打印效率與打印質(zhì)量也呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，如果需要非常高的打印精度，打印速度就會(huì)變慢，效率則會(huì)很低。

3.3 難以抗衡大規(guī)模生產(chǎn)

3D打印適合時(shí)間敏感的原型系統(tǒng)或初創(chuàng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，對(duì)數(shù)量小于50的小批量生產(chǎn)或者個(gè)性化定制的單件產(chǎn)品生產(chǎn)具有成本優(yōu)勢(shì)。但是，它無(wú)法取代或抗衡大規(guī)模生產(chǎn)模式。原因在于，對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)而言，單件產(chǎn)品的生產(chǎn)和10萬(wàn)件產(chǎn)品的生產(chǎn)，其產(chǎn)品成本會(huì)大幅降低。而對(duì)于3D打印而言，即使生產(chǎn)規(guī)模再大，單件生產(chǎn)成本恒定不變。

3.4 缺乏統(tǒng)籌管理

3D打印產(chǎn)業(yè)涵蓋了工業(yè)設(shè)計(jì)、數(shù)字化技術(shù)、打印機(jī)制造、耗材制造、設(shè)備經(jīng)銷(xiāo)、打印服務(wù)、金融支持、電子商務(wù)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)等諸多方面。而目前國(guó)內(nèi)的3D打印企業(yè)還處于各自為戰(zhàn)的初級(jí)發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)整合度較低，主導(dǎo)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)發(fā)平臺(tái)尚未確立，技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用還處于無(wú)序狀態(tài)[2]。在高等教育層面，相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)課程體系中，缺乏與3D打印技術(shù)相關(guān)的環(huán)節(jié)，還停留在部分學(xué)生的課外興趣研究層面。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，3D打印的產(chǎn)業(yè)環(huán)境尚未成熟。正如其他新興技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程一樣，3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展只是暫時(shí)遇到一些困難，只要市場(chǎng)對(duì)3D打印的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步深入，這些困難都會(huì)迎刃而解。

[1]黃兵，三維打印職稱(chēng)材料及其形成工藝的研究[D].華中科技大學(xué)，2009.

[2]王忠宏，李揚(yáng)帆，張曼茵.中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J]，經(jīng)濟(jì)縱橫，2013.

[3]胡迪·利普森，梅爾芭·庫(kù)曼，3D打印：從想象到現(xiàn)實(shí)[M].北京：中信出版社，2013.

F49

A

1671-0037（2014）09-18-2

河南省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目《數(shù)字化制造背景下河南省3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究》（項(xiàng)目編號(hào)：142400410123）。

劉洋（1980-），男，博士，講師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)，大數(shù)據(jù)等。