3D打印的工業製造難題

黃聰

不久前，青島國際機電五金暨焊接切割與機器人博覽會開幕。作為日漸火爆的高端科技，3D打印在展會上吸引了眾多人的目光，這其中不乏製造業專業人士。他們對3D打印給中國傳統製造業能帶來哪些變化，提出了許多不解和疑問，這引起了行業內外的深度思考：為什麼3D打印在日漸火爆的環境下，真正的應用行業，比如工業製造和智能機器人行業，卻鮮有人了解？產業鏈中到底缺失了什麼？3D打印與這些行業的對接上出現了哪些問題？為何沒能真正實現行業驅動？

製造業是一個國家工業強弱的標誌，3D打印的應用領域雖然在不斷拓寬，但如果僅僅是打印一個人像、一個玩偶、打印一把吉他，停留在桌面級應用層面，它又能體現多少價值，出路又在何方？

3D打印驅動工業製造是趨勢

3D打印技術發端於美國，隨後在世界各地開花結果。3D打印技術帶來的分散化生產及消費者多元化的需求，正逐步影響著傳統製造業的國際分工格局。3D打印與工業製造的對接融合引起了越來越多國家的重視。

2013年德國政府提出了「工業4.0」戰略，其中提出的重大任務就是聚焦於「智能工廠」和「智能生產」。之所以選擇這兩個主題，主要在於推進工廠智能化，不僅能夠創造前所未有的產品、大幅提高生產效率，還能夠解決當前社會面臨的許多問題。為了對接德國《工業4.0》政策，歐盟發佈了最新「3D打印標準化路線圖」，以規整3D打印技術在發展戰略中的位置及方向。美國政府更是充分認識到3D打印技術在推動傳統製造業轉型升級中的重要性，並在重振美國製造業的一系列發展方案中，將3D打印列為11項重要技術之一。另外，日本著力推動3D打印產業鏈後端，不斷嘗試將本國已取得的技術成果在工業中進行推廣和應用。南非政府將目光投向大型3D印表機設備的研製和開發，將核心鐳射設備研製與扶持鐳射技術協同發展。

可以說，在國際環境下，用3D打印驅動工業製造已在眾多國家形成了共識，並逐漸成為一個發展趨勢。

初級階段 大陸3D打印應用市場基礎薄弱

2015年，《國家增材製造產業發展推進計畫（2015～2016年）》以及《中國製造2025》相繼出臺，彰顯了大陸對於發展3D打印產業的決心。在不久前李克強總理主持的國務院專題講座中，更是提到3D打印是製造業有代表性的顛覆性技術，具有重大價值。要促進「中國製造」上水平，既要在改造傳統製造上「補課」，同時還要瞄準世界產業技術發展前沿，要加快3D打印、高檔數控機床、工業機器人等新技術、新裝備的運用和製造。

3D印表機分桌面級和工業級，前者以民用為主，後者偏向工業應用。數據顯示，與發達國家相比，中國大陸的3D打印還停留在概念層面，尚無成熟的商業模式。從應用層面來講，低端FDM型3D打印運用已經趨於飽和，工業級應用則由於成本高、技術欠缺等問題，市場占比不足三成。

從實際發展情況來看，目前大陸3D打印產業無論從企業規模、研發投入、產品成熟度、市場開發、材料開發等多個角度來看，依然處於起步階段，從設備到產品再到服務仍停留在「高級玩具」階段。

3D打印技術在大陸還處於成長期，產業體量相對較小，3D打印企業還是主要以中小企業形式存在。同時，中國大陸製造業的各個環節對3D打印技術的認識還存在欠缺，原因或是推廣不到位，或是技術限制，或是創新觀念的僵化，這就導致3D打印在工業製造領域的整體市場需求不足。

另外，在工業製造應用上，3D打印技術仍欠缺強度和精度，而且工業級3D印表機的設備和原材料都比較昂貴。因此在產業化初期，這項技術更為適合新產品的開發和小批量零件的生產。

3D打印+工業製造牽手易相戀難

3D打印在製造領域已展露了頭角，像工業設計、模具製造、零部件製造都會看到3D打印的身影，牽手製造業已非難事。但要真正廣泛地融入到製造業中，實現中國智能製造的驅動，還有很長的一段路要走。

在《中國製造2025》戰略規劃發佈後，業內分析未來3D打印將成為中國智能製造發展的一個支柱產業。但根據市場反應來看，在產品製造過程中，僅僅依靠3D打印的單打獨鬥是不行的。受材料和技術的影響，目前3D打印產品仍無法滿足零件應用上某些指標要求。即便3D打印能夠保證金屬產品的強度指標，但這也僅僅是滿足了工業製造的基本要求。成本高、效率不高、技術不成熟等問題仍然存在，並且它的製造精度尚不能與傳統的超精度加工技術相提並論。

桌面級3D印表機的爆發和工業級3D印表機的相對缺失，也導致3D打印與製造領域的融合速度放慢，整個工業應用也缺乏市場整合開拓。目前環境下，3D打印在工業領域還談不上顛覆或取代傳統工業製造；只有3D打印與傳統製造技術真正結合起來，才能推動製造業的升級轉型，才能實現「中國製造」向「中國智造」的轉變。

3D打印融入機床領域或成主流趨勢

數控機床位於整個製造業產業鏈的上端，下游行業主要包括汽車工業、國防軍工、航太航空、電子資訊產業等。3D打印與數控機床兩者並無本質差別，區別在於兩者的製造方式和工藝。機床是減法製造，3D打印是加法製造。雖然3D打印作為一項顛覆性技術登上舞臺，但兩者在當前一段時間還將處於共存狀態。隨著技術的推動，將3D打印技術融入到機床領域，二者取長補短，將會是目前工業製造的主流趨勢。

當前，3D技術已開始向機床領域邁進。美國就將傳統的機床設備升級，使其能夠採用鐳射工程化淨成形（LENS）實現金屬3D打印。DMG MORI公司也將銑削加工技術與鐳射金屬沉積加工工藝結合在了一起，應用到了一臺具有完整銑削功能的鐳射熔覆加工機床上，打造了金屬3D打印複合5軸加工機床。該工藝採用了一套粉末噴嘴，其在粉末床中的加工速度要比鐳射燒結加工技術快20倍。

在《中國製造2025》中，3D打印和高端數控機床被擺放在了相當重要的位置。若3D打印技術能融入機床領域，對數控機床來說，無疑是如虎添翼。不僅可以使生產製造效率提高，還可以破解許多製造難題，這也將會給數控機床帶來一個跳躍式的發展！

3D打印與傳統製造業互利共進

中國大陸未來是以資訊技術與製造技術深度融合為特徵的智能製造模式，這也正在引發整個製造業的深刻變革。3D打印是製造業有代表性的顛覆性技術，實現了製造從等材、減材到增材的重大轉變，改變了傳統製造的理念和模式，具有重大價值。正如李克強總理所言，促進中國製造上水平，既要在改造傳統製造上「補課」，同時還要瞄準世界產業技術發展前沿。

打鐵還需自身硬，及時跟蹤和了解國際同行的先進技術和發展方向，並加大科研投入，引導科研與傳統產業的轉型升級相結合是一堂必修課。加強共性技術研究，實現產研學三方在市場機制下的合作互補，並充分發揮市場機制的作用，尋找一個更成熟度商業模式，讓3D打印與傳統製造業互利共進。