3D打印技術瓶頸核心有哪些？

王鎵垠

近年來被媒體熱炒、官方追捧的3D打印技術，相較于傳統去除多余材料形成零部件的機加工生產方式，其新穎的增材制造的理念在上世紀80年代一經推出，即受到學界、媒體和民眾的熱捧。

隨著其核心部件如激光、高精度電機、加熱噴頭等相關技術的逐步發展與性能的提升，加之諸如打印汽車、槍支、食品、器官等炒作事件被媒體推波助瀾的報道，3D打印這一概念的關注度在近5至8年間被提升到相當高的位置，其產值和應用范圍被媒體、民眾和政府嚴重高估。但2013年初開始的3D打印股票接連下挫的市場行為，使得3D打印概念廣泛被各類券商、基金等投資機構看空，且媒體相關報道趨向理性和全面，導致存在于3D打印這一被持續熱捧概念中的泡沫開始破裂。國內市場上如樂高股份、光韻達等多支3D打印明星股開始大幅下挫，國際市場上除3D打印龍頭3D Systems和Stratasys由于企業并購等利好因素導致股價上揚之外，其他3D打印股價均回歸低位。這一市場行為的直接原因在于，3D打印還未形成廣泛的工業應用，不存在實際的完整產業鏈條。3D打印不能大面積應用的最重要原因在于各類適用材料不能滿足設計要求，3D打印材料是3D打印產業發展的技術瓶頸。

目前3D打印技術的核心在于打印材料

各類3D打印材料直接影響打印產品性能和后續工藝

所謂3D打印材料，是增材制造（即3D打印）技術用于逐層堆積制作零部件的基礎原材料和技術核心，科研人員針對不同類型和性質的原材料開發出原理大相徑庭的各類3D打印技術。目前市場上主流的3D打印工藝類型有選擇性激光燒結（SLS）、光固化成型（SLA）、絲材熔融擠出成型（FDM）、液體噴印成型（3DP）、分層實體制造（LOM）以及上述類型相應的細分衍生技術等，其應用材料則包含金屬粉末、高分子聚合物、光敏樹脂、聚乳酸、無機材料粉末、生物高分子材料等，涵蓋范圍十分廣泛。

由于3D打印技術采用在水平面內逐行成型、在三維結構內逐層堆積的技術原理，致使打印材料的性能直接決定成品的強度、剛度等力學性能，粗糙度等表面質量，以及防潮性、熱穩定性、生物相容性等其他特殊性能。材料性能又能進一步影響熱處理、表面理化處理、精加工、拋光鍍膜等后續工藝，直接影響生產成本和成型效率。隨著其他相關零部件技術的不斷提高，3D打印材料的地位不斷提升，其性能已成為當前影響3D打印技術發展和產品應用的核心問題。

打印材料是促進3D打印設備及零部件技術創新的原動力

目前在常用3D打印材料種類基本穩定的前提下，企業期望提升產品質量、提升產品競爭力、擴大市場份額，就需要對打印設備的總體設計進行優化，對成型工藝進行創新，對加熱制冷噴頭、三維運動機構、步進伺服電機、激光束電子束發生器、送料裝置等一系列打印設備組件進行技術升級，以提高3D打印設備的市場競爭力，提高3D打印產品的力學性能、表面質量，減少預處理、后處理工序，節約成本提高生產效能。例如，選擇性激光燒結（SLS）技術針對不同材料提升激光束質量、設定相應聚焦點尺寸和激光強度，熔融擠出成型（FDM）技術研究噴頭加熱溫度對ABS塑料熔絲尺寸和成型性能的影響，設備中三維運動機構提高精度的改進，步進、伺服電機的響應速度和精度的提升，均是在打印材料的需求影響下進行的技術提升和創新，打印材料的需求可在相當大程度上影響3D打印技術的發展趨勢。

打印材料在3D打印產業內占有重要市場份額

3D打印產業包含打印設備、打印材料和打印服務三大類。據統計，2013年全球3D打印產業中，打印設備產值和打印材料產值比重相當，分別為38.6%和37.2%，均超過總產值40.1億美元的三分之一，打印服務產值占比略小，為24.2%。打印材料業務可較大程度影響3D打印企業的生存發展，如全球3D打印龍頭3DSystem公司由于其打印耗材需求量大增，導致其在2012年底收購了多家材料生產企業，材料業務的增長最終使其在2013年全年實現45%的營收增速，在全球3D打印泡沫開始破裂時逆勢增長。由于目前應用于3D打印的材料種類較少，大量材料的應用潛能還未開發出來，隨著技術的提升將開發更多類型材料投入應用，打印材料在全行業總產值所占比重將進一步提升，打印材料可能成為整個3D打印產業產值最高的一環。

當前3D打印材料在應用領域面臨的突出問題

性能或效率不符合要求，無法滿足工業生產需要

總體來說，3D打印材料成型出的產品普遍具有強度剛度低、表面質量差且具有臺階型紋路、生產效率低等共同缺點，在采用不同工藝技術路線時還暴露出了其他特定加工成型的劣勢。3D打印技術必須和其他技術進行復合才有可發展的市場空間。相比于傳統的鑄造、車銑、鍛壓、焊接等金屬機加工生產方式和模具澆灌等非金屬材料生產方式，3D打印技術成型耗時長而效率低。僅在生產復雜結構零部件或設計原型時，3D打印技術凸顯出一定的加工優勢，但其產品的性能在多數情況下還不能滿足使用要求。

金屬是3D打印最為廣闊的潛在市場。但在金屬材料打印時，僅支持十多種金屬進行加工，如特定幾種鋁硅合金、鈦合金、鎳合金和不銹鋼，且需要預先制成專用的金屬粉末；打印出的金屬制品致密度低，最高能達到鑄造件致密度的98%，遠低于鍛造件的力學性能；打印制品表面質量差，精度2～10μm，需要打磨拋光機加工等后處理；3D打印具有復雜曲面的零部件時，支撐材料難以去除。目前金屬打印產品極少能作為零部件直接組裝應用。

無機材料打印主要用于生產陶瓷結構，適用材料范圍極窄，如陶瓷粉、粘土和粘合劑等，且打印完成后需要再進行后處理和高溫燒結，與其他3D打印制品類似，打印出的結構表面精度差、力學性能差。最大劣勢在于其生產效率遠低于其他生產方式。

近年來生物組織打印被媒體熱炒，眾多高校和科研機構參與其中。但僅支持明膠、膠原與合成高分子混合物等幾種材料；打印出的結構生物相容性較差，孔隙率小且孔洞分布不均勻，細胞附著生長繁殖率低。目前在全球范圍內的生物打印僅對組織器官進行結構模仿，并未出現擁有特定理化功能的生物打印成功案例。

少數技術成熟的打印材料應用市場狹小

在眾多3D打印技術中，熔融擠出成型（FDM）和光固化成型（SLA）研究較為深入，技術較為成熟。FDM技術采用ABS塑料、聚乳酸、尼龍等熱熔性材料進行零部件成型，能實現較好的成型精度和表面質量，精度在0.08mm以內；SLA技術采用光敏樹脂進行成型工作，成型精度和表面質量比FDM更加優異，精度在0.05mm以內。但上述兩項技術所用材料僅能應用于工藝品、展示模型、設計原型制作等領域，應用范圍較為狹窄，其在零件裝配可行性方面的市場份額也被功能更為強大的繪圖軟件所取代。

新材料概念多于實用技術，媒體炒作屏蔽應用劣勢

各3D打印企業出于宣傳公關、公布利好等目的，定期會將幾種新材料推向市場，尤其是行業內龍頭企業，其產品名錄包含幾十乃至上百種類的材料。但經仔細研究發現，絕大多數材料是已經量產材料的類似物，僅在同種類別內進行相應研發，并無實質上的創新材料推出。企業定期向市場宣稱有新材料應用時，炒作新材料概念贏取股價上漲的公關意義大于推出有效創新提升技術水平的研發意義。

近年來全球及國內媒體瘋狂炒作3D打印概念，諸如打印汽車、槍支、食品、器官等新聞不斷見諸報端，賦予3D打印“第三次工業革命”的意義，誤導民眾認為3D打印是制造一切產品的解決方案，而對其打印材料的局限性、打印成本等問題則避而不談。例如，3D打印金屬手槍并試射子彈的報道，著重強調其創新應用，而隱瞞了金屬材料無法達到要求，在試射幾發子彈之后槍管爆裂的事實；3D打印人造器官的報道，并未深究其試驗產品不具備任何生物理化性能，天然高分子材料中的細胞無法建立聯系形成組織，細胞無法成活的現狀，所謂產品僅是形狀類似的表面功夫；3D打印汽車的報道，并未和傳統方式制造的汽車進行性能對比，未做碰撞測試確定材料強度性能，且汽車動力總成、懸掛、底盤、轉向等均為傳統方式制造，僅有外殼和面板由3D打印生產，最重要的是相比于傳統制造方式，3D打印效率低下、成本高昂則未被提及。3D打印技術的媒體炒作嚴重干擾了各級政府規劃和招商的判斷能力，其被淪為部分國內企業從地方政府圈錢的財富工具。3D打印的市值被嚴重高估，事實情況是目前全球3D打印產值總額不到富士康某個新建工廠的年產值。

逐步解決我國3D打印材料問題的對策建議

加強頂層設計與發展指導

首先應堅持并增大3D打印產業，尤其是3D打印材料產業的政策扶植力度，定期出臺文件指導3D打印產業在不同時期內有側重點的發展，將面向工業生產及航空航天的金屬打印材料研發作為產業提升和促進的主要方向。梳理亟待解決的金屬3D打印關鍵技術，列入國家和地方科技發展計劃，加大研發扶植力度。其次，集中優勢力量開展提升3D打印材料力學性能、致密性和成型精度的專題研究，持續舉辦發展論壇并適當予以引導和支持。再次，將3D打印階段性成果以及創新技術成果實時向汽車、船舶、機加工、航空航天等大規模制造型企業進行示范推廣，尋找產業結合點，創造市場需求，并支持產業內上下游企業間的合作，建立3D打印產業與制造業之間面向市場需求的溝通研發長效機制，發掘新型的產業交叉盈利模式。最后，聯合高校等科研機構，建立3D打印企業，尤其是3D打印材料生產企業的金屬材料創新研發平臺，予以一定資金和政策支持，引導企業和高校聯合集中優勢研發力量攻克3D打印材料技術瓶頸。

加強定向高技術人才培養

建立高校培養、企業實踐、面向研發需求應用的鏈條式人才培養機制，對有利于解決金屬3D打印形成大規模工業化生產需求的人才進行重點培養。首先，加大高校和其他科研機構在金屬材料打印工藝、力學性能、合金新材料開發、精度提升等科目的資金投入，設立重大科研成果獎勵機制，鼓勵社會和企業資金對高校優秀人才進行獎勵資助。其次，加強3D打印產業相關技術的知識產權保護力度，強化知識產權成果轉化，針對我國國情開展知識產權防護和風險分析以及戰略保護等內容的系統培訓。企業內部應加大知識產權保護培訓力度，建立完善的內部提拔合格人才的選拔機制。再次，對本領域國際專家進行試點引進，吸引海外華人學者回國發展、創業、投資。最后，針對打印材料領域內培養或引進的高端人才，為其提供生活便利。通過降低企業社保負擔、增加工資補貼、便利子女入學等方式，增強企業對專業相關人才的吸引力。

創立需求、應用、研發互動信息平臺

在3D打印企業、高校科研機構、潛在市場應用企業和相關政府部門之間搭建以3D打印供需為主導的、解決研發技術問題為目的的全面信息平臺。在3D打印企業和大規模生產性企業之間互通有無、明確需求、開發潛在應用之后，3D打印企業可將生產技術難題及時與高校等科研機構溝通合作，面向需求解決問題；同時高校可提出前瞻性潛在應用，聯絡3D打印企業和潛在市場需求企業進行聯合應用開發；借助此平臺還可及時向各方提供政府在3D打印及相關產業的建設思路和扶植力度，在政府政策引導下找對方向快速發展。

鼓勵企業上延下拓集群發展

學習3D打印行業龍頭3D System和Stratasys的成功經驗，通過資本運作和企業并購將材料、零部件、銷售等上下游企業納入公司自身管理范圍，壯大技術和資金實力，節約生產成本提高效益。鼓勵和引導企業圍繞核心業務，拓展服務業務，通過融資、并購、租賃等資本運作手段整合上下游發展勢頭較好、技術水平較高、管理水平完善的配套企業。鼓勵促進企業間交流合作，支持產業鏈上下游企業聚集發展，鼓勵開拓產品增加附加值的企業行為。

（本文轉自《裝備制造》）