3D打印未來可期

在看到中國3D打印產業發展成績的同時，我們也要意識到目前產業尚處于產業化起步階段，專用的材料、工藝、裝備等核心技術還有待進一步突破，標準體系、安全法規有待進一步完善，商業模式應用領域還有待進一步開拓。

2019年1月，清華大學運用自主研發的機器臂3D打印混凝土技術，在上海建成目前世界上規模最大的混凝土3D打印步行橋。該橋全長26.3米，寬度3.6米，橋梁結構借取了中國古代趙州橋的結構方式，采用單拱結構承受荷載，拱腳間距14.4米。據介紹，步行橋最多可以承載600人的重量。

說到3D打印，大家并不陌生。近幾年，3D打印技術大火。3D打印是增材制造（AdditiveManufacturing）的俗稱，是一種融合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術，以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫用生物材料，按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。

3D打印技術作為一種新興的快速制造技術，在很多生產制造領域都有廣泛應用。時至今日，雖然消費者對3D打印的關注度下降，但3D打印技術在航空航天、醫療領域應用正快速加強。

不一樣的技術

現代意義上的3D打印技術誕生于20世紀80年代中期。

1986年，美國科學家查爾斯·胡爾（CharlesHull）發明了立體光固成型技術，并以此獲得了專利。同年，CharlesHull開發了第一臺商業3D印刷機，并成立了3DSystems公司。1988年，斯科特·克倫普（ScottCrump）發明了熔融沉積成型技術，并于次年成立了Stratasys公司。1989年美國德克薩斯大學奧斯汀分校的CarlDechard發明了選擇性激光燒結技術。同年，德國EOS公司成立。

早期的3D打印局限于塑料打印。一個關鍵的技術轉折點是在20世紀90年代中期，針對金屬燒結或金屬熔化技術的增材制造的出現。EOS在1995年推出了全球第一套商業化的金屬3D打印設備，能夠直接制造出金屬件，使得3D打印技術的應用范圍瞬間拓展。雖然當時可用的金屬材料很少，但從那時起，3D打印技術開始慢慢拓展到不同行業。

2007年，英國巴斯大學的機械工程高級講師AdrianBowyer博士在開源3D打印機項目RepRap中，成功開發出世界首臺可自我復制的3D打印機，3D打印機開始進入普通人的生活。2008年，以色列ObjetGeometries公司推出其革命性的Connex500快速成型系統，它是有史以來第一臺能夠同時使用幾種不同打印原料的3D打印機，開創了混合材料打印的先河。

3D打印涉及多個技術領域，包括光學技術、電子、機械制造、信息技術、控制技術、材料技術等，是技術密集型行業，具有多學科交叉、技術復雜度高的特點。在加工方法上，3D打印和傳統的機械加工大不相同。傳統的機械加工方法往往是“做減法”，在制造過程中材料逐漸減少;鍛造、鑄造等熱加工方法，可粗略視為“等材制造”;3D打印恰好相反，采用打印頭、噴嘴等，通過逐層增加材料的方式制造三維實體物件。與傳統制造技術相比，3D打印不用事先制造模具，不用在制造過程中去除大量的材料，也不用通過復雜的鍛造工藝。因此，在生產上可以實現結構優化、節約材料和節省能源。3D打印技術適合于新產品開發、快速單件及小批量零件制造、復雜形狀零件的制造、模具的設計與制造等。

發展至今，3D打印產業已經逐漸成長為可以滿足工業生產、實現制造業轉型的產業。產業鏈上游為塑料、金屬、蠟、石膏、砂等其他各種材料，下游領域主要是3D打印服務，延伸到各個細分的實際應用方向。目前，3D打印已應用于產品原型、模具制造、藝術創意產品、珠寶制作等領域。

3D打印技術的快速發展使其成為近幾年國內外快速成型技術研究的重點。人們對快速成型技術投入了大量的研究，使3D打印技術得到了迅速發展。

大有可為

“未來制造不會是單純的增材制造或單純的傳統制造，兩者會通過集成——比如3D打印完之后的后處理，如熱處理或是加工拋光等傳統制造工藝——結合起來，工廠或車間的信息集成將使上述流程更加順暢。”此前EOS首席執行官AdrianKeppler接受采訪時表示。

隨著技術的逐漸成熟及發展，3D打印已經從研發轉向了產業化應用，成為制造業的“香餑餑”。新技術應用正在打破行業的限制壁壘，近年來隨著大批傳統制造企業進入到增材制造的領域，全球3D打印產業迎來了大變局。通用電氣（GE）、西門子等行業巨頭和用戶企業，通過持續并購加速了全球的布局。

一直以來，GE都是研發和應用3D打印技術的行業領先者。在3D打印的收益得到驗證后，GE開始進行全球的3D打印工廠建設，先后設立了位于印度的3D打印工廠、匹茲堡的3D打印技術發展中心（CATA）以及意大利的3D打印生產線等，將3D打印技術的應用延伸到GE的所有業務領域。西門子在3D打印領域的布局非常類似于GE，不僅有大手筆，更有全局和細節方面的考量。早在2015年，西門子下屬的風投機構SVC對3D打印公司MaterialsSolutions發起戰略投資，以利用這家企業在金屬3D打印方面的技術積累改進西門子燃氣渦輪的設計制造。2016年2月，西門子在瑞典開設了一家金屬3D打印工廠，進行大規模的零部件制造。

目前3D打印的成熟應用主要集中在航空航天、醫療及石油天然氣行業。

知名法國航空與國防企業賽峰（Safran）的3D打印金屬渦輪噴嘴獲得了歐洲航空安全局（EASA）的飛行認證，而該噴嘴是LeonardoAW189型直升機輔助動力單元（APU）的核心部件之一。美國聯邦航空管理局（FAA）已經認證了許多3D打印的金屬航空部件，其中包括GE的LEAP發動機3D打印噴油嘴。

在國內，2017年3D打印龍頭企業之一的湖南華曙高科在國內成功實現了3D打印技術在發動機靜子、轉子類零件上的直接應用性驗證，有望突破航空渦噴發動機的制造技術瓶頸。在臺架試驗測試環節，用傳統工藝制造的渦噴發動機轉子件在低于10萬轉/分鐘的轉速下破裂，而華曙高科3D打印渦噴發動機零件經受住了考驗。

3D打印的優勢顯而易見。

在2018中國增材制造大會暨展覽會上，GE增材創始人，首任CEOMohammadEhteshami表示，通過3D打印能夠更快地進行新產品的開發，能夠有更好的成本控制及輕量化產品，這也是3D打印能夠快速與各領域實現產業融合的重要原因。目前，GE正在通過收購打造3D打印的全生態鏈，也希望與更多企業深度合作，促進全球3D打印產業騰飛。

西門子中國研究院高級專家研究員李長鵬在2018中國增材制造大會暨展覽會首屆線上微論壇暨新聞發布會也發表了類似的看法，他表示：“一方面，3D打印本身可以通過全新的設計，整體提高產品的性能和工業設備的能效，而且還節能環保;另一方面，3D打印有別于傳統的加工制造工藝，是典型的數字化制造工藝，可以通過小批量生產銷售、開模和簡化整體產品供應鏈等方式，充分結合大數據分析、人工智能等技術，重組整合制造流程，實現信息技術、生產設備的融合，這也是得到學術界、工業界還有政府部門高度重視和支持的重要原因之一。”

近年來，我國持續出臺多項政策支持3D打印產業的發展。

2017年國家出臺了《3D打印產業發展行動計劃（2017-2020）》《增強制造業核心競爭力三年行動計劃（2018-2020）》等多項對3D打印的支持性政策。在2017年發布的《重大技術裝備關鍵技術產業化實施方案》中指出由骨干企業牽頭，聯合相關單位，研制工業級鑄造3D打印設備，滿足大型發動機、航天航空等領域黑色及鋁合金鑄件的需求。

在政策的鼓勵和引導下，各地紛紛將3D打印作為未來產業發展新的增長點來重點培育，推動3D打印技術與信息網絡技術、新材料技術、新設計理念的加速融合，力爭搶占未來科技和產業的制高點。我國進軍3D打印領域的企業數量不斷增多。據中國增材制造產業聯盟統計數據顯示，僅2017年，我國提供3D打印服務的企業數量就已經超過了500家。

對于中國3D打印的發展，中國增材制造產業聯盟副秘書長左世全表示：“從行業組織來看，整體行業在加速布局，市場空間愈加廣闊。一個是從制造企業本身來講，提供的裝備包括材料領域不斷拓展，另外從應用企業，從用戶，包括像GE公司、惠普等等這樣一些公司，通過并購、投資的方式，帶動產業飛速發展。”同時，他還指出目前中國3D打印的發展態勢呈現以下幾個特點：一是產業規模持續擴張，2017年達到了100億元。二是創新產品層出不窮，一些專用材料、工藝、裝備、關鍵零部件、軟件系統等新產品實現量產，包括增材制造軟件系統取得突破。從產業整體布局來看，呈現出多方開花的發展態勢，在北京、湖北、浙江、廣東、山西等地形成了產業集聚地和產業集聚區。

直面挑戰

目前，國內的3D打印主要集中在家電及電子消費品、模具檢測、醫療及牙科正畸、文化創意及文物修復、汽車及其他交通工具、航空航天等領域。前瞻產業研究院發布的《3D打印產業市場需求與投資潛力分析報告》數據顯示，2012年中國3D打印機市場規模達到1.61億美元，至2016年，中國3D打印產業規模達到11.87億美元（約80億元人民幣），復合增長率為49%。

雖然中國在3D打印產業化發展上姿態積極，但是在核心技術、核心材料等方面仍存在不少短板。我國在3D打印核心技術、核心產品、核心服務等方面依然有著很大的提升空間。中國3D打印技術產業聯盟的數據表明，2018年中國3D打印領域相關企業有近600家，但是真正的巨頭企業寥寥無幾，國際影響力與市場競爭力都難言強大。業內人士指出，未來要想推動產業實現健康、可持續發展，還需要在材料研發、技術應用、人才培養等多個環節持續發力。

僅就打印設備而言，我國的3D打印產業目前還處于起步階段，而3D打印設備是牽動整個3D打印產業發展的關鍵步驟之一。3D打印設備分為桌面級打印機和工業級打印機，國內桌面級打印機猛增，技術壁壘不斷降低，盈利能力持續減弱。2016年中國交付的3D打印機數量約為16萬臺，其中96%是個人或桌面3D打印機，其平均價格低于1000美元。目前國內的桌面級打印機競爭已接近白熱化，加之利潤小、精度差、實用性一般，天花板效應逐漸顯現。相比于個人3D打印機而言，中國工業級3D打印機雖受到國家利好政策的刺激，但由于設備研發起步較晚，目前還沒形成能夠與3DSystems和Stratasys等國際巨頭相抗衡的3D打印設備公司。

業內人士認為，中國3D打印產業要想實現真正的跨越式發展，就必須在核心技術、核心零部件國產化上下功夫。如果能夠攻破核心技術，緩解核心零部件受制于人的現狀，那么生產成本與銷售成本就能大幅下降，售后服務問題也能迎刃而解。

對此，工業和信息化部政策法規司副司長范斌在2018中國增材制造大會暨展覽會致辭中表示，世界各主要國家已然將3D打印作為未來產業發展的新增長點。據統計，2017年全球增材制造產值已經達到73億美元，近5年來的年均復合增長率高達26.34%。中國作為制造業大國，舉國上下也非常重視3D打印產業的發展，并提出了一系列有利于3D打印產業發展的政策方針。但是，在看到中國3D打印產業發展成績的同時，我們也要意識到目前產業尚處于產業化起步階段，專用的材料、工藝、裝備等核心技術還有待進一步突破，標準體系、安全法規有待進一步完善，商業模式應用領域還有待進一步開拓，促進我國增材制造產業快速發展任務艱巨，責任重大。

2018年11月26日，國家統計局發布了《戰略性新興產業分類（2018）》（國家統計局令第23號）。公告中有大量的關于3D打印的項目類別，包括3D打印機裝備、金屬3D打印專用材料、醫療3D打印專用材料、3D打印設計等入選了戰略性新興產業分類。

這一次，國家統計局將3D打印列入國家戰略性新興產業分類，有助于推動3D打印技術和應用真正地落地，在細分領域產生價值，加速中國制造的發展，如金屬材料與技術、非金屬材料與技術、醫療增材制造專用材料等從長期和短期發展目標來看，具備戰略性意義的關鍵技術領域。