中国3D打印产业的制约因素和应略

3D打印于上世纪80年代诞生于美国,学名是“快速成型技术”,也被称为“增材制造技术”,是将设计好的物体转化为三维设计图,采用分层加工、叠加成形的方式逐层增加材料来打印真实物体.其工作原理与传统打印原理类似,只不过3D打印机不用纸与墨,而是用塑料、金属、陶瓷、沙子等材料做成粉状后充当“墨水”进行打印.3D打印不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状.其过程分为扫描和打印两部分：先通过计算机建模,再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面,打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体.3D打印分为三大类：一是大众消费级,多用于工业设计、文化创意等领域；二是工业级,主要用于模具、模型等行业以及金属零部件等产品制造；三是生物工程级,如打印牙齿、细胞、器官等.

中国3D打印产业的制约因素

目前,3D打印技术正在欧美掀起如火如荼的产业化发展热潮,而中国在这个领域还欠缺影响力.尽管新材料和高端装备制造两个战略性新兴产业的落地执行,为3D打印在中国的突破奠定了相关技术基础,但是3D打印技术的发展仍存在瓶颈.

研发力量小而零散,且各自为战.美国由于企业介入3D打印技术较早,因此研发实力较强.占据3D打印产业主导地位的一些美国公司,每年研发投入占销售收入的10%左右.而中国虽然上世纪80年代末就已在西安交通大学、华中科技大学和清华大学等高校开始研究,但几所院校的研发和设计都是各自为战,发展很慢.而且中国3D打印的研发投入与美国相比有较大差距,占销售收入的比重也很少.

材料存在问题.在我国,可适用的材料成熟度跟不上整个3D打印市场的发展.目前3D打印耗材有限,多为石膏、塑料、可粘结的粉末颗粒、树脂等,制造精度、复杂性、强度等难以达到较高要求,一般只能应用于模型、玩具等产品领域.而对于金属材料来说,如果液化打印则难以成型,如果采用粉末冶金方式,除高温还需高压,因此恐怕短期内很难成熟.另外,当前不能将不同材料混在一起打印,只能一次打印一种材料.换言之,现有的3D打印技术只能生产由一种材料组成的零件,再组装成成品,距离一次性通过3D打印生产汽车、飞机的设想,还有相当一段距离.同时,还存在打印时的流畅性与固化程序需要时间的矛盾、冷却定型与材料强度之间的矛盾以及材料对人体的安全性及对环境的友好性之间的矛盾等.

产品性能存在缺陷.首先,由于3D打印是材质一层一层堆积成形,每一层都有厚度,这决定了它的精度难以企及传统制造方法.提高制造精度需不断降低每一层的厚度,这样在难度提高的同时,也大幅延长了制造时间.即便层和层之间粘结再紧密,其产品性能也无法和传统模具整体浇铸的零件相媲美.其次,喷嘴问题难以解决.目前喷嘴有用胶漆喷的、铺粉后再用激光融化后进行打印的（后者做金属类的东西）、金属和非金属兼容的.后者一般要同时用到两个喷头,目前国内还没有此类技术,即便在国外,也无法轻易解决.

高企,价值有限.当前3D打印机高企,昂贵的设备只能提供有限的价值.即使3D打印机成本能够降下来,但单个商品的制造成本依然得不到解决.使用3D打印机制造商品,其成本要远高于大型企业规模化生产后均摊到每一件商品的成本,而后者批量生产也比3D打印产品的制造速度要快得多.目前市场上3D打印机差距悬殊,例如西安交通大学推出的一款家用3D打印机售价仅为6800元,而打印树脂制品的设备在40万到200万元,打印金属制品的设备竟在350万到1500万元.不仅如此,3D打印所需原料同样差距甚大.低端原料国内已能自产,比较便宜,但高端原料只能从国外进口,昂贵.进口树脂材料高达每公斤数千元,而用于组织器官培育生物材料每克在百元左右.以飞机零件为例,打印这类部件的金属粉末原料,一公斤售价8万元,一枚零件打印出来后至少要卖到2万元.因此,高昂的成本限制了产业化和相关研究的推进.

所占市场份额较小.据全球知名的3D打印行业咨询机构――美国沃勒斯合伙公司的报告显示：2012年,3D打印全球市场规模为22亿美元,同比增长了29%.其中3D打印机的销售量同比上升了25%,其中有38%产自美国,8.5%来自中国.我国的3D打印企业北京殷华（依托于清华大学）、陕西恒通智能机器（依托西安交通大学）、湖北滨湖机电（依托华中科技大学）等虽然都已实现了一定程度的产业化,部分企业生产的便携式桌面3D打印机的已具备国际竞争力,成功进入欧美市场,但企业规模普遍较小,对技术研发投入不足,在加工流程稳定性、工件支撑材料生成和处理、部分特种材料的制备技术等诸多环节存在缺陷,难以完全满足产品制造的需求.

应用领域有限.国外的3D打印技术已经在新产品开发、生物医疗、航空航天、汽车、模具制作、影视教育、创意等方面有较多应用.特别在西方国家,3D打印技术打印出来的个性化检测牙、检测肢在医疗健康领域已经取得成效.美国在2011年就达到了每4公里范围内一定会有一台3D打印机的程度,而我国还主要局限于模具打印、文化创意产品等少数领域.

无法应用于工业化大批量生产.与模具制造等传统工艺相比,3D激光打印机制造的同类产品可减重65%、节材90%.但如果是批量生产,传统技术仍具有优势.如果新研发一种新产品,单件小批量生产,3D打印肯定比传统开模生产要快.但如果进入批量生产阶段,3D打印显然还不适合.这点与普通打印如出一辙――打印几张纸很快,如果印书,还是到印刷厂制版印刷效率更高.因此,3D打印技术只能在传统产业做不了的领域发挥作用.特别是在传统产业批量不大、昂贵的部分,利用3D打印一次成型技术,打印设计好的复杂结构,可以节约材料,降低零部件研制周期和成本.此外,在制造精度上,3D打印目前与传统的机械加工制造技术仍有差距,传统机械制造的精度可以达到微米级,而3D打印目前只能做到百微米级,这种差距很难迅速消失.产业链上企业整合度低.从完整产业链看,3D打印技术至少包括上游的设计、材料和下游的制造、营销等环节,国内制造商在制造环节也许并不落后,但在上游的软件开发、设计研发以及市场营销等方面,则缺乏“整体化配合”.3D打印产业的发展需要完善的供应商和怎么写作商体系及市场平台.在供应商和怎么写作商体系中,包含工业设计机构、3D数字化技术提供商、3D打印机及耗材提供商、3D打印设备经销商、3D打印怎么写作商；市场平台包含第三方检测验证支持、金融支持、电子商务、知识产权保护等支持.而目前国内的3D打印企业的产业整合度较低,主导的技术标准、开发平台尚未确立,技术研发和推广应用还处于无序状态.

缺乏教育培训和社会推广.目前,我国多数制造企业尚未接受“数字化设计”、“批量个性化生产”等先进制造理念,对3D打印这一新兴技术的战略意义认识不足.企业购置3D打印设备的数量非常有限,应用范围狭窄.在机械、材料、信息技术等工程学科的教学课程体系中,缺乏与3D打印技术相关的必修环节,还停留在部分学生的课外兴趣研究层面.

发展中国3D打印产业的对策

从国家战略层面统筹规划,避免一哄而上.英国增材制造联盟主席格瑞汉姆卓曼表示,能推动产业发展的是工业级应用,而中国以中心工业城市集聚带动产业、依靠政府支持是目前比较好的一种发展途径,有利于工业级3D打印技术的发展和应用推广.中国3D打印技术产业联盟秘书长、亚洲制造业协会首席执行官罗军也预测,中国有潜力成为世界最大的3D打印市场,这引起了不少地方政府对发展相关产业的兴趣.有人觉得3D打印是万能技术,是赚钱的良机,而实际上,有发展3D打印产业技术基础的城市并不多,盲目一哄而上的结果可能会损害3D打印产业的发展.因此,应从国家战略层面统筹规划,避免各地政府竞相上马,过度竞争.

制定3D打印产业相关的扶持政策.2012年,在的支持下,中国3D打印技术产业联盟成立,这也是世界上首个3D打印技术产业联盟.目前,国内有40多家从事3D打印技术的上下游企业、科研单位都加入了联盟.为整合资源,促进3D打印尽快产业化,产业联盟已首批选择在南京、青岛建设3D打印技术产业创新中心,三年内正式启动至少10个3D打印创新中心,发展500家传统企业进入3D打印技术产业联盟.

在科技部2013年公布的《国家高技术研究发展计划（863计划）以及国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》中,3D打印产业首次入选.未来仍应加大对3D打印产业的支持力度.首先,要创新科研机制,使3D打印研发力量既各有分工,又互助互补.同时,要利用社会主义集中力量办大事的制度优势,打破当前各自为政的局面,集中优势资源,来共同突破3D打印在原材料、操作范围和工艺稳定性等诸多方面面临的技术瓶颈.另外,要设立专项基金,重点推进数字化技术、软件控制、打印装置、材料技术等关键技术的研发.在研发扶持中,要注意建立公平、公正的研发绩效评估体系,鼓励各研发主体探索不同的技术路径.最后,通过制定税收、金融、政府采购及人才引进等方面的优惠政府,重点在若干产业链环节支持几家团队实力强、研发基础扎实的企业作为发展这个产业的先导.

加强材料方面的基础研究.据悉,国内做材料方面的基础研究的人员不多,造成了当前“有锅没米”的局面,而缺乏材料也影响应用领域的扩展.随着大量材料或混合物应用于3D打印技术,如何更好地理解每种材料的加工、结构、属性之间的关系,并发挥好它们的特性仍需大量的研究工作.同时,开发质量测试的程序和方法以帮助扩展可用材料的种类也十分重要.在3D打印技术完全过渡到可提供切实可行的制造解决方案之前,需要整合研究机构和材料制造商等多方力量来为材料提供力学性能数据的规范性标准.未来还应针对3D打印制定通用的材料物性标准,使3D打印的适用材料（特别是金属材料）通用化,以降低3D打印的应用门槛.此外,应开发更为多样的新材料,如智能材料、功能材料、复合材料,特别是多种金属材料直接成型,以及金属粉末材料的国产化等等.

加强产业联盟建设,推动3D产业协同发展.应积极引导高等院校、工业设计企业、3D数字化技术提供商、3D打印机及材料研发企业和机构、3D打印怎么写作应用提供商组建产业联盟,利用有关学会、协会的平台加强研讨和交流,共同推动3D打印技术研发和行业标准制定.促进3D打印技术发展的市场平台建设,包括3D打印电子商务平台、3D打印数据安全和产权保护机制、3D打印及周边项目投融资机制等,以促进产业可持续发展.

加大产学研合作力度.国外专利权人以企业为主,注重企业间的合作,其专利权人之间已经形成产业协同发展的模式.国内专利权人以高校和科研机构为主,缺少大型独立研发的企业,且合作意识不强,企业之间缺少交流.因此,应借鉴美国3D打印企业的运营模式,将研发重点移向技术应用,加大产学研合作力度,加大扶植重点企业的研发,以突破“校园模式”,向市场和产业化转变.

加强对3D打印知识产权保护规则的设计.3D打印工程师们已经开始在产品设计及硬件开发上进行交流和协作,这促进了这个行业技术上的合作与发展,同时也使得我们不得不重视对3D打印知识产权的保护.当产品设计的所有数据都保存于一个数字档案中时,这个档案就极易被复制、传播以及盗版.虽然目前还无法明确关于3D打印的知识产权的规则是应该更严格（这将阻碍创新）还是更宽泛（这将鼓励盗版）,但关于3D打印知识产权的规则设计无疑对于3D打印产业的发展极为重要.

寻找中国3D打印当前的出路.核心技术掌握在外国企业手中,中国3D打印的出路在哪里?目前,最理想的方式是利用该领域的开源趋势,把国外的图纸、控制器引进到国内,使我国企业与国际公司站在同一起跑线上.当然,要想真正解决技术难题,仍需要投入大量的时间和精力,需要政府持续进行支持.否则,核心技术的缺失将导致3D打印的未来发展难以为继.

加强教育培训,促进3D打印技术的社会化推广.应将3D打印技术纳入相关学科建设体系,培养3D打印技术人才.还要依靠行业协会、博览会、论坛等组织形式进行3D打印技术和应用的培训.同时,在科技馆、文化艺术中心、青少年活动中心等公共机构进行3D打印技术的展示、宣传和推广.最后,应当发展3D打印怎么写作机构,推广技术应用,为发展3D打印产业积累应用经验.