楊繼全

(南京師范大學電氣與自動化工程學院，江蘇南京 210042)

三維打印產業(yè)發(fā)展概況

楊繼全

(南京師范大學電氣與自動化工程學院，江蘇南京 210042)

三維打印作為新興戰(zhàn)略產業(yè)已逐漸受到廣泛的關注與重視。在介紹三維打印概況的基礎上，分析了全球及中國三維打印發(fā)展現(xiàn)狀，列出當前三維打印發(fā)展的幾個趨勢，為中國三維打印產業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展提出了相應的發(fā)展思路與策略，最后指出了三維打印產業(yè)所面臨的挑戰(zhàn)。

三維打印;現(xiàn)狀;趨勢;思路

1 三維打印概況

三維打印(也稱3D打印、快速成型、增材制造等)被認為是近20年制造技術領域的一次重大突破，也有眾多國內外媒體稱其為“第三次工業(yè)革命”的代表性技術。英國的著名雜志《經濟學人》(The Economist)在2011年12月28日刊登文章“改變世界的三維打印技術”(Best of 2011:3D printing)指出，在3D打印技術得到廣泛運用的情況下，制造業(yè)也許不再運用工廠這種將人力、資金、設備等生產要素大規(guī)模集中化的生產方式，而轉變?yōu)橐环N以3D打印機為基礎的、更加靈活的、所需要投入更少的生產方式?！督洕鷮W人》將這種趨勢稱之為“社會化制造(Social Manufacturing)”，當這種方式得以廣泛的應用時，每臺3D打印機都將可被視為一座協(xié)同運作的工廠。三維打印技術作為新興產業(yè)，其在國內資本市場上也備受追捧。盡管3D打印在中國還是新興行業(yè)，但在經濟轉型期間，舊行業(yè)很難看到希望，其估值極低，而能帶來無限想象空間的新興行業(yè)，尤其是革命性的公司，其發(fā)展?jié)摿o可估量。

國外，尤其是歐美地區(qū)在三維打印技術方面的發(fā)展非常迅速。三維打印技術正逐漸改變美國制造業(yè)的格局，以至于2012年美國《時代》周刊已將三維打印產業(yè)列為“美國十大增長最快的工業(yè)”;英國《經濟學人》雜志則認為它將“與其他數(shù)字化生產模式一起推動實現(xiàn)第三次工業(yè)革命”。為重振美國的制造業(yè)，2011年6月份，美國出臺了扶持三維打印產業(yè)的諸多政策，數(shù)億美元資金開始涌入這個新興的行業(yè)。

從國際市場來看，三維打印成型市場本身已進入商業(yè)化階段，出現(xiàn)了多種成型工藝及相應的軟件和設備，如美國的3D Systems公司、Stratasys公司、Z Corp公司(已與3D Systems公司合并)、德國的EOS公司、以色列的Objet公司(已與Stratasys公司合并)、瑞典的Arcam公司、比利時的Materialise公司等。

中國的三維打印市場已經渡過了啟蒙期，正處于快速發(fā)展的階段。相比發(fā)達國家，我國的三維打印技術及裝備普及程度較差，一方面原因在于政府及相關機構對該領域的相關研究投入不夠，僅由國家自然科學基金、“863”計劃等部分項目給予資助，而資助力度僅夠完成一些原理性的研究，無法向產品化、產業(yè)化的方向發(fā)展;另一方面原因在于國外三維打印設備非常昂貴，這類設備動輒幾十萬，甚至數(shù)百萬元，這是廣大的中小企業(yè)或者學校無法承擔的，廣大的普通民眾更無法承受。目前國內的三維打印處于僅有零星研究、沒有形成氣候的階段，這對于發(fā)展與形成新產業(yè)的確是十分不利的，并且很有可能影響我國在向制造強國和創(chuàng)新驅動等戰(zhàn)略方向發(fā)展的步伐。

2 全球三維打印發(fā)展現(xiàn)狀

從三維打印領域的年度權威報告“Wohlers Report 2012”，可看出當前三維打印的全球發(fā)展概況。

截止到2012年初，三維打印在各領域的分布如圖1所示，主要應用在消費品、汽車、醫(yī)療、教育和航空工業(yè)等領域［1］。

圖1 三維打印在各領域的分布情況

從每個國家和地區(qū)在全球三維打印市場所占份額來看(如圖2所示)，美國占據(jù)絕對的優(yōu)勢，占38.3%的市場，其次是日本占據(jù)10.2%，德國占9.3%，中國大陸占8.6%，中國大陸和中國臺灣的市場則占10.1%，僅次于日本［1］?？梢钥隙ǖ卣f，2013年中國大陸可占據(jù)全球第二的位置，但是從絕對數(shù)量來看，與美國仍然有非常大的差距。

圖2 各國和地區(qū)在全球三維打印產業(yè)中所占的份額

從亞洲地區(qū)來看(如圖3所示)，中國大陸占32.9%的市場，與日本有一定的差距，其次是韓國、中國臺灣和澳大利亞等國家和地區(qū)。

圖3 亞洲國家和地區(qū)在亞洲三維打印產業(yè)中所占的份額

從全球銷售額來看，2011年三維打印市場總共有17億美元左右的銷售收入(如圖4所示)，包括兩個部分:一部分是三維打印設備的銷售收入;一部分是三維打印設計與制造服務方面的銷售收入(該數(shù)據(jù)統(tǒng)計的是上千家三維打印設備銷售、生產、材料、服務有關的公司所得到的數(shù)據(jù))。

圖4 三維打印全球市場銷售收入

2004～2011年全球三維打印增長情況(如圖5所示)，排除2008年全球金融危機造成整個行業(yè)下降的態(tài)勢，基本上保證20%左右的市場增長率，但這部分數(shù)據(jù)僅是指工業(yè)三維打印領域的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖5 全球三維打印產業(yè)增長情況(工藝型三維打印領域)

據(jù)Wohlers Report 2012預測，在工業(yè)型三維打印市場，未來幾年的增長仍將保持穩(wěn)步增長(如圖6所示)，到2019年三維打印工業(yè)化設備的銷售收入會達到70億美元［1］。

圖6 未來數(shù)年工業(yè)型三維打印市場增長情況預測

除了工業(yè)化三維打印設備是一個穩(wěn)定增長的區(qū)域之外，最近兩年，備受市場所熱捧的應屬于個人化的三維打印市場。由于該類三維打印的市場發(fā)展時間較短，其銷量統(tǒng)計數(shù)據(jù)尚無法準確統(tǒng)計，據(jù)幾家銷量較大的公司的銷售數(shù)據(jù)來計算，2011年總共銷售23 265臺，較2010年的市場增長量為289%，遠高于工業(yè)化三維打印設備的市場增長量。

美國是三維打印領域的領頭羊，奧巴馬在最近幾次的國情咨文中均提到，美國政府要投資建造包括三維打印的多個創(chuàng)新研究機構，希望能夠把三維打印作為下一個振興美國制造業(yè)的關鍵產業(yè)之一。如2012年8月投資3000萬美元在俄亥俄州Youngstown建立制造創(chuàng)新研究所，主要研發(fā)三維打印技術，以帶動制造業(yè)創(chuàng)新和增長，重新占據(jù)世界工業(yè)的領導地位。杜克大學企業(yè)家精神與商業(yè)化研究中心主任Vivek Wadhwa提出一個觀點:三維打印技術的進步將使中國的制造業(yè)像過去20年里美國制造業(yè)那樣迅速衰落!他認為未來三維打印的發(fā)展將使現(xiàn)在的規(guī)模化生產被個性化生產所取代，同時個性化的生產利用三維打印可以與現(xiàn)在的網(wǎng)絡相結合，實現(xiàn)網(wǎng)絡化的設計及定制，這樣對中國傳統(tǒng)的制造會帶來巨大的沖擊。

3 三維打印國內發(fā)展現(xiàn)狀

我國三維打印技術研究工作起步于20世紀90年代初。我國早期對三維打印技術方面開展研究的科研機構主要有清華大學、西安交通大學、華中科技大學、南京理工大學、南京航空航天大學等。這些科研機構開始階段在各成型工藝和成型設備的研究和開發(fā)方面各有側重。目前仍從事三維打印技術研究的高校與科研機構有數(shù)十家，在相關的基礎理論和關鍵技術的研究與開發(fā)方面均積累了較為豐富的經驗和成果［2］。

當前，部分國產三維打印設備已接近或達到美國公司同類產品的水平，價格卻便宜甚多，自主研發(fā)應用于三維打印的材料也逐步趨于完善，材料價格更具競爭優(yōu)勢。總體而言，我國已初步形成了三維打印設備和材料的生產與銷售體系。

國內的家電行業(yè)在三維打印技術的應用上，走在了國內制造型企業(yè)前列。如廣東美的、科龍，江蘇的春蘭、小天鵝，青島的海爾等，都先后采用三維打印系統(tǒng)來開發(fā)新產品，收到了很好的效果。近些年隨著通訊事業(yè)在我國的高速發(fā)展，一些國內通訊巨頭企業(yè)例如華為、中興等公司也逐漸將三維打印技術引入到產品設計開發(fā)環(huán)節(jié)，使得公司對市場的響應效率、產品的競爭力提升了一個等級。

在模具制造業(yè)，三維打印技術同樣起到了重要作用。利用三維打印技術制得快速原型，再結合硅膠模、金屬冷噴涂、精密鑄造、電鑄、離心鑄造等方法生產模具;快速成型件也可以直接或間接制得EDM電極，用于電火花加工生產模具;利用三維打印技術制得的快速原型也可以直接作為模具。

近年來，在國家科學技術部的支持下，我國已經在深圳、天津、上海、西安、南京、重慶等地建立一批向企業(yè)提供三維打印技術的服務機構，并開始起到了積極的作用，推動了三維打印技術在我國的廣泛應用，使我國三維打印技術的發(fā)展走上了專業(yè)化、市場化的軌道，為我國制造型企業(yè)的發(fā)展起到了支撐作用，提升了企業(yè)對市場的快速響應能力，提高了企業(yè)的競爭力，同時也為國民經濟增長作出了重大貢獻。

雖然目前三維打印市場整體的規(guī)模還很小，但這不代表三維打印未來就沒有發(fā)展空間。為此，本課題組做了一些市場調研。現(xiàn)僅就國內的教育行業(yè)作簡要分析。截止2011年，國內高校以及其他各類教育機構共有2 409所，總共研發(fā)人員4.2萬人，普通中學有67 751所，職業(yè)中學有4 856所，普通小學有241 249所(以上數(shù)據(jù)來自《2012年中國統(tǒng)計年鑒》)。根據(jù)市場調查可以得到對三維打印需求的一些數(shù)據(jù)(見表1):在高等學校，從事研究與開發(fā)的人員中有2/3對三維打印有需求，不管是理科、文科還是工科;在普通中學，每個中學需要25臺三維打印設備構建一個完整實驗室;同樣在普通小學情況相似，一個實驗室需要25臺設備左右;職業(yè)中學包括高中、中專、技校，每個學校建立2個實驗室，共50臺三維打印設備。通過以上情況可以粗略統(tǒng)計每個層次所需求的數(shù)量，高等學校共22.8萬臺，普通中學接近170萬臺，普通小學603萬臺。

不同層次的學校對三維打印的價格有不同的承受能力，承受能力最弱的就是小學，他們期望個人化的小型打印設備價格在幾千到2萬元左右;高等學校承受能力相對高一些，基本價格平均為15萬元左右，由此可以計算出每個層次需要的設備占據(jù)市場的空間，其總共有2 800億人民幣左右的市場容量，但這不代表每年的采購量，僅表示在教育領域有如此規(guī)模的市場空間。

結合工業(yè)領域、醫(yī)療衛(wèi)生領域、工藝品、建筑業(yè)等其他各市場的調研情況，國內三維打印市場的預期容量遠大于1萬億元人民幣的規(guī)模，這反映出當前的三維打印產業(yè)還有很遠的道路要走。

表1 3D打印教育領域市場調查(2011年)

4 三維打印發(fā)展的趨勢

三維打印的發(fā)展正日新月異，以下僅概述其中幾個主要發(fā)展方向。

a.直接金屬打印是未來的發(fā)展方向之一，從圖7可以看出，直接金屬打印占全球三維打印市場的份額從2003年的3.9%快速增加到2011年的24%，增長量一直在飛速地擴張，說明三維打印市場的對該類技術的需求遠遠高于市場平均發(fā)展速度。圖8為直接金屬打印的成型件。

圖7 直接金屬打印所占市場份額(2003～2011年)

圖8 直接金屬打印的零件

b.個人化的三維打印將迅速得以普及，逐漸得到業(yè)界的認可與推廣。目前普遍的價格為5 000～20 000元人民幣，對象主要為教育機構、DIY愛好者、設計師和中小企業(yè)。圖9為作者所在的三維打印團隊開發(fā)的針對個人和辦公等場合使用的小型三維打印機。

c.生物三維打印將取代傳統(tǒng)的醫(yī)療模型，美國和歐洲在生物打印方面做了很多研究工作，有的已經進入了臨床試驗［3］。如圖10所示。

d.三維打印在一些新的工藝和新的應用方面

圖9 個人化三維打印機

圖10 三維打印在生物工程中的應用

會得到進一步的拓展。圖11是德國的一個設計師Janjaap Ruijssenaars正在用三維打印制作一幢可讓人居住的房子的設計效果圖(據(jù)Tech Crunch報道)，計劃于2014年完工。

圖11 3D打印建筑效果圖

三維打印在食品領域也顯示出了其靈活、快捷、創(chuàng)意十足的優(yōu)勢，圖12為國外用三維打印設備制作的巧克力等食品。

也有一些科研團隊在嘗試采用三維打印制作如圖13所示的電路、顯示屏或其他新產品。

5 三維打印產業(yè)的發(fā)展思路

國內三維打印產業(yè)雖有較好基礎，但仍有很多不足，從政府層面上來講，缺少統(tǒng)一的布局;從高校方面來看，研發(fā)后勁不足，尤其在后備的研發(fā)人才上;在工業(yè)方面的應用面比較窄，局限于某一部分的領域，遠遠沒有拓及到食品、教育、新工業(yè)、民用等很多領域，尚未形成完整的產業(yè)集群。

圖12 三維打印在食品領域中的應用

圖13 三維打印在電路制作等新領域中的應用

如何發(fā)展國內的三維打印產業(yè)是個仁者見仁的論題，結合作者十余年來在三維打印技術研發(fā)及產業(yè)應用方面的經驗，以下提供一些建議供參考。

a.制訂三維打印產業(yè)的發(fā)展規(guī)劃和相關引導政策。

首先在思想上要祛虛存真，現(xiàn)在很多報紙、媒體包括投資機構都在吹捧三維打印，容易造成一種三維打印“無所不能打、無所不能印”的假象，也已經形成了一定的市場亂象，給魚目混珠者可乘之機擾亂方興未艾的市場。

其次，各個地方政府和有關部門應該仔細梳理各自的三維打印產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、水平和優(yōu)勢，提出三維打印產業(yè)發(fā)展的重點及思路，因勢利導選擇性發(fā)展相應的三維打印技術及產業(yè)，而不是一窩蜂地盲目發(fā)展。

然后，對現(xiàn)有的地方三維打印產業(yè)鏈進行有效地整合，構建三維打印產業(yè)集群上、中、下游的完整產業(yè)鏈，形成強大的產業(yè)集群，而不是隔離式發(fā)展。

b.加強原始技術創(chuàng)新和關鍵技術研發(fā)。

在技術方面應該加強原始創(chuàng)新，對一些關鍵技術以及未來引領新型產業(yè)應用的方面提前加大支持力度，進行技術的引進和儲備。重點解決三維打印產業(yè)的關鍵核心技術，如三維打印設計軟件及設備、三維掃描軟件及設備、三維打印設備生產工藝、三維打印材料制備及生產工藝等等。

c.加大應用領域引導和推進。

可以分行業(yè)進行引導和推進:(1)在教育領域，包括大學所使用三維打印技術和設備的比例都還非常低，而在已經運用三維打印技術和設備的教育機構，其使用率和效率仍相對較低。(2)在醫(yī)療領域，國內一些大型醫(yī)院雖已嘗試著應用三維打印，但往往是出于科研目的，沒有走向真正為病人服務的通用化與常態(tài)化。三維打印在國內醫(yī)療領域的應用水平與美國相比仍有相當大的差距。(3)在工業(yè)、辦公領域以及其他行業(yè)，也可以通過建立一些示范性工程，進行三維打印的普及或推廣。

d.加強在人才培養(yǎng)與引進方面的力度。

引導國內高校科研機構以及全球的三維打印研發(fā)團隊進行科研成果轉化，培養(yǎng)高端的三維打印研發(fā)人才、應用型技術人員和產業(yè)工人，逐步形成三維打印產業(yè)大軍。

e.完善針對三維打印產業(yè)的科技招商與融資體系。

作為一個新興產業(yè)，很多小型公司在創(chuàng)業(yè)階段會嚴重缺少資金，在政府的各個產業(yè)政策里雖然有一些規(guī)定，但沒有落到實處，對于科技工作者創(chuàng)業(yè)是一個非常難的問題。所以在科技招商和融資方面，政府部門、開發(fā)園區(qū)和投融資等部門應該合力為創(chuàng)業(yè)型企業(yè)創(chuàng)造完善的投融資平臺和創(chuàng)業(yè)環(huán)境。

6 三維打印產業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

a.關鍵技術沒有明顯的突破。

三維打印未來發(fā)展的目標應做到如下4個方面:傻瓜式設計、一鍵式操作、宜人型材料、平民化價格。

傻瓜式的設計就是“所思即所見”。任何一個人都會天馬行空式的胡思亂想，都會想像他心目中的理想造型為何模樣，但有沒有傻瓜式的設計軟件或設計工具能幫助他快速實現(xiàn)呢?當前一些大的設計公司正在開發(fā)此類設計軟件，如AutoDesk公司的123D軟件，就是一款比較適合于普通用戶使用的三維造型軟件，圖14即是用其設計的模型。這類傻瓜式的設計軟件在國內尚是一個空白。

一鍵式操作即“所見即所得”，現(xiàn)在的三維打印設備操作都很復雜，遠不像現(xiàn)在家用平面打印機操作那么簡單，且模型后處理也較為麻煩，要想獲得理想的模型，至少要經過一個比較長時間的培訓。

圖14 123D設計的三維模型

宜人型的材料是三維打印各成型工藝均面臨的關鍵問題。目前常用的打印材料，如石膏粉末，雖然可以做彩色模型，但是無法做到百分之百循環(huán)利用;如PVC薄膜，雖然可以做透明型強度較高的零件，但材料浪費很嚴重，且無法回收;其他的打印材料，如金屬粉末材料、液態(tài)樹脂材料等也有上述類似問題存在，甚至有些成型材料在成形過程或后處理中對人體和環(huán)境造成一定程度的傷害，并有可能形成對環(huán)境永久性的破壞［4］。因此，如何研發(fā)宜人型的材料，是三維打印走向民用及辦公領域過程中必須解決的關鍵問題。

平民化的價格也是制約三維打印實現(xiàn)普及和推廣的重要因素。雖然個人化的三維打印現(xiàn)在有的已降到了每臺幾千元人民幣，但對辦公、對家庭用戶有非常大幫助的辦公設備離平民化還有很大的差距?？梢韵胂螅绻?D打印機降到現(xiàn)在平面打印機的價格，一個工廠能生產幾十萬臺甚至幾百萬臺三維打印設備，能夠像現(xiàn)在的打印機、掃描儀一樣作為計算機標配型外設，那個時候才能真正地說三維打印無論在上述關鍵技術，還是產業(yè)發(fā)展上都取得了實質突破。

b.知識產權保護面臨挑戰(zhàn)。

三維打印再加上三維掃描(也稱逆向工程)，對知識產權的保護提出了很大的挑戰(zhàn)，業(yè)界人士提出，三維打印技術普及后仿制或者修改別人的東西時怎么去保護產權問題，國內一些協(xié)會正在考慮這個問題，但還沒有進入一個實際可操作階段。

c.社會安全問題面臨挑戰(zhàn)。

如果三維打印進入家庭和個人，就像是把工廠搬入到家庭、辦公室里，家庭就變成了一個無人監(jiān)控的地下工廠。隨著技術的飛速發(fā)展，實現(xiàn)金屬零件的快速精確打印將越來越可能變成現(xiàn)實，離真實槍械打印的距離應該越來越短了。設想這樣一種情形:一旦某個不法分子利用三維打印技術打印槍械和子彈、匕首以及其他管制器械，將會對社會安全造成極大危害，因此，如何進行三維打印產業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展應是一個綜合性的命題。

d.倫理道德問題面臨挑戰(zhàn)。

三維打印已可在實驗室中進行細胞組裝、人工皮膚和骨骼打印、肉制品打印等等，如果不加以約束和限制，數(shù)年以后可能會在實驗室中打印出來器官、生物甚至是類人體，那時倫理道德問題也將面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。

總結起來，三維打印是一個前景可觀的新興戰(zhàn)略產業(yè)，國內三維打印產業(yè)在某些方面已經走在了前列，雖與美國相比仍有較大差距，但國內發(fā)展勢頭更為良好與快速，所以中國在三維打印方面應該奮起直追，同時戒驕戒躁、務虛務等。

［1］Terry Wohlers.Wohlers Report 2012［C］//Additive manufacturing and 3D printing state of the industry.Annual worldwide progress report.Colorado:Wohlers Associates，Inc，2012:125 －149.

［2］楊繼全，徐國財.快速成形技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2006:13－17.

［3］Alexander P，Valery A，Peter C.Heterogeneous Objects Modeling and Applications［M］.New York:Springer－ Verlag Berlin Heidelberg，2008:51 －156.

［4］ZHU Yufang，YANG Jiquan，CHEN Peng，et al.An Integrated design and fabrication approach for heterogeneous objects［J］.Advanced Materials Research，2012，383 －390:5810 －5817.

The Review on 3D Printing Industry Development

YANG Jiquan
(Nanjing Normal University，Jiangsu Nanjing，210042，China)

As strategic emerging industries，3D printing has gradually widespread concern and attention.It introduces the 3D printing technology development and development trend，puts forward some ideas and strategies for health and sustainable development of 3D printint industry，shows the challenges faced by 3D printing industry.

3D Printing;Status;Trend;Ideas

TH164

A

2095－509X(2013)05－0001－06

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.05.001

2013－04－02

楊繼全(1973—)，男，安徽界首人，南京師范大學電氣與自動化工程學院副教授、副院長，博士，主要從事三維打印技術基礎研究、技術開發(fā)、產業(yè)轉化與應用工作。