鄭淑榮

3D打印于上世紀(jì)80年代誕生于美國，學(xué)名是“快速成型技術(shù)”，也被稱為“增材制造技術(shù)”，是將設(shè)計(jì)好的物體轉(zhuǎn)化為三維設(shè)計(jì)圖，采用分層加工、疊加成形的方式逐層增加材料來打印真實(shí)物體。其工作原理與傳統(tǒng)打印原理類似，只不過3D打印機(jī)不用紙與墨，而是用塑料、金屬、陶瓷、沙子等材料做成粉狀后充當(dāng)“墨水”進(jìn)行打印。3D打印不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床就可以打造出任意形狀。其過程分為掃描和打印兩部分：先通過計(jì)算機(jī)建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個(gè)實(shí)體。3D打印分為三大類：一是大眾消費(fèi)級(jí)，多用于工業(yè)設(shè)計(jì)、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域；二是工業(yè)級(jí)，主要用于模具、模型等行業(yè)以及金屬零部件等產(chǎn)品制造；三是生物工程級(jí)，如打印牙齒、細(xì)胞、器官等。

中國3D打印產(chǎn)業(yè)的制約因素

目前，3D打印技術(shù)正在歐美掀起如火如荼的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展熱潮，而中國在這個(gè)領(lǐng)域還欠缺影響力。盡管新材料和高端裝備制造兩個(gè)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的落地執(zhí)行，為3D打印在中國的突破奠定了相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)，但是3D打印技術(shù)的發(fā)展仍存在瓶頸。

研發(fā)力量小而零散，且各自為戰(zhàn)。美國由于企業(yè)介入3D打印技術(shù)較早，因此研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)。占據(jù)3D 打印產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)地位的一些美國公司，每年研發(fā)投入占銷售收入的10% 左右。而中國雖然上世紀(jì)80 年代末就已在西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)和清華大學(xué)等高校開始研究，但幾所院校的研發(fā)和設(shè)計(jì)都是各自為戰(zhàn)，發(fā)展很慢。而且中國3D打印的研發(fā)投入與美國相比有較大差距，占銷售收入的比重也很少。

材料存在問題。在我國，可適用的材料成熟度跟不上整個(gè)3D打印市場的發(fā)展。目前3D打印耗材有限，多為石膏、塑料、可粘結(jié)的粉末顆粒、樹脂等，制造精度、復(fù)雜性、強(qiáng)度等難以達(dá)到較高要求，一般只能應(yīng)用于模型、玩具等產(chǎn)品領(lǐng)域。而對(duì)于金屬材料來說，如果液化打印則難以成型，如果采用粉末冶金方式，除高溫還需高壓，因此恐怕短期內(nèi)很難成熟。另外，當(dāng)前不能將不同材料混在一起打印，只能一次打印一種材料。換言之，現(xiàn)有的3D打印技術(shù)只能生產(chǎn)由一種材料組成的零件，再組裝成成品，距離一次性通過3D打印生產(chǎn)汽車、飛機(jī)的設(shè)想，還有相當(dāng)一段距離。同時(shí)，還存在打印時(shí)的流暢性與固化程序需要時(shí)間的矛盾、冷卻定型與材料強(qiáng)度之間的矛盾以及材料對(duì)人體的安全性及對(duì)環(huán)境的友好性之間的矛盾等。

產(chǎn)品性能存在缺陷。首先，由于3D打印是材質(zhì)一層一層堆積成形，每一層都有厚度，這決定了它的精度難以企及傳統(tǒng)制造方法。提高制造精度需不斷降低每一層的厚度，這樣在難度提高的同時(shí)，也大幅延長了制造時(shí)間。即便層和層之間粘結(jié)再緊密，其產(chǎn)品性能也無法和傳統(tǒng)模具整體澆鑄的零件相媲美。其次，噴嘴問題難以解決。目前噴嘴有用膠漆噴的、鋪粉后再用激光融化后進(jìn)行打印的（后者做金屬類的東西）、金屬和非金屬兼容的。后者一般要同時(shí)用到兩個(gè)噴頭，目前國內(nèi)還沒有此類技術(shù)，即便在國外，也無法輕易解決。

價(jià)格高企，價(jià)值有限。當(dāng)前3D打印機(jī)價(jià)格高企，昂貴的設(shè)備只能提供有限的價(jià)值。即使3D打印機(jī)成本能夠降下來，但單個(gè)商品的制造成本依然得不到解決。使用3D打印機(jī)制造商品，其成本要遠(yuǎn)高于大型企業(yè)規(guī)?；a(chǎn)后均攤到每一件商品的成本，而后者批量生產(chǎn)也比3D打印產(chǎn)品的制造速度要快得多。目前市場上3D打印機(jī)價(jià)格差距懸殊，例如西安交通大學(xué)推出的一款家用3D打印機(jī)售價(jià)僅為6800元，而打印樹脂制品的設(shè)備價(jià)格在40萬到200萬元，打印金屬制品的設(shè)備價(jià)格竟在350萬到1500萬元。不僅如此，3D打印所需原料價(jià)格同樣差距甚大。低端原料國內(nèi)已能自產(chǎn)，價(jià)格比較便宜，但高端原料只能從國外進(jìn)口，價(jià)格昂貴。進(jìn)口樹脂材料高達(dá)每公斤數(shù)千元，而用于組織器官培育生物材料每克在百元左右。以飛機(jī)零件為例，打印這類部件的金屬粉末原料，一公斤售價(jià)8萬元，一枚零件打印出來后至少要賣到2萬元。因此，高昂的成本限制了產(chǎn)業(yè)化和相關(guān)研究的推進(jìn)。

所占市場份額較小。據(jù)全球知名的3D 打印行業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)——美國沃勒斯合伙公司的報(bào)告顯示：2012 年，3D 打印全球市場規(guī)模為22 億美元，同比增長了29%。其中3D 打印機(jī)的銷售量同比上升了25%，其中有38%產(chǎn)自美國，8.5%來自中國。我國的3D打印企業(yè)北京殷華（依托于清華大學(xué)）、陜西恒通智能機(jī)器（依托西安交通大學(xué)）、湖北濱湖機(jī)電（依托華中科技大學(xué)）等雖然都已實(shí)現(xiàn)了一定程度的產(chǎn)業(yè)化，部分企業(yè)生產(chǎn)的便攜式桌面3D 打印機(jī)的價(jià)格已具備國際競爭力，成功進(jìn)入歐美市場，但企業(yè)規(guī)模普遍較小，對(duì)技術(shù)研發(fā)投入不足，在加工流程穩(wěn)定性、工件支撐材料生成和處理、部分特種材料的制備技術(shù)等諸多環(huán)節(jié)存在缺陷，難以完全滿足產(chǎn)品制造的需求。

應(yīng)用領(lǐng)域有限。國外的3D打印技術(shù)已經(jīng)在新產(chǎn)品開發(fā)、生物醫(yī)療、航空航天、汽車、模具制作、影視教育、創(chuàng)意等方面有較多應(yīng)用。特別在西方國家，3D 打印技術(shù)打印出來的個(gè)性化假牙、假肢在醫(yī)療健康領(lǐng)域已經(jīng)取得成效。美國在2011年就達(dá)到了每4公里范圍內(nèi)一定會(huì)有一臺(tái)3D 打印機(jī)的程度，而我國還主要局限于模具打印、文化創(chuàng)意產(chǎn)品等少數(shù)領(lǐng)域。

無法應(yīng)用于工業(yè)化大批量生產(chǎn)。與模具制造等傳統(tǒng)工藝相比，3D激光打印機(jī)制造的同類產(chǎn)品可減重65%、節(jié)材90%。但如果是批量生產(chǎn)，傳統(tǒng)技術(shù)仍具有優(yōu)勢。如果新研發(fā)一種新產(chǎn)品，單件小批量生產(chǎn)，3D打印肯定比傳統(tǒng)開模生產(chǎn)要快。但如果進(jìn)入批量生產(chǎn)階段，3D打印顯然還不適合。這點(diǎn)與普通打印如出一轍——打印幾張紙很快，如果印書，還是到印刷廠制版印刷效率更高。因此，3D打印技術(shù)只能在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)做不了的領(lǐng)域發(fā)揮作用。特別是在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)批量不大、價(jià)格昂貴的部分，利用3D打印一次成型技術(shù)，打印設(shè)計(jì)好的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以節(jié)約材料，降低零部件研制周期和成本。此外，在制造精度上，3D打印目前與傳統(tǒng)的機(jī)械加工制造技術(shù)仍有差距，傳統(tǒng)機(jī)械制造的精度可以達(dá)到微米級(jí)，而3D打印目前只能做到百微米級(jí)，這種差距很難迅速消失。

產(chǎn)業(yè)鏈上企業(yè)整合度低。從完整產(chǎn)業(yè)鏈看，3D打印技術(shù)至少包括上游的設(shè)計(jì)、材料和下游的制造、營銷等環(huán)節(jié)，國內(nèi)制造商在制造環(huán)節(jié)也許并不落后，但在上游的軟件開發(fā)、設(shè)計(jì)研發(fā)以及市場營銷等方面，則缺乏“整體化配合”。3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要完善的供應(yīng)商和服務(wù)商體系及市場平臺(tái)。在供應(yīng)商和服務(wù)商體系中，包含工業(yè)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)、3D數(shù)字化技術(shù)提供商、3D打印機(jī)及耗材提供商、3D打印設(shè)備經(jīng)銷商、3D打印服務(wù)商；市場平臺(tái)包含第三方檢測驗(yàn)證支持、金融支持、電子商務(wù)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等支持。而目前國內(nèi)的3D打印企業(yè)的產(chǎn)業(yè)整合度較低，主導(dǎo)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、開發(fā)平臺(tái)尚未確立，技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用還處于無序狀態(tài)。

缺乏教育培訓(xùn)和社會(huì)推廣。目前，我國多數(shù)制造企業(yè)尚未接受“數(shù)字化設(shè)計(jì)”、“批量個(gè)性化生產(chǎn)”等先進(jìn)制造理念，對(duì)3D 打印這一新興技術(shù)的戰(zhàn)略意義認(rèn)識(shí)不足。企業(yè)購置3D 打印設(shè)備的數(shù)量非常有限，應(yīng)用范圍狹窄。在機(jī)械、材料、信息技術(shù)等工程學(xué)科的教學(xué)課程體系中，缺乏與3D 打印技術(shù)相關(guān)的必修環(huán)節(jié)，還停留在部分學(xué)生的課外興趣研究層面。

發(fā)展中國3D打印產(chǎn)業(yè)的對(duì)策

從國家戰(zhàn)略層面統(tǒng)籌規(guī)劃，避免一哄而上。英國增材制造聯(lián)盟主席格瑞漢姆·卓曼表示，能推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的是工業(yè)級(jí)應(yīng)用，而中國以中心工業(yè)城市集聚帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)、依靠政府支持是目前比較好的一種發(fā)展途徑，有利于工業(yè)級(jí)3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣。中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書長、亞洲制造業(yè)協(xié)會(huì)首席執(zhí)行官羅軍也預(yù)測，中國有潛力成為世界最大的3D打印市場，這引起了不少地方政府對(duì)發(fā)展相關(guān)產(chǎn)業(yè)的興趣。有人覺得3D打印是萬能技術(shù)，是賺錢的良機(jī)，而實(shí)際上，有發(fā)展3D 打印產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)的城市并不多，盲目一哄而上的結(jié)果可能會(huì)損害3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，應(yīng)從國家戰(zhàn)略層面統(tǒng)籌規(guī)劃，避免各地政府競相上馬，過度競爭。

制定3D打印產(chǎn)業(yè)相關(guān)的扶持政策。2012年，在工信部的支持下，中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，這也是世界上首個(gè)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。目前，國內(nèi)有40多家從事3D打印技術(shù)的上下游企業(yè)、科研單位都加入了聯(lián)盟。為整合資源，促進(jìn)3D打印盡快產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟已首批選擇在南京、青島建設(shè)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，三年內(nèi)正式啟動(dòng)至少10個(gè)3D打印創(chuàng)新中心，發(fā)展500家傳統(tǒng)企業(yè)進(jìn)入3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。

在科技部2013年公布的《國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）以及國家科技支撐計(jì)劃制造領(lǐng)域2014年度備選項(xiàng)目征集指南》中，3D打印產(chǎn)業(yè)首次入選。未來仍應(yīng)加大對(duì)3D打印產(chǎn)業(yè)的支持力度。首先，要?jiǎng)?chuàng)新科研機(jī)制，使3D打印研發(fā)力量既各有分工，又互助互補(bǔ)。同時(shí)，要利用社會(huì)主義集中力量辦大事的制度優(yōu)勢，打破當(dāng)前各自為政的局面，集中優(yōu)勢資源，來共同突破3D打印在原材料、操作范圍和工藝穩(wěn)定性等諸多方面面臨的技術(shù)瓶頸。另外，要設(shè)立專項(xiàng)基金，重點(diǎn)推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)、軟件控制、打印裝置、材料技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。在研發(fā)扶持中，要注意建立公平、公正的研發(fā)績效評(píng)估體系，鼓勵(lì)各研發(fā)主體探索不同的技術(shù)路徑。最后，通過制定稅收、金融、政府采購及人才引進(jìn)等方面的優(yōu)惠政府，重點(diǎn)在若干產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)支持幾家團(tuán)隊(duì)實(shí)力強(qiáng)、研發(fā)基礎(chǔ)扎實(shí)的企業(yè)作為發(fā)展這個(gè)產(chǎn)業(yè)的先導(dǎo)。

加強(qiáng)材料方面的基礎(chǔ)研究。據(jù)悉，國內(nèi)做材料方面的基礎(chǔ)研究的人員不多，造成了當(dāng)前“有鍋沒米”的局面，而缺乏材料也影響應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。隨著大量材料或混合物應(yīng)用于3D打印技術(shù)，如何更好地理解每種材料的加工、結(jié)構(gòu)、屬性之間的關(guān)系，并發(fā)揮好它們的特性仍需大量的研究工作。同時(shí)，開發(fā)質(zhì)量測試的程序和方法以幫助擴(kuò)展可用材料的種類也十分重要。在3D打印技術(shù)完全過渡到可提供切實(shí)可行的制造解決方案之前，需要整合研究機(jī)構(gòu)和材料制造商等多方力量來為材料提供力學(xué)性能數(shù)據(jù)的規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)。未來還應(yīng)針對(duì)3D打印制定通用的材料物性標(biāo)準(zhǔn)，使3D打印的適用材料（特別是金屬材料）通用化，以降低3D打印的應(yīng)用門檻。此外，應(yīng)開發(fā)更為多樣的新材料，如智能材料、功能材料、復(fù)合材料，特別是多種金屬材料直接成型，以及金屬粉末材料的國產(chǎn)化等等。

加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟建設(shè)，推動(dòng)3D產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。應(yīng)積極引導(dǎo)高等院校、工業(yè)設(shè)計(jì)企業(yè)、3D數(shù)字化技術(shù)提供商、3D打印機(jī)及材料研發(fā)企業(yè)和機(jī)構(gòu)、3D打印服務(wù)應(yīng)用提供商組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，利用有關(guān)學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)的平臺(tái)加強(qiáng)研討和交流，共同推動(dòng)3D打印技術(shù)研發(fā)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定。促進(jìn)3D打印技術(shù)發(fā)展的市場平臺(tái)建設(shè)，包括3D打印電子商務(wù)平臺(tái)、3D打印數(shù)據(jù)安全和產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制、3D打印及周邊項(xiàng)目投融資機(jī)制等，以促進(jìn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

加大產(chǎn)學(xué)研合作力度。國外專利權(quán)人以企業(yè)為主，注重企業(yè)間的合作，其專利權(quán)人之間已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展的模式。國內(nèi)專利權(quán)人以高校和科研機(jī)構(gòu)為主，缺少大型獨(dú)立研發(fā)的企業(yè)，且合作意識(shí)不強(qiáng)，企業(yè)之間缺少交流。因此，應(yīng)借鑒美國3D 打印企業(yè)的運(yùn)營模式，將研發(fā)重點(diǎn)移向技術(shù)應(yīng)用，加大產(chǎn)學(xué)研合作力度，加大扶植重點(diǎn)企業(yè)的研發(fā)，以突破“校園模式”，向市場和產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變。

加強(qiáng)對(duì)3D打印知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)規(guī)則的設(shè)計(jì)。3D打印工程師們已經(jīng)開始在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及硬件開發(fā)上進(jìn)行交流和協(xié)作，這促進(jìn)了這個(gè)行業(yè)技術(shù)上的合作與發(fā)展，同時(shí)也使得我們不得不重視對(duì)3D打印知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的所有數(shù)據(jù)都保存于一個(gè)數(shù)字檔案中時(shí)，這個(gè)檔案就極易被復(fù)制、傳播以及盜版。雖然目前還無法明確關(guān)于3D 打印的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的規(guī)則是應(yīng)該更嚴(yán)格（這將阻礙創(chuàng)新）還是更寬泛（這將鼓勵(lì)盜版），但關(guān)于3D 打印知識(shí)產(chǎn)權(quán)的規(guī)則設(shè)計(jì)無疑對(duì)于3D 打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展極為重要。

尋找中國3D打印當(dāng)前的出路。核心技術(shù)掌握在外國企業(yè)手中，中國3D打印的出路在哪里？目前，最理想的方式是利用該領(lǐng)域的開源趨勢，把國外的圖紙、控制器引進(jìn)到國內(nèi)，使我國企業(yè)與國際公司站在同一起跑線上。當(dāng)然，要想真正解決技術(shù)難題，仍需要投入大量的時(shí)間和精力，需要政府持續(xù)進(jìn)行支持。否則，核心技術(shù)的缺失將導(dǎo)致3D打印的未來發(fā)展難以為繼。

加強(qiáng)教育培訓(xùn)，促進(jìn)3D 打印技術(shù)的社會(huì)化推廣。應(yīng)將3D 打印技術(shù)納入相關(guān)學(xué)科建設(shè)體系，培養(yǎng)3D 打印技術(shù)人才。還要依靠行業(yè)協(xié)會(huì)、博覽會(huì)、論壇等組織形式進(jìn)行3D 打印技術(shù)和應(yīng)用的培訓(xùn)。同時(shí)，在科技館、文化藝術(shù)中心、青少年活動(dòng)中心等公共機(jī)構(gòu)進(jìn)行3D 打印技術(shù)的展示、宣傳和推廣。最后，應(yīng)當(dāng)發(fā)展3D 打印服務(wù)機(jī)構(gòu)，推廣技術(shù)應(yīng)用，為發(fā)展3D 打印產(chǎn)業(yè)積累應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。