3D打印入選863計劃：解析中國3D打印產(chǎn)業(yè)化

　　科技部近日公布《國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)、國家科技支撐計劃制造領(lǐng)域2014年度備選項目征集指南》，備受關(guān)注的3D打印產(chǎn)業(yè)首次入選。這體現出國家層面的重視程度，國內的3D打印產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)快速發(fā)展期。

　　《指南》中提到，要突破3D打印制造技術(shù)中的核心關(guān)鍵技術(shù)，研制重點(diǎn)裝備產(chǎn)品，并在相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)展驗證，初步具備開(kāi)展全面推廣應用的技術(shù)、裝備和產(chǎn)業(yè)化條件。設航空航天大型零件激光熔化成型裝備研制及應用、面向復雜零部件模具制造的大型激光燒結成型裝備研制及應用、面向材料結構一體化復雜零部件高溫高壓擴散連接設備研制與應用、基于3D打印制造技術(shù)的家電行業(yè)個(gè)性化定制關(guān)鍵技術(shù)研究及應用示范4個(gè)研究方向，共撥付不超過(guò)4000萬(wàn)研究資金。

　　3D打印技術(shù)經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展，在全球范圍內已形成一個(gè)規模16.8億美元的新興產(chǎn)業(yè)，并以年均20%-30%的速度高速成長(cháng)。如今，3D打印技術(shù)入選863計劃，特別是國家撥款經(jīng)費支持產(chǎn)業(yè)的研究和發(fā)展，體現了國家對3D打印的重視程度。3D打印是一場(chǎng)制造技術(shù)的革命，是中國制造業(yè)升級的重要一環(huán)。

　　中國3D打印產(chǎn)業(yè)化分析及發(fā)展的意義

　　近期，英國《經(jīng)濟學(xué)人》雜志在《第三次工業(yè)革命》一文中，將3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的重要標志之一，引發(fā)了世人對3D打印的關(guān)注。作為新生事物，3D打印究竟是什么含義?發(fā)展3D打印的意義又何在?

　　3D打印(3Dprinting)是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項新興技術(shù)，被稱(chēng)為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”。3D打印機依托多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，在航空航天、汽車(chē)摩托車(chē)、家電、生物醫學(xué)等領(lǐng)域得到了一定應用，發(fā)展前景廣泛。運用該技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)的主要流程是：應用計算機軟件，設計出立體的加工樣式，然后通過(guò)特定的成型設備(俗稱(chēng)“3D打印機”)，用液化、粉末化、絲化的固體材料逐層“打印”出產(chǎn)品。

　　3D打印是“增材制造”(AdditiveManufacturing)的主要實(shí)現形式。“增材制造”的理念區別于傳統的“去除型”制造。傳統數控制造一般是在原材料基礎上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品。而“增材制造”與之截然不同，無(wú)需原胚和模具，就能直接根據計算機圖形數據，通過(guò)增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡(jiǎn)化產(chǎn)品的制造程序，縮短產(chǎn)品的研制周期，提高效率并降低成本。

　　主要材料和關(guān)鍵配件是原材料(粉末、樹(shù)脂、線(xiàn)材等)，激光發(fā)生器，控制系統，這三部分是附加值最高的，國內做的3D打印，更多的是在做組裝機器和成型軟件，用量較大的粉末材料，這可以顛覆傳統的鑄造、機械加工;國外的主要廠(chǎng)商是3DSystem，STRATASYS，eos，他們是全產(chǎn)業(yè)鏈，玩轉的基因是全產(chǎn)業(yè)鏈通。

　　中美差異在于，中國的市場(chǎng)潛力巨大，世界第一，但是創(chuàng )新和科技實(shí)力弱，材料、信息技術(shù)、理念這些不利于3D打印的上游技術(shù)發(fā)展。3D打印發(fā)展，工業(yè)、消費品并重，短期來(lái)看，工業(yè)市場(chǎng)更吸引人。3D打印工藝眾多，產(chǎn)成品率按照材料和質(zhì)量要求不同而不同，3D打印與傳統制造的比較更多應在效率、復雜、難度上面。

　　目前3D打印工業(yè)機的價(jià)格在30萬(wàn)美元-150萬(wàn)美元，而國內的機床價(jià)格普遍在10萬(wàn)美元以下，3D打印機是機器，這個(gè)產(chǎn)業(yè)要替代傳統需要等到鋼材價(jià)格、人工成本、能源價(jià)格大幅上漲，信息化社會(huì )形成的時(shí)候才可以談競爭;目前來(lái)講，醫療、教育、航空航天、軍工、汽車(chē)等應用發(fā)展趨勢較好。

　　一些中小企業(yè)成為國外3D打印設備的代理商，經(jīng)銷(xiāo)全套打印設備、成型軟件和特種材料。還有一些中小企業(yè)購買(mǎi)了國內外各類(lèi)3D打印設備，專(zhuān)門(mén)為相關(guān)企業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)提供服務(wù)。其中，廣東省工業(yè)設計中心、杭州先臨快速成型技術(shù)有限公司等企業(yè)，設立了3D打印服務(wù)中心，發(fā)揮科技人才密集的優(yōu)勢，向國內外客戶(hù)提供服務(wù)，取得了良好的經(jīng)濟效益。

　　目前，我國已有部分技術(shù)處于世界先進(jìn)水平。其中，激光直接加工金屬技術(shù)發(fā)展較快，已基本滿(mǎn)足特種零部件的機械性能要求，率先應用于航天、航空裝備制造;同時(shí)，生物細胞3D打印技術(shù)取得顯著(zhù)進(jìn)展，已可以制造立體的模擬生物組織，為我國生物、醫學(xué)領(lǐng)域尖端科學(xué)研究提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。

　　專(zhuān)家方面，清華大學(xué)的顏永年，華科大的史玉升，西交大的盧秉恒，北航的王華明，湖南華曙的許小曙，技術(shù)不一樣，排名沒(méi)有價(jià)值。目前王華明、顏永年參與了上市公司產(chǎn)業(yè)化，華科大曾經(jīng)有深圳創(chuàng )投介入，西交大資本化較弱。

　　從國內整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)講，技術(shù)基本是看了國外的，在國內高校研發(fā)，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，SLMSLSSLAFDM技術(shù)在國外都有競爭力，但是材料、激光器需要進(jìn)口，利潤較薄，高端機器和材料上還是國外壟斷，國內市場(chǎng)在全球份額在8-10%。

　　一、3D打印需要依托多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，至少包括以下方面：

　　信息技術(shù)：要有先進(jìn)的設計軟件及數字化工具，輔助設計人員制作出產(chǎn)品的三維數字模型，并且根據模型自動(dòng)分析出打印的工序，自動(dòng)控制打印器材的走向。

　　精密機械：3D打印以“每層的疊加”為加工方式。要生產(chǎn)高精度的產(chǎn)品，必須對打印設備的精準程度、穩定性有較高的要求。

　　材料科學(xué)：用于3D打印的原材料較為特殊，必須能夠液化、粉末化、絲化，在打印完成后又能重新結合起來(lái)，并具有合格的物理、化學(xué)性質(zhì)。

　　二、3D打印的應用領(lǐng)域：

　　1.工業(yè)制造：產(chǎn)品概念設計、原型制作、產(chǎn)品評審、功能驗證;制作模具原型或直接打印模具，直接打印產(chǎn)品。3D打印的小型無(wú)人飛機、小型汽車(chē)等概念產(chǎn)品已問(wèn)世。3D打印的家用器具模型，也被用于企業(yè)的宣傳、營(yíng)銷(xiāo)活動(dòng)中。

　　2.文化創(chuàng )意和數碼娛樂(lè )：形狀和結構復雜、材料特殊的藝術(shù)表達載體?？苹妙?lèi)電影《阿凡達》運用3D打印塑造了部分角色和道具，3D打印的小提琴接近了手工藝的水平。

　　3.航空航天、國防軍工：復雜形狀、尺寸微細、特殊性能的零部件、機構的直接制造。

　　4.生物醫療：人造骨骼、牙齒、助聽(tīng)器、假肢等。

　　5.消費品：珠寶、服飾、鞋類(lèi)、玩具、創(chuàng )意DIY作品的設計和制造。

　　6.建筑工程：建筑模型風(fēng)動(dòng)試驗和效果展示，建筑工程和施工(AEC)模擬。

　　7.教育：模型驗證科學(xué)假設，用于不同學(xué)科實(shí)驗、教學(xué)。在北美的一些中學(xué)、普通高校和軍事院校，3D打印機已經(jīng)被用于教學(xué)和科研。

　　8.個(gè)性化定制：基于網(wǎng)絡(luò )的數據下載、電子商務(wù)的個(gè)性化打印定制服務(wù)。國內3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展現狀及問(wèn)題

　　三、3D打印機雖然發(fā)展迅速，但仍面臨一系列問(wèn)題：

　　1.缺乏宏觀(guān)規劃和引導

　　3D打印產(chǎn)業(yè)上游包括材料技術(shù)、控制技術(shù)、光機電技術(shù)、軟件技術(shù)，中游是立足于信息技術(shù)的數字化平臺，下游涉及國防科工、航空航天、汽車(chē)摩配、家電電子、醫療衛生、文化創(chuàng )意等行業(yè)，其發(fā)展將會(huì )深刻影響先進(jìn)制造業(yè)、工業(yè)設計業(yè)、生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng )意業(yè)、電子商務(wù)業(yè)及制造業(yè)信息化工程。但在我國工業(yè)轉型升級、發(fā)展智能制造業(yè)的相關(guān)規劃中，此前對3D打印這一交叉學(xué)科的技術(shù)總體規劃與重視不夠。如今，將3D打印技術(shù)列入863計劃中，這種情況將逐步改善。

　　2.企業(yè)對技術(shù)研發(fā)投入不足

　　我國雖已有幾家企業(yè)能自主制造3D打印設備，但企業(yè)規模普遍較小，研發(fā)力量不足。在加工流程穩定性、工件支撐材料生成和處理、部分特種材料的制備技術(shù)等諸多具體環(huán)節，存在較大缺陷，難以完全滿(mǎn)足產(chǎn)品制造的需求。

　　而占據3D打印產(chǎn)業(yè)主導地位的美國3Dsystems、stratasys等公司，每年都投入1000多萬(wàn)美元研發(fā)新技術(shù)，研發(fā)投入占銷(xiāo)售收入的10%左右。兩家公司不僅研發(fā)設備、材料和軟件，而且以簽約開(kāi)發(fā)、直接購買(mǎi)等方式，獲得大量來(lái)自企業(yè)外部的相關(guān)細分技術(shù)、專(zhuān)利，已掌握一批關(guān)鍵核心技術(shù)。

　　3.產(chǎn)業(yè)鏈缺乏統籌發(fā)展

　　3D打印行業(yè)的發(fā)展需要完善的供應商和服務(wù)商體系、市場(chǎng)平臺。供應商和服務(wù)商體系中，包含工業(yè)設計機構、3D數字化技術(shù)提供商、3D打印機及耗材提供商、3D打印設備經(jīng)銷(xiāo)商、3D打印服務(wù)商。市場(chǎng)平臺包含第三方檢測驗證支持、金融支持、電子商務(wù)、知識產(chǎn)權保護等支持。而目前國內的3D打印企業(yè)還處于“單打獨斗”的初步發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)整合度較低，主導的技術(shù)標準、開(kāi)發(fā)平臺尚未確立，技術(shù)研發(fā)和推廣應用還處于無(wú)序狀態(tài)。

　　4.缺乏教育培訓和社會(huì )推廣

　　目前，企業(yè)購置3D打印設備的數量非常有限，應用范圍狹窄。在機械、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打印相關(guān)的必修環(huán)節，3D打印停留在部分學(xué)生的課外興趣研究層面。

　　四、我國發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)的重要戰略意義：

　　發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，可以在提升我國工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)水平的同時(shí)有助于攻克技術(shù)難關(guān)，并且易形成新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)，促進(jìn)就業(yè)。

　　當前，全球正在興起新一輪數字化制造浪潮。發(fā)達國家面對近年來(lái)制造業(yè)競爭力的下降，大力倡導“再工業(yè)化、再制造化”戰略，提出智能機器人、人工智能、3D打印是實(shí)現數字化制造的關(guān)鍵技術(shù)，并希望通過(guò)這三大數字化制造技術(shù)的突破，鞏固和提升制造業(yè)的主導權，加快3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)我國由“工業(yè)大國”向“工業(yè)強國”的轉變。

　　發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，可以提升我國工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)水平，提高工業(yè)設計能力

　　傳統的工業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法，往往是先開(kāi)磨具，然后再做出樣品，而運用3D打印技術(shù)，無(wú)需開(kāi)磨具，可以把制造時(shí)間降低為以前的1/10到1/5，費用降低到1/3以下。一些好的設計理念，無(wú)論其結構和工藝多么復雜，均可利用3D打印技術(shù)，短時(shí)間內制造出來(lái)，從而極大地促進(jìn)了產(chǎn)品的創(chuàng )新設計，有效克服我國工業(yè)設計能力薄弱的問(wèn)題。

　　發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，可以生產(chǎn)出復雜、特殊、個(gè)性化產(chǎn)品，有助于攻克技術(shù)難關(guān)

　　3D打印可以為基礎科學(xué)技術(shù)的研究提供重要的技術(shù)支持。在航天、航空、大型武器等裝備制造業(yè)，零部件種類(lèi)多、性能要求高，需要進(jìn)行反復測試。運用3D打印，除了在研制速度上具有優(yōu)勢外，還可以直接加工出特殊、復雜的形狀，簡(jiǎn)化裝備的結構設計，化解技術(shù)難題，實(shí)現關(guān)鍵性能的趕超。

　　發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，可以形成新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)，促進(jìn)就業(yè)

　　隨著(zhù)3D打印的普及，“大批量的個(gè)性化定制”將成為重要的生產(chǎn)模式。3D打印與現代服務(wù)業(yè)的緊密結合，將衍生出新的細分產(chǎn)業(yè)、新的商業(yè)模式，創(chuàng )造出新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)。

　　如自主創(chuàng )業(yè)者可以通過(guò)購置或者租賃低成本的3D打印設備(一些3D打印設備已低于1萬(wàn)元)，利用電子商務(wù)等平臺提供服務(wù)，為大量消費者定制生活用品、文體器具、工藝裝飾品等各類(lèi)中小產(chǎn)品，激發(fā)個(gè)性化需求，形成一個(gè)數百億甚至數千億元規模的文化創(chuàng )意制造產(chǎn)業(yè)，并增加社會(huì )就業(yè)。

　　五、支持我國3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策建議：

　　采取財稅金融政策上積極支持、積極引導建立行業(yè)協(xié)會(huì )，鼓勵研發(fā)，加強教育培訓等措施，進(jìn)一步促進(jìn)3D打印社會(huì )化推廣。

　　制定數字化制造規劃，促進(jìn)3D產(chǎn)業(yè)優(yōu)先發(fā)展

　　建議將3D打印技術(shù)定位為生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng )意、工業(yè)設計、先進(jìn)制造、電子商務(wù)及制造業(yè)信息化工程的關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù)，將該產(chǎn)業(yè)納入優(yōu)先發(fā)展產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)品目錄。在財稅金融政策上，鼓勵企業(yè)投資、研發(fā)、生產(chǎn)和應用3D打印，支持3D打印設備的進(jìn)出口。

　　加強產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、行業(yè)協(xié)會(huì )建設，推動(dòng)3D產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展

　　積極引導工業(yè)設計企業(yè)、3D數字化技術(shù)提供商、3D打印機及材料研發(fā)企業(yè)和機構、3D打印服務(wù)應用提供商組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，利用有關(guān)學(xué)會(huì )、協(xié)會(huì )的平臺加強研討和交流，共同推動(dòng)3D打印技術(shù)研發(fā)和行業(yè)標準制定。促進(jìn)3D打印技術(shù)發(fā)展的市場(chǎng)平臺建設，包括3D打印電子商務(wù)平臺、3D打印數據安全和產(chǎn)權保護機制、3D打印及周邊項目投融資機制等，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)可持續發(fā)展。

　　加大科技扶持力度，提升3D打印技術(shù)水平

　　設立專(zhuān)項基金，重點(diǎn)推進(jìn)數字化技術(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(jì)效評估體系，鼓勵各研發(fā)主體探索不同的技術(shù)路徑。加強對3D打印產(chǎn)學(xué)研合作的支持，特別對實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)在市場(chǎng)銷(xiāo)售、社會(huì )推廣上給予政策支持。

　　加強教育培訓，促進(jìn)3D打印社會(huì )化推廣

　　將3D打印技術(shù)納入相關(guān)學(xué)科建設體系，培養3D打印技術(shù)人才。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)和周邊應用的培訓。在科技館、文化藝術(shù)中心、青少年活動(dòng)中心等公共機構進(jìn)行3D打印技術(shù)的展示、宣傳和推廣。發(fā)展3D打印服務(wù)中心，推廣3D打印技術(shù)應用，為發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)積累應用經(jīng)驗。