3D 打印需要原材料的液化、粉末化和丝化

   ——王忠宏，李扬帆，张曼茵《中国3D打印产业的现状及发展思路》

    近期，英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文中，将3D 打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一，引发了世人的关注。作为新生事物，什么是3D 打印技术? 它与传统产品开发和生产制造有什么区别? 发展的意义何在? 我国发展现状如何? 下一步应如何发展?

   一、概况

    ( 一) 3D 打印的概念

   3D 打印技术是制造业领域正在迅速发展的一项新兴技术，被称为“具有工业革命意义的制造技术”。运用该技术进行生产的主要流程是: 应用计算机软件设计出立体的加工样式，然后通过特定的成型设备( 俗称“3D 打印机”) ，用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层“打印”出产品。3D 打印技术是“增材制造”的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“去除型”制造。传统数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。而“增材制造”与之不同，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体， 简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提 高效率并降低成本。

( 二) 3D 打印技术所依托的关键技术

3D 打印技术需要依托多个学科领域的尖端技术，主要包括以下方面: 信息技术，即要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并根据模型自动分析出打印的工序，自动控制打印器材的走向; 精密机械，即3D 打印技术以“每层的叠加”为加工方式，产品的生产要求高精度，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求; 材料科学，即用于3D 打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化、丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。客观说，目前3D 打印技术尚不成熟。作为一项多学科交叉的高新技术，还需要在各相关领域投入较大的研发力量，才能掌握完整的核心技术。

( 三) 3D 打印技术的应用领域

近年来，3D 打印技术发展迅速，在各领域都取得了长足发展，已成为现代模型、模具和零部件 制造的有效手段，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定应用，在工程和教学 研究等领域也占有独特地位。

具体应用领域包括: 工业制造。可应用于产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证。 制作模具原型或直接打印模具，直接打印产品:3D 打印技术制造的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世，家用器具模型也被用于企业的 宣传、营销活动中; 文化创意和数码娱乐: 可作为形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影《阿凡达》运用3D 打印技术塑造了部分角色和道具，3D 打印技术制造的小提琴接近了手工艺的水平; 航空航天、国防军工: 可对形状复杂、尺寸微细、性能特殊的零部件、机构 进行直接制造; 生物医疗: 可应用于人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等的制作; 消费品: 可应用于珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY 作品的设计和制造; 建筑工程: 可应用于建筑模型风动实验和效果展示，建筑工程和施工( AEC) 模拟; 教育: 可应用于模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高 校和军事院校，3D 打印机已经被用于教学和科研; 个性化定制: 可提供基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。

从市场应用份额看，3D 打印技术应用在汽车及零配件领域占37%，在消费品领域占18. 2%， 应用于航空航天和国防军工占13. 7%，在商业机 器领域占11. 2%，在医疗领域占8. 8%，在科研方 面占8. 6%。

二、我国3D 打印产业发展现状及面临的问题

近年来，我国积极探索3D 打印技术的研发，初步取得成效。自20 世纪90 年代初以来，清华 大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大 学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校，在 3D 打印设备制造技术、3D 打印材料技术、3D 设 计与成型软件开发、3D 打印工业应用研究等方面，开展了积极的探索，已有部分技术处于世界先 进水平。其中，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备制造; 生物细胞3D 打印 技术取得显著进展，已可以制造立体的模拟生物 组织，为我国生物、医学领域尖端科学研究提供了 关键的技术支撑。目前，依托高校的研究成果，对 3D 打印设备进行产业化运作的公司实体主要有: 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) 。这些企业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 价格已具备国际竞争力，成功进入欧美市场。一些中小企业成为国外3D 打印设备的代理商，经销全套打印设备、成型软件和特种材料。还有一些中小企业购买了国内外各类3D 打印设备，专门为相关企业的研发、生产提供服务。其 中，广东省工业设计中心、杭州先临快速成型技术有限公司等企业，设立了3D 打印服务中心，发挥 科技人才密集的优势，向国内外客户提供服务，取得了良好的经济效益。在家用电器、汽车配件、通信技术、航天、军工 等领域，3D 打印技术被越来越多应用到产品研发和生产中。在医疗领域，国内高水平的医院使用 3D 打印技术，为患者提供定制的牙齿和骨骼替代 物以及具有仿生性能的体内植入物。在教育领域，我国有很多高校购买了3D 打印设备，开展多个学科的教学和研究工作。目前，中国已成为美国、日本、德国之后的3D 打印设备拥有国。3D 打印产业正成为投资热点。不少原来从事数字化技术、材料技术、精密机械技术的企业纷考虑投资开发3D 打印设备生产和服务。

目前，我国3D 打印产业处于起步阶段，存在一系列影响3D 打印产业快速发展的问题。

第一，缺乏宏观规划和引导。3D 打印产业上游包括材料技术、控制技术、光机电技术、软件技 术，中游是立足于信息技术的数字化平台，下游涉及国防科工、航空航天、汽车摩配、家电电子、医疗 卫生、文化创意等行业，其发展将会深刻影响先进 制造业、工业设计业、生产性服务业、文化创意业、电子商务业及制造业信息化工程。但在我国工业 转型升级、发展智能制造业的相关规划中，对3D 打印产业的总体规划与重视不够。

第二，对技术研发投入不足。我国虽已有几家企业能自主制造3D 打印设备，但企业规模普遍较小，研发力量不足。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，存在较大缺陷，难以完全满足产品制造的需求。而占据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。目前，欧美一些3D 打印企业依托其技术优势，正加紧谋划拓展我国市场。我国对3D 打印 技术的研发投入与美国有较大差距，占销售收入 的比重很少。

第三，产业链缺乏统筹发展。3D 打印产业的发展需要完善的供应商和服务商体系和市场平台。在供应商和服务商体系中，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 打印服务商。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 印企业还处于“单打独斗”的初级发展阶段，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。 第四，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。

三、我国发展3D 打印产业具有重要的战略意义

当前，全球正在兴起新一轮数字化制造浪潮。发达国家为解决近年来制造业竞争力下降的难题，大力倡导“再工业化、再制造化”战略，提出智能机器人、人工智能、3D 打印技术是实现数字化制造的关键技术，并希望通过这三大数字化制造技术的突破，巩固和提升制造业的主导权。虽然 3D 打印等数字化制造的核心技术仍处在发展的初级阶段，产业还不成熟，但在产品设计、复杂和 特殊产品生产、个性化服务等方面已显示其独特 优势。所以，我们应充分认识智能制造、数字化制造对我国的深刻影响，加快3D 打印产业的发展， 推动我国由“工业大国”向“工业强国”转变。

 ( 一) 发展3D 打印产业，可提升我国工业领域的产品开发水平，提高工业设计能力

传统的工业产品开发方法往往是先做模具，然后再做出样品，而运用3D 打印技术，无需模具，就可以把制造时间降低为以前的1 /10 到1 / 5，费用降低到1 /3 以下。一些好的设计理念，无论其结构和工艺多么复杂，均可以利用3D 打印技术短时间内制造出来，从而极大地促进产品的 创新设计，能够有效克服我国工业设计能力薄弱的问题。

( 二) 发展3D 打印产业，可生产出复杂、特殊、个性化的产品，有助于攻克技术难关 3D 打印技术可为基础科学的研究提供重要的技术支持。

四、我国3D打印产业发展的政策建议

(一)制定3D打印产业发展规划，促进其优先发展

建议将3D 打印技术定位为生产性服务业、文化创意、工业设计、先进制造、电子商务及制造业信息化工程的关键技术和共性技术，将该产业纳入优先发展产业及产品目录。在财税金融政策上，鼓励企业投资、研发、生产和应用3D 打印技术，支持3D 打印设备的进出口。

(二)加强3D打印产业联盟、行业协会建设，推动产业协同发展

积极引导工业设计企业、3D 数字化技术提供商、3D 打印机及材料研发企业和机构、3D 打印服 务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 打印技术及关联项 目投融资机制等，促进产业可持续发展。

( 三) 加大科技扶持力度，提升3D 打印技术水平

设立3D 打印产业专项基金，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。加强对3D 打印产学研合作的支持，特别对实施产业化的企业在市场销售、推广上 给予政策支持。

( 四) 加强教育培训，促进3D 打印技术的社会化推广

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。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。 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。发展3D 打印服务机构，推广3D 打印技术应用，为发展3D 打印产业积累应用经验。

——2013年第7期《新华文摘》