王鎵垠

近年來(lái)被媒體熱炒、官方追捧的3D打印技術(shù)，相較于傳統(tǒng)去除多余材料形成零部件的機(jī)加工生產(chǎn)方式，其新穎的增材制造的理念在上世紀(jì)80年代一經(jīng)推出，即受到學(xué)界、媒體和民眾的熱捧。

隨著其核心部件如激光、高精度電機(jī)、加熱噴頭等相關(guān)技術(shù)的逐步發(fā)展與性能的提升，加之諸如打印汽車(chē)、槍支、食品、器官等炒作事件被媒體推波助瀾的報(bào)道，3D打印這一概念的關(guān)注度在近5至8年間被提升到相當(dāng)高的位置，其產(chǎn)值和應(yīng)用范圍被媒體、民眾和政府嚴(yán)重高估。但2013年初開(kāi)始的3D打印股票接連下挫的市場(chǎng)行為，使得3D打印概念廣泛被各類(lèi)券商、基金等投資機(jī)構(gòu)看空，且媒體相關(guān)報(bào)道趨向理性和全面，導(dǎo)致存在于3D打印這一被持續(xù)熱捧概念中的泡沫開(kāi)始破裂。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上如樂(lè)高股份、光韻達(dá)等多支3D打印明星股開(kāi)始大幅下挫，國(guó)際市場(chǎng)上除3D打印龍頭3D Systems和Stratasys由于企業(yè)并購(gòu)等利好因素導(dǎo)致股價(jià)上揚(yáng)之外，其他3D打印股價(jià)均回歸低位。這一市場(chǎng)行為的直接原因在于，3D打印還未形成廣泛的工業(yè)應(yīng)用，不存在實(shí)際的完整產(chǎn)業(yè)鏈條。3D打印不能大面積應(yīng)用的最重要原因在于各類(lèi)適用材料不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，3D打印材料是3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

目前3D打印技術(shù)的核心在于打印材料

各類(lèi)3D打印材料直接影響打印產(chǎn)品性能和后續(xù)工藝

所謂3D打印材料，是增材制造（即3D打?。┘夹g(shù)用于逐層堆積制作零部件的基礎(chǔ)原材料和技術(shù)核心，科研人員針對(duì)不同類(lèi)型和性質(zhì)的原材料開(kāi)發(fā)出原理大相徑庭的各類(lèi)3D打印技術(shù)。目前市場(chǎng)上主流的3D打印工藝類(lèi)型有選擇性激光燒結(jié)（SLS）、光固化成型（SLA）、絲材熔融擠出成型（FDM）、液體噴印成型（3DP）、分層實(shí)體制造（LOM）以及上述類(lèi)型相應(yīng)的細(xì)分衍生技術(shù)等，其應(yīng)用材料則包含金屬粉末、高分子聚合物、光敏樹(shù)脂、聚乳酸、無(wú)機(jī)材料粉末、生物高分子材料等，涵蓋范圍十分廣泛。

由于3D打印技術(shù)采用在水平面內(nèi)逐行成型、在三維結(jié)構(gòu)內(nèi)逐層堆積的技術(shù)原理，致使打印材料的性能直接決定成品的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能，粗糙度等表面質(zhì)量，以及防潮性、熱穩(wěn)定性、生物相容性等其他特殊性能。材料性能又能進(jìn)一步影響熱處理、表面理化處理、精加工、拋光鍍膜等后續(xù)工藝，直接影響生產(chǎn)成本和成型效率。隨著其他相關(guān)零部件技術(shù)的不斷提高，3D打印材料的地位不斷提升，其性能已成為當(dāng)前影響3D打印技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品應(yīng)用的核心問(wèn)題。

打印材料是促進(jìn)3D打印設(shè)備及零部件技術(shù)創(chuàng)新的原動(dòng)力

目前在常用3D打印材料種類(lèi)基本穩(wěn)定的前提下，企業(yè)期望提升產(chǎn)品質(zhì)量、提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力、擴(kuò)大市場(chǎng)份額，就需要對(duì)打印設(shè)備的總體設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)成型工藝進(jìn)行創(chuàng)新，對(duì)加熱制冷噴頭、三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、步進(jìn)伺服電機(jī)、激光束電子束發(fā)生器、送料裝置等一系列打印設(shè)備組件進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，以提高3D打印設(shè)備的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，提高3D打印產(chǎn)品的力學(xué)性能、表面質(zhì)量，減少預(yù)處理、后處理工序，節(jié)約成本提高生產(chǎn)效能。例如，選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)針對(duì)不同材料提升激光束質(zhì)量、設(shè)定相應(yīng)聚焦點(diǎn)尺寸和激光強(qiáng)度，熔融擠出成型（FDM）技術(shù)研究噴頭加熱溫度對(duì)ABS塑料熔絲尺寸和成型性能的影響，設(shè)備中三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)提高精度的改進(jìn)，步進(jìn)、伺服電機(jī)的響應(yīng)速度和精度的提升，均是在打印材料的需求影響下進(jìn)行的技術(shù)提升和創(chuàng)新，打印材料的需求可在相當(dāng)大程度上影響3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

打印材料在3D打印產(chǎn)業(yè)內(nèi)占有重要市場(chǎng)份額

3D打印產(chǎn)業(yè)包含打印設(shè)備、打印材料和打印服務(wù)三大類(lèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年全球3D打印產(chǎn)業(yè)中，打印設(shè)備產(chǎn)值和打印材料產(chǎn)值比重相當(dāng)，分別為38.6%和37.2%，均超過(guò)總產(chǎn)值40.1億美元的三分之一，打印服務(wù)產(chǎn)值占比略小，為24.2%。打印材料業(yè)務(wù)可較大程度影響3D打印企業(yè)的生存發(fā)展，如全球3D打印龍頭3DSystem公司由于其打印耗材需求量大增，導(dǎo)致其在2012年底收購(gòu)了多家材料生產(chǎn)企業(yè)，材料業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)最終使其在2013年全年實(shí)現(xiàn)45%的營(yíng)收增速，在全球3D打印泡沫開(kāi)始破裂時(shí)逆勢(shì)增長(zhǎng)。由于目前應(yīng)用于3D打印的材料種類(lèi)較少，大量材料的應(yīng)用潛能還未開(kāi)發(fā)出來(lái)，隨著技術(shù)的提升將開(kāi)發(fā)更多類(lèi)型材料投入應(yīng)用，打印材料在全行業(yè)總產(chǎn)值所占比重將進(jìn)一步提升，打印材料可能成為整個(gè)3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值最高的一環(huán)。

當(dāng)前3D打印材料在應(yīng)用領(lǐng)域面臨的突出問(wèn)題

性能或效率不符合要求，無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)需要

總體來(lái)說(shuō)，3D打印材料成型出的產(chǎn)品普遍具有強(qiáng)度剛度低、表面質(zhì)量差且具有臺(tái)階型紋路、生產(chǎn)效率低等共同缺點(diǎn)，在采用不同工藝技術(shù)路線(xiàn)時(shí)還暴露出了其他特定加工成型的劣勢(shì)。3D打印技術(shù)必須和其他技術(shù)進(jìn)行復(fù)合才有可發(fā)展的市場(chǎng)空間。相比于傳統(tǒng)的鑄造、車(chē)銑、鍛壓、焊接等金屬機(jī)加工生產(chǎn)方式和模具澆灌等非金屬材料生產(chǎn)方式，3D打印技術(shù)成型耗時(shí)長(zhǎng)而效率低。僅在生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件或設(shè)計(jì)原型時(shí)，3D打印技術(shù)凸顯出一定的加工優(yōu)勢(shì)，但其產(chǎn)品的性能在多數(shù)情況下還不能滿(mǎn)足使用要求。

金屬是3D打印最為廣闊的潛在市場(chǎng)。但在金屬材料打印時(shí)，僅支持十多種金屬進(jìn)行加工，如特定幾種鋁硅合金、鈦合金、鎳合金和不銹鋼，且需要預(yù)先制成專(zhuān)用的金屬粉末；打印出的金屬制品致密度低，最高能達(dá)到鑄造件致密度的98%，遠(yuǎn)低于鍛造件的力學(xué)性能；打印制品表面質(zhì)量差，精度2～10μm，需要打磨拋光機(jī)加工等后處理；3D打印具有復(fù)雜曲面的零部件時(shí)，支撐材料難以去除。目前金屬打印產(chǎn)品極少能作為零部件直接組裝應(yīng)用。

無(wú)機(jī)材料打印主要用于生產(chǎn)陶瓷結(jié)構(gòu)，適用材料范圍極窄，如陶瓷粉、粘土和粘合劑等，且打印完成后需要再進(jìn)行后處理和高溫?zé)Y(jié)，與其他3D打印制品類(lèi)似，打印出的結(jié)構(gòu)表面精度差、力學(xué)性能差。最大劣勢(shì)在于其生產(chǎn)效率遠(yuǎn)低于其他生產(chǎn)方式。

近年來(lái)生物組織打印被媒體熱炒，眾多高校和科研機(jī)構(gòu)參與其中。但僅支持明膠、膠原與合成高分子混合物等幾種材料；打印出的結(jié)構(gòu)生物相容性較差，孔隙率小且孔洞分布不均勻，細(xì)胞附著生長(zhǎng)繁殖率低。目前在全球范圍內(nèi)的生物打印僅對(duì)組織器官進(jìn)行結(jié)構(gòu)模仿，并未出現(xiàn)擁有特定理化功能的生物打印成功案例。

少數(shù)技術(shù)成熟的打印材料應(yīng)用市場(chǎng)狹小

在眾多3D打印技術(shù)中，熔融擠出成型（FDM）和光固化成型（SLA）研究較為深入，技術(shù)較為成熟。FDM技術(shù)采用ABS塑料、聚乳酸、尼龍等熱熔性材料進(jìn)行零部件成型，能實(shí)現(xiàn)較好的成型精度和表面質(zhì)量，精度在0.08mm以?xún)?nèi)；SLA技術(shù)采用光敏樹(shù)脂進(jìn)行成型工作，成型精度和表面質(zhì)量比FDM更加優(yōu)異，精度在0.05mm以?xún)?nèi)。但上述兩項(xiàng)技術(shù)所用材料僅能應(yīng)用于工藝品、展示模型、設(shè)計(jì)原型制作等領(lǐng)域，應(yīng)用范圍較為狹窄，其在零件裝配可行性方面的市場(chǎng)份額也被功能更為強(qiáng)大的繪圖軟件所取代。

新材料概念多于實(shí)用技術(shù)，媒體炒作屏蔽應(yīng)用劣勢(shì)

各3D打印企業(yè)出于宣傳公關(guān)、公布利好等目的，定期會(huì)將幾種新材料推向市場(chǎng)，尤其是行業(yè)內(nèi)龍頭企業(yè)，其產(chǎn)品名錄包含幾十乃至上百種類(lèi)的材料。但經(jīng)仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)材料是已經(jīng)量產(chǎn)材料的類(lèi)似物，僅在同種類(lèi)別內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)研發(fā)，并無(wú)實(shí)質(zhì)上的創(chuàng)新材料推出。企業(yè)定期向市場(chǎng)宣稱(chēng)有新材料應(yīng)用時(shí)，炒作新材料概念贏取股價(jià)上漲的公關(guān)意義大于推出有效創(chuàng)新提升技術(shù)水平的研發(fā)意義。

近年來(lái)全球及國(guó)內(nèi)媒體瘋狂炒作3D打印概念，諸如打印汽車(chē)、槍支、食品、器官等新聞不斷見(jiàn)諸報(bào)端，賦予3D打印“第三次工業(yè)革命”的意義，誤導(dǎo)民眾認(rèn)為3D打印是制造一切產(chǎn)品的解決方案，而對(duì)其打印材料的局限性、打印成本等問(wèn)題則避而不談。例如，3D打印金屬手槍并試射子彈的報(bào)道，著重強(qiáng)調(diào)其創(chuàng)新應(yīng)用，而隱瞞了金屬材料無(wú)法達(dá)到要求，在試射幾發(fā)子彈之后槍管爆裂的事實(shí)；3D打印人造器官的報(bào)道，并未深究其試驗(yàn)產(chǎn)品不具備任何生物理化性能，天然高分子材料中的細(xì)胞無(wú)法建立聯(lián)系形成組織，細(xì)胞無(wú)法成活的現(xiàn)狀，所謂產(chǎn)品僅是形狀類(lèi)似的表面功夫；3D打印汽車(chē)的報(bào)道，并未和傳統(tǒng)方式制造的汽車(chē)進(jìn)行性能對(duì)比，未做碰撞測(cè)試確定材料強(qiáng)度性能，且汽車(chē)動(dòng)力總成、懸掛、底盤(pán)、轉(zhuǎn)向等均為傳統(tǒng)方式制造，僅有外殼和面板由3D打印生產(chǎn)，最重要的是相比于傳統(tǒng)制造方式，3D打印效率低下、成本高昂則未被提及。3D打印技術(shù)的媒體炒作嚴(yán)重干擾了各級(jí)政府規(guī)劃和招商的判斷能力，其被淪為部分國(guó)內(nèi)企業(yè)從地方政府圈錢(qián)的財(cái)富工具。3D打印的市值被嚴(yán)重高估，事實(shí)情況是目前全球3D打印產(chǎn)值總額不到富士康某個(gè)新建工廠的年產(chǎn)值。

逐步解決我國(guó)3D打印材料問(wèn)題的對(duì)策建議

加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)與發(fā)展指導(dǎo)

首先應(yīng)堅(jiān)持并增大3D打印產(chǎn)業(yè)，尤其是3D打印材料產(chǎn)業(yè)的政策扶植力度，定期出臺(tái)文件指導(dǎo)3D打印產(chǎn)業(yè)在不同時(shí)期內(nèi)有側(cè)重點(diǎn)的發(fā)展，將面向工業(yè)生產(chǎn)及航空航天的金屬打印材料研發(fā)作為產(chǎn)業(yè)提升和促進(jìn)的主要方向。梳理亟待解決的金屬3D打印關(guān)鍵技術(shù)，列入國(guó)家和地方科技發(fā)展計(jì)劃，加大研發(fā)扶植力度。其次，集中優(yōu)勢(shì)力量開(kāi)展提升3D打印材料力學(xué)性能、致密性和成型精度的專(zhuān)題研究，持續(xù)舉辦發(fā)展論壇并適當(dāng)予以引導(dǎo)和支持。再次，將3D打印階段性成果以及創(chuàng)新技術(shù)成果實(shí)時(shí)向汽車(chē)、船舶、機(jī)加工、航空航天等大規(guī)模制造型企業(yè)進(jìn)行示范推廣，尋找產(chǎn)業(yè)結(jié)合點(diǎn)，創(chuàng)造市場(chǎng)需求，并支持產(chǎn)業(yè)內(nèi)上下游企業(yè)間的合作，建立3D打印產(chǎn)業(yè)與制造業(yè)之間面向市場(chǎng)需求的溝通研發(fā)長(zhǎng)效機(jī)制，發(fā)掘新型的產(chǎn)業(yè)交叉盈利模式。最后，聯(lián)合高校等科研機(jī)構(gòu)，建立3D打印企業(yè)，尤其是3D打印材料生產(chǎn)企業(yè)的金屬材料創(chuàng)新研發(fā)平臺(tái)，予以一定資金和政策支持，引導(dǎo)企業(yè)和高校聯(lián)合集中優(yōu)勢(shì)研發(fā)力量攻克3D打印材料技術(shù)瓶頸。

加強(qiáng)定向高技術(shù)人才培養(yǎng)

建立高校培養(yǎng)、企業(yè)實(shí)踐、面向研發(fā)需求應(yīng)用的鏈條式人才培養(yǎng)機(jī)制，對(duì)有利于解決金屬3D打印形成大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)需求的人才進(jìn)行重點(diǎn)培養(yǎng)。首先，加大高校和其他科研機(jī)構(gòu)在金屬材料打印工藝、力學(xué)性能、合金新材料開(kāi)發(fā)、精度提升等科目的資金投入，設(shè)立重大科研成果獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，鼓勵(lì)社會(huì)和企業(yè)資金對(duì)高校優(yōu)秀人才進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)資助。其次，加強(qiáng)3D打印產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)力度，強(qiáng)化知識(shí)產(chǎn)權(quán)成果轉(zhuǎn)化，針對(duì)我國(guó)國(guó)情開(kāi)展知識(shí)產(chǎn)權(quán)防護(hù)和風(fēng)險(xiǎn)分析以及戰(zhàn)略保護(hù)等內(nèi)容的系統(tǒng)培訓(xùn)。企業(yè)內(nèi)部應(yīng)加大知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)培訓(xùn)力度，建立完善的內(nèi)部提拔合格人才的選拔機(jī)制。再次，對(duì)本領(lǐng)域國(guó)際專(zhuān)家進(jìn)行試點(diǎn)引進(jìn)，吸引海外華人學(xué)者回國(guó)發(fā)展、創(chuàng)業(yè)、投資。最后，針對(duì)打印材料領(lǐng)域內(nèi)培養(yǎng)或引進(jìn)的高端人才，為其提供生活便利。通過(guò)降低企業(yè)社保負(fù)擔(dān)、增加工資補(bǔ)貼、便利子女入學(xué)等方式，增強(qiáng)企業(yè)對(duì)專(zhuān)業(yè)相關(guān)人才的吸引力。

創(chuàng)立需求、應(yīng)用、研發(fā)互動(dòng)信息平臺(tái)

在3D打印企業(yè)、高?？蒲袡C(jī)構(gòu)、潛在市場(chǎng)應(yīng)用企業(yè)和相關(guān)政府部門(mén)之間搭建以3D打印供需為主導(dǎo)的、解決研發(fā)技術(shù)問(wèn)題為目的的全面信息平臺(tái)。在3D打印企業(yè)和大規(guī)模生產(chǎn)性企業(yè)之間互通有無(wú)、明確需求、開(kāi)發(fā)潛在應(yīng)用之后，3D打印企業(yè)可將生產(chǎn)技術(shù)難題及時(shí)與高校等科研機(jī)構(gòu)溝通合作，面向需求解決問(wèn)題；同時(shí)高?？商岢銮罢靶詽撛趹?yīng)用，聯(lián)絡(luò)3D打印企業(yè)和潛在市場(chǎng)需求企業(yè)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用開(kāi)發(fā)；借助此平臺(tái)還可及時(shí)向各方提供政府在3D打印及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的建設(shè)思路和扶植力度，在政府政策引導(dǎo)下找對(duì)方向快速發(fā)展。

鼓勵(lì)企業(yè)上延下拓集群發(fā)展

學(xué)習(xí)3D打印行業(yè)龍頭3D System和Stratasys的成功經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)資本運(yùn)作和企業(yè)并購(gòu)將材料、零部件、銷(xiāo)售等上下游企業(yè)納入公司自身管理范圍，壯大技術(shù)和資金實(shí)力，節(jié)約生產(chǎn)成本提高效益。鼓勵(lì)和引導(dǎo)企業(yè)圍繞核心業(yè)務(wù)，拓展服務(wù)業(yè)務(wù)，通過(guò)融資、并購(gòu)、租賃等資本運(yùn)作手段整合上下游發(fā)展勢(shì)頭較好、技術(shù)水平較高、管理水平完善的配套企業(yè)。鼓勵(lì)促進(jìn)企業(yè)間交流合作，支持產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)聚集發(fā)展，鼓勵(lì)開(kāi)拓產(chǎn)品增加附加值的企業(yè)行為。

（本文轉(zhuǎn)自《裝備制造》）