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3D打印丰满还是骨感

发布时间:2018-05-09 11:30:00 文章来源:未来智库    
    在不久前举办的2017中国国际信息通信展上,展台上的煎饼“卖”得格外火爆。煎饼,大家都习以为常,为什么此款煎饼颇受追捧?只因其披上了3D打印的华丽外衣。
    从打印出的房子里醒来,换上打印出的衣服,吃完打印出的早餐,骑着打印出的单车去上班……这看似是在科幻电影中才会实现的场景,现在都能够依靠3D打印技术将这些幻想成为现实。从高大上的前沿技术,到如今渗透到我们衣食住行的各个领域,3D打印带给我们的惊喜总是超出想象。
    3D打印是一种形象化的表述,还有一个正式的官方名字,叫作增材制造(Additive Manufacturing,AM),技术的本质跟传统的普通打印工作原理基本相同,打印机内装的不是墨粉,而是实实在在的“打印材料”,与电脑连接后,通过电脑控制构建模型,再输出数据把“打印材料”一层层叠加起来,最终把计算机上的蓝图变成实物。
    由于其与信息网络技术深度融合,给传统制造业带来变革性影响,目前已经成为世界各国培育未来产业的重点。据Wohlers Associates对全球61家工业系统制造商、19家专用材料生产商、100家服务提供商以及一批消费级增材制造设备制造商的统计数据显示,2016年,全球增材制造产业产值达到60.63亿美元,同比增长17.4%。工业级增材制造装备制造企业数量不断增加。2016年,全球有97家工业级增材制造装备制造商,相比2014年的49家,增长近1倍。报告显示,2015年全球增材制造设备市场保有量格局中,欧美国家占有率为67.9%。其中,北美国家占有率39.7%,欧洲国家占有率28.2%,均呈现下降趋势。亚洲国家占有率为27.5%,呈现小幅上升趋势。从国别看,美国的设备保有量占有率居首,高达37.8%,相比2014年下降了0.3个百分点。德国设备保有量占有率居其次,高达9.6%,相比2014年下降了0.1个百分点。据国际数据公司IDC预计,未来5年内,全球3D打印市场将以22.3%的年复合增长率扩大,在2020年达到289亿美元。
    从2013年开始,我国也开始逐渐加大对3D打印的扶持力度。2015年,《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》以及《中国制造2025》相继出台。提高制造创新能力的呼声也日益突出,3D打印技术发展颇为可观,如目前世界上最大的3D打印机正是中国制造;天宫一号、国产大飞机C919的部分零部件,也都使用了3D打印技术。
    据中国增材制造产业联盟对23家规模以上企业的经营数据统计,2016年国内规模以上增材制造企业总产值20.3亿元,比2015年的10.8亿元增长87.5%。2017年上半年总产值为11.6亿元,同比增长50.5%,产业规模实现快速增长。从产业构成看,增材制造装备、材料和服务的产值比例分别为50.1%、26.9%、23.0%,增材制造装备产值占一半。
    虽然现在国内3D打印行业红红火火,但是作为新兴行业,依然存在着不容忽视的问题。首先,国内现在有大概三四百家企业进入3D打印领域,但是多数仍在从事粗放式生产设备的工作,基本上还是处于“小而散”的状态,未有核心龙头企业。虽然国外的3D打印企业大多也并不盈利,而且规模也不算大,但是区别还是非常明显的。
    其次,从技术层面看,我国基本上还是缺乏核心技术,缺乏原创技术,但是国外的技术却在不断改写3D打印新的历史。在应用层面,虽然我们在很多领域都开始应用,但是我们的应用基本上还是非常初级,要打开应用市场还有不少困难和问题。而美国基本上在航空航天和军工领域全面覆盖,欧洲在汽车及零部件、模具、医疗领域的深度应用已经10多年。日本虽然也是后来者,但在模具、汽车及零部件等领域的应用也远远超过我们。
    除了核心技术有待突破外,与传统制造相比,3D打印存在着难以量产的先天劣势,材料与成本是阻碍3D打印实现量产的两大因素。材料上,3D打印面临耗材短缺的问题。目前能够应用到3D打印的材料仅100多种,而传统减材制造、等材制造的材料有数万种。另外材料的性能还不够稳定,且材料的通用性比较差和成本高企,制约着3D打印在工业领域应用的进一步发展。
    成本过高是制约该技术发展的重要瓶颈之一。大多桌面级的3D打印机售价都在2万元人民币左右,而工业级的设备在几十万元到上百万元。桌面级设备因为应用的是熔融沉积快速成型技术,无需激光器等贵重元器件,因此价格较便宜。但成形后表面粗糙,需后续抛光处理,一些过于精细的细节也表现不出来。但这些产品在效果上都难以叫人满意,故而阻碍了量产。工业3D打印设备本身的运营和维护成本又较高,导致价格昂贵,成本不好下降。以SLS(粉末材料选择性激光烧结)技术为例,由于使用了大功率激光器,除了本身的设备成本,还需要很多辅助保护工艺,不仅技术难度大,维护成本也非常高,中小企业望而却步,阻碍了现有传统生产方式的改造升级。
    最为重要的是目前3D打印整个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、金融、�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。
    尽管3D打印技术发展空间广阔,应用已十分广泛,但迅速发展繁荣表象的背后,仍然存在着核心器件、成形材料、工艺及软件等产业基础薄弱、关键核心技术有待突破、产业链缺乏统筹发展等一系列“成长的烦恼”,距离产业化仍有很长的路要走。
         专家视点
    卢秉恒(中国工程院院士、西安交通大学机械学院院长、教授):我国的3D打印技术进步很快,但仍然落后于欧美,而落后的原因并不是研发时间晚了几年。国内企业在研发上投入少、底子薄、资金少,制约了研发投入。此外,政府的支持力度还不够。国内3D打印技术虽然科研水平已位居世界前列,但在工艺装备、工程应用方面还有很大的发展空间。为此,我国3D打印技术需要制定技术发展路线图,规划基础研究、产业化、工程应用的发展路线,从而使其真正产业化。
    杨海成(中国航天科技集团总工程师):3D打印制造是一种典型的数字化制造技术。以3D打印制造技术为代表的数字化制造技术将对产品设计、制造工艺、制造装备及生产线、材料制备、相关工业标准、制造企业形态乃至整个传统制造体系产生全面、深刻的变革。
    王华明(北京航空航天大学材料加工工程及自动化系教授):增材制造技术最近很“热”,需要科学地、理性地对待。增材制造只是制造技术大家庭一个成员而已,实际上装备制造不可能依赖一种技术。制造技术体系完整,减材制造不是说传统制造,其实传统制造技术非常地多。增材制造与减材制造并不是对立的事情,增材制造产品需要后续少量的减材加工。增材制造不可能�覆或取代减材制造。
    罗军(中国3D打印技术产业联盟执行理事长):过去的几年是3D打印概念推广阶段,现在是3D打印应用阶段,更需要与传统产业深度结合。现在我们要做的是保持足够信心和耐心,脚踏实地开展工作。做技术研发的要从材料端入手,做应用服务的要从设计端入手,做产业发展的要从专业人才培训入手。比如,技术研发机构应扎扎实实从材料端入手,对材料和工艺深入研究,使国内打印机速度更快、精度更高、成本更低,有更多功能性材料面世。做应用服务的企业,要多做“3D打印+”,着实把3D打印的应用市场打开。如果一项好技术始终不能有效打开应用市场,这项技术的发展无疑将受到限制。
    史玉升(华中科技大学材料科学与工程学院副院长、教授):我们认为3D打印存在以下瓶颈问题。第一,粉末材料。材料已经成为增材制造的主要瓶颈问题,如何制备这样的材料有很多困难。第二,装备的精度和效率。第三,成本。现在装备一买几百万,上千万,成本太高了。第四,成形工艺。除了本身的增材制造成形工艺,也要考虑和传统的工艺相结合,结合后将发挥传统和增材制造的优点。表面质量、微观结构和宏观性能控制都是3D打印技术亟待解决的关键问题,特别是标准制定。
    孟光(上海航天局副局长):应该处理好五个关系。第一个,传统设计制造与3D打印制造的关系。第二个,大规模制造与个性化制造的关系。将来是多件大批量,还是停留在小层面精细化制造。第三个,政府和市场的关系。如果这个问题现在不考虑清楚,将来会产生很多问题。第四个,装备和产品,硬件和软件的关系。我觉得在关心3D打印制造装备的同时,应该关心满足3D打印需求的材料的制备装备,包括钛合金的粉末,均匀性、一致性各方面的要求。第五个,制造模式、商业模式与产业模式的关系。
    连宁(南京紫金立德电子公司总经理):3D打印技术在高层规划中,很重要的一点是要加强正确的宣传和引导。现在有些媒体的一些报道、宣传已经过头了,我们应该抱着科学合理冷静的观点来看待3D打印技术,要促进技术人员到研发人员,更多更好地了解、认识3D打印技术,让他们更快地接受3D打印技术,来促进他们思想观念的转变以至引起他们工作方式方法的改变。
    李冬茹(机械联合会副秘书长、研究员):从工业领域对3D打印或者增材制造有几个疑虑,第一个疑虑,通过这种工艺生产出来的东西,比如某一个零件,它跟传统制造的零件,特别是内在力学上有什么样的相同和不同,感觉拿出来的实验数据不足,不足以让产业界放心。第二个疑虑,成本控制问题。3D打印开发出的新产品在技术高速发展的今天,能保持多长时间的技术领先?在高投入的同时,能否获得高回报,这都值得疑虑。现在大家看到主要的研究还是以学校为主,怎么能在一两个行业,在工业领域有所突破,使它更快速地发展,这是很核心的问题。
    邵新宇(华中科技大学常务副校长、教授):3D打印所带来的是一种关键技术乃至于将来产业变化的核心是越来越明显的,或者潜力是无限的,因此,要高度重视。从国家战略规划层面来看,的确要重视这块,相关资源整合起来,比如相关的基金委在关注,科技部在关注,工信部也会谈到这块。要把相关的资源整合起来,尤其是政府层面。
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