进入21世纪以来,3D(三维)打印(three dimensional printing,简称3DP)技术、增材制造(additive manufacturing,简称AM)技术、快速成形制造技术(rapid prototyping and manufacturing,简称RPM)等新的制造技术正在快速发展。国外的一些研究机构和舆论界兴奋地预测,以3D打印技术为代表的新技术将会逐渐占据制造领域的主导地位^[1]。国内的一些报纸宣称数字化增材制造技术将带来“第三次工业革命”,3D打印将撼动全球制造业^[2]。3D打印技术为何如此受到褒扬,未来的制造业果真将被3D打印技术一统天下么?

3D打印技术之所以被认为具有“革命性”,在于它的“技术原理”与传统加工制造原理有着根本的不同。

(1) 3D打印技术的起源

19世纪末美国有人研究出了地貌成形技术,形成了利用“层叠成形”的方法去制作地形图的构想,这是3D打印技术设想的来源之一。真正的3D打印技术,学界一般认为开端于20世纪80年代的美国和日本^[3]。1977年,美国的Swainson提出了可以通过激光选择性照射光敏聚合物的方法来直接制造立体模型产品。1979年,日本的中川威雄利用“层叠成形”的薄膜技术方法加工出实用的工具模具。1981年,美国的Hideo Kodama首次提出了一套功能感光聚合物快速成形系统的设计方案。1986年,3D Systems公司成立,开发出里程碑式的STL文件,并于1988年成功研制出世界首台商用3D打印机SLA-250。Scott Crump也于1988年发明了另一种3D打印技术FDM,并创建了Stratasys公司,于1992年研制出第一台FDM技术的3D打印机。

(2) 与传统加工制造技术相比的“革命性”

传统加工制造技术工艺主要是利用力学、热学、压强等原理来实行加工制造。一般将产品的技术加工过程分为冷去除加工和热变形加工两大类,通常是利用切割、磨削、腐蚀、熔融等方法,去除多余部分,得到零部件形状,再以拼装、组合、焊接等方法加工制造成最终产品^[4]。

以3D打印技术、快速成形制造技术(RPM)为代表的“增材制造技术”,是20世纪80年代发展起来的“集成型”高技术,依赖于计算机技术、数控技术、激光技术、CAD/CAM 技术、新材料技术等高技术群。3D打印技术的基本原理与传统的加工制造原理有本质的不同。其革命性显示在基于离散、堆积原理采用不同方法堆积材料,通过计算机控制来实现产品的成形制造。3D打印技术制造产品采用的是“增材法”,即用材料逐层或逐点堆积出产品的形态,其基本原理却都是“分层制造,逐层叠加”,可以类比于数学上的“积分”过程,也可以说是微积分原理在制造技术上的体现。

3D打印技术这种“自下而上”的“累加堆积”成形原理,即将一个空间实体分层离散加工,再堆积成形得到所需产品(离散-堆积-成形)。基本方法程序是:首先利用计算机建立实体的三维CAD模型,再将CAD模型进行分层离散化,即将实体沿z方向分层切片,得到各层截面轮廓的几何信息。然后转换为控制成型机工作的NC代码,将成形材料按截面轮廓进行分层加工再叠加起来,即得到所需产品的实体形态。

(3) 3D打印技术制造产品的优势

与传统的的去除成形法、受迫成形法加工制造零件相比,3D打印技术工艺过程不对材料进行切割加工,因而也就不会产生工艺废料。传统制造工艺的加工周期一般都比较长,受限于刀具、模具形状,不能制造出复杂曲面的、异形深孔的特殊零件;而3D打印技术等“增材制造技术”弥补了上述制造技术的缺点,显示出“绿色技术”的优越特性。

采用3D打印技术,在产品建模设计阶段就可以看到将来欲成型的产品外观形状,因而可以超前、灵活地调整并测试,能够快速、低成本、高品质地推出产品。与传统的制造技术相比,3D打印技术工艺减少了多道加工工序,在一台设备上可快速而连续地“打印”制造出任意复杂形状的产品,从而实现“自由制造”,解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形问题,并大大减少了加工工序环节,缩短了加工周期,而且越是复杂结构的产品,其制造的效率相对地就越发显著。

① 熔融层积成型技术(FDM)。通过加热将塑料类材料(ABS、PC类塑料)软化,用喷头将其挤出,迅速固化,逐层堆积成形产品。使用此类技术的代表性企业是Stratasys公司。

② 光固化成型技术(SLA)。采用激光扫描液体的光敏树脂,将其固化,然后逐层堆积成形产品。使用材料一般为液态光敏树脂,代表性企业是3D Systems公司。

③ 选择性激光烧结技术(SLS)。在激光照射下,使粉末状材料烧结。在计算机控制下按照界面轮廓信息,进行有选择地烧结,堆积成形产品零件。使用材料可以是金属粉末、陶瓷粉末、热塑塑料等;代表性企业是3D Systems公司、EOS公司等。

④ 直接金属粉末激光烧结技术(DMLS)。在基材表面添加熔覆材料,利用高能激光使之与基材表面层一起熔凝,形成添料熔覆层。此项技术以合金金属为材料,代表性企业为EOS公司、MT公司等。

⑤ 激光叠层制造技术(LOM)。将热熔胶涂到材料表面,然后热压片材,使其粘结;然后用激光器切割零件截面轮廓。纸张、塑料薄膜、铝箔等可作为材料,代表性企业有Helisys公司、Kinergy公司等。

⑥ 电子束熔融技术(EBM)。在高温下逐层融化金属粉末,快速成型金属零件。一般以钛合金为材料,代表性企业为Arcam AB公司。

⑦ 3DP技术。逐层喷涂成型材料,直至所需模型完成。一般以彩色石膏为材料,代表性企业为3D Systems公司。

支持上述主流的3D打印技术的程序语言,有低级的STL和高级的AMF等。3D软件是图像前期设计成型建模,有AutoCAD和Solidworks等。

国外3D打印技术发端于20世纪80年代,我国自20世纪90年代以来也有多所高校和科研机构开展了“增材制造技术”领域的自主研发。如清华大学、西安交通大学、中国科技大学、华中科技大学、中国科学院金属研究所和沈阳自动化研究所等科研机构,在分层实体制造、FDM工艺、成型材料、光固化成型系统、微制造、金属粉末激光增量制造系统等方面,取得了与国外基本保持同步、国内领先的科技成果。以这些科研院所为技术依托,分别成立的企业有北京太尔时代公司、武汉滨湖机电技术有限公司、南京紫金立德公司、新松机器人公司等。国内代表性3D打印技术公司的产品技术特点见表 1。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 国内代表性3D打印技术公司的产品技术特点 代表企业 合作科研院所 技术产品类型 技术产品优势 行业地位 北京太尔时代(2003年成立) 清华大学 UP Inspire系列、Print3D系列 精度高,速度快,材料性能高,使用方便,运行成本低等优点 整机市场销售额高、占有率高,龙头企业 武汉滨湖机电(1996年成立) 华中科技大学 HRPS(基于粉末烧结)、HRPM(基于粉末熔化)、HRPL(基于光固化)、HZK(真空注型) 产品种类齐全,加工尺寸大 创办早,技术领先,远销国外 北京隆源 北京航空航天大学 Laser、AFS 精密加工 技术领先 新松机器人(2000年成立) 中科院沈阳自动化所 激光快速成型设备 高端制造 技术领先 陕西恒通智能机器(1997年成立) 西安交通大学 SPS、3D printer 速度快、精度高、耗能小 行业技术领先 南京紫金立德(2008年成立) 中外合作(以色列) SD300Pro系列 整机生产能力强,掌握LOM薄片材料叠加工艺 技术先进,产品应用领域广 湖南华曙高科(2009年成立) 中外合作(美国) SLS-RM 轻质无人飞机一体化制造技术 技术领先,细分市场占有率高

表1 国内代表性3D打印技术公司的产品技术特点

世界3D打印技术市场发展很快。《2015沃勒斯报告》总结了增材制造(3D打印)技术及应用在过去一年的发展,在结合现有增材制造流程、材料、制造商、打印系统的基础上,分析评估了这一行业的发展现状、机遇及挑战。报告指出在2014年,增材制造市场(包括全球整体增材制造产品和服务)的收入为41.03亿美元,年复合增长率为35.2%。2013年的市场收入是30.33亿美元,年复合增长率为33.4%。

《2014沃勒斯报告》中公布的3D打印机保有量方面,2013年中国的数量比率(8.8%)落后于美国(30%)、日本(9.4%)、德国(9.1%),但领先于英国(4.3%)、法国(3.3%)。近年来,中国的3D打印产业也步入高速增长阶段,根据中国3D打印技术产业联盟公布的数据,2013年中国国内3D打印产值为20亿元,预计2016年将会达到100亿元左右,见图 1。

图 1(Figure 1)

图1 2010—2015年中国3D打印产业产值

美欧的3D打印技术产业发展较早,已经形成了相对比较完整的产业链条。从上游的3D打印设备、3D打印程序设计专用软件、3D打印材料,到下游的3D打印技术应用、3D打印技术服务等,保持了有效的链接和循环促动。美国的相关辅助产业十分发达,主要的3D打印公司都是一体化的3D打印解决方案的提供商。美国形成了几家大的3D打印技术公司,如3D Systems公司和Stratasys公司,能提供3D打印设备、配套的程序设计专用软件和专用的3D打印材料。还出现了专门的3D打印技术服务运营的模式,如Shapeways公司。该公司是做3D打印产品服务的互联网企业,运营着一个网络平台,有效整合了专业设计师、业余设计人员、消费者、3D打印技术和平台商的关系,形成了一个3D服务的生态系统。

中国3D打印技术产业化方面,从总体来看,在装备与核心元件、材料、软件、产业整合、服务模式等方面,与美国有很大差距^[5]。中国的3D打印技术产业链条不够完备,虽然在3D打印技术设备开发研制上紧跟国际步伐,但相关辅助产业十分薄弱,3D打印程序设计专用软件和3D打印材料对进口依赖严重,缺乏3D打印技术服务运营公司。中国的3D打印技术企业规模还不够大,年销售额最大的北京太尔时代公司也没有达到1亿美元的销售规模。

中国的3D打印技术专利到产业应用的渠道环节不顺畅。中国的3D打印技术开发活动和专利多在科研院所等机构,而企业的开发研究能力比较弱,拥有的专利很少。刘红光等对中国和美国的3D打印技术专利拥有部门进行了统计对比,美国的3D打印技术专利拥有数量前五位的部门都是企业公司,而中国的前五位都是大学^[6]。技术产业化的主体是企业,企业缺乏专利,大学专利过多,往往造成从专利技术到产业应用不够通畅或周期过长。

2012年10月16日,“中国 3D打印技术产业联盟”成立,以协调推进3D打印技术产业发展。

2015年2月28日,《国家增材制造产业发展推进计划(2015—2016年)》公布(由工信部、发改委和财政部联合制定)。该计划提出到2016年,初步建立比较完善的增材制造产业体系,整体技术水平保持与国际同步。力争在产业化程度、技术水平、行业应用、研发支撑等四个方面取得重大进展。争取实现30%的年均增长速度;形成具有较强国际竞争力的3D打印技术企业2~3家;部分3D打印技术工艺装备达到国际先进水平,研发一批自主装备、核心器件及成形材料;在全国建设一批3D打印技术应用示范中心或基地;建立支持政策,成立3D打印技术行业协会,建立5~6家3D打印技术协同创新中心,形成较为完善的3D打印技术行业标准体系等。

这也是国外3D打印技术面临的共同难题,国内表现得更加突出。目前,3D打印技术在工艺稳定性、加工精度、重复加工的效果一致性方面,与传统加工制造技术相比还有一定差距。3D打印技术在支撑工艺、激光扫描算法程序、复杂数据处理、RPM软件标准化和二次开发等方面,也存在许多不足。由于受到3D打印技术设备自身的体积限制,加工产品的尺寸大小也受到很大局限。许多3D打印技术设备对加工材料的质量特性要求过高,限制了其应用的领域范围。

目前3D打印技术使用的材料达到300余种,但相对于广泛的应用领域仍显十分不足。 3D打印使用的材料主要有三大类 :金属材料(如钛合金、铜铝合金、镍铬合金等);高分子材料(如ABS、PLA、PC、PVC、尼龙粉、石膏粉、光敏树脂等);无机非金属材料(如陶瓷、硅粉等)^[7]。

中国在3D打印材料的研发和生产方面处于劣势。目前国内专门从事3D打印材料专业化生产的企业不多,主要依赖于进口。3D打印材料的专用性非常强,不同类型的3D打印技术设备对材料的密度、颗粒分布、氧含量要求等等都不相同,常常是与特定公司的特定型号3D打印设备捆绑销售。国内使用的多数3D打印材料就是由3D打印设备制造公司直接提供,还没有采取和实现第三方供应模式。有些3D打印材料国内还没有生产,或是生产的材料精度和强度都较低,难以满足实际应用需要,只能依靠进口。进口依赖导致成型材料领域利润非常高,多数关键材料都被美国公司所垄断。

制约中国3D打印技术产业化的重要因素之一是应用成本居高不下。尽管3D打印技术应用减少了切削、模具、成型、组装等方面的制造成本,却增加软件、设计、材料、服务等环节的成本,其中材料成本的影响作用较大。由于中国3D打印技术企业生产规模不大,3D打印技术设备售价很高,每台在4000~20000美元不等,限制了中小企业和私人用市场的扩展。3D打印技术设备往往需要特殊的能源动力如激光,而激光系统(包括激光器、冷却器、电源和外光路)的价格及维护费用昂贵,致使成型件的成本较高,相对于传统加工制造相同的零件产品,耗电量多出10余倍。

3D打印技术应用特征之一是满足个性化生产需求,材料的专用性较强,规模化生产材料的难度大。虽然3D打印设备价格在2万~10万元,而材料的价格却从每千克几百元到4万元不等。少数的大企业如军工、航天、医疗、科研等方面的应用,可以消化材料的高成本,其他的大多数用户却很难承受3D打印应用成本代价。

每一项突破性的新技术的产业化过程,都会遇到市场的各种阻力,其中重要的潜在应用者的观望和等待是关键性因素。美国学者Geoffrey A. Moore (1990)根据潜在客户对新技术应用的风险的态度,选择不同的时间周期阶段采用新技术,将技术采用过程的各个时期阶段的进入者,划分为创新者、有远见者、实用主义者、保守主义者及落后者五个阶段类型。通过对五类各个阶段的采用者进行了分析研究,Moore发现技术采用过程轨迹并不是平滑连续的,有远见者和实用主义者之间的差异最大,他将这种从有远见者向实用主义者过渡的“间距现象”定义为“峡谷”,也称做技术采用峡谷或市场峡谷(见图 2)^[8,9]。市场峡谷表示新技术还没有被关键的用户采用,技术产业化还处于初期阶段的关键时期。

图 2(Figure 2)

图2 技术采用的进入阶段周期和“市场峡谷”

高群和郑家霖对国内的3D打印技术采用情况进行了实证研究。他们根据2014年中国制造业企业500强中的前200家企业的公开资料,对其采用3D打印技术的情况进行了调查统计,得出采用企业用户为34家,占调查总数的17%。进而得出我国3D打印技术的产业化,处于技术采用生命周期的“峡谷”阶段^[10]。

我国目前阶段采用了3D打印技术的公司、部门或个人,属于有创新精神和远见信念的使用者,他们喜欢3D打印技术带来的挑战和坚信3D打印技术的“前景”。但“有远见的”技术采用者在市场中所占的比例还很小,3D打印技术产业化还需要稳健的、理智的、注重实际利润的“实用主义者”,他们决定和标志着3D打印新技术的市场应用的成熟性。只有越过了市场“峡谷”,3D打印技术产业化才能初步成形。

尽管3D打印技术具有“革命性”和“绿色优越性”,但不能过于乐观地高估其产业功能地位,它并不能完全替代传统制造技术。传统制造技术与3D打印技术各具优势,这二者是一种对立统一的互补关系。3D打印技术在批量化、高精度、低成本、大尺寸生产产品等方面有局限,更为关键的是3D打印技术的材料还只能依靠传统制造技术来生产。目前,各种3D打印技术设备仍然依靠传统制造技术来制造,即3D打印技术设备还不能完全通过3D打印技术来制造。

3D打印技术与产业,同传统制造技术与产业之间的关系,应该是相辅相成的互补关系。目前阶段,3D打印技术产业的定位和目标,应该是发挥优势长处,并与传统制造业进行对接、集成、互补、协调发展。我国的3D打印产业政策和顶层设计,不能孤立地仅仅针对3D打印技术与产业,而要抓住3D打印技术产业同传统制造技术产业之间的关联处、交接处、互补处,促进3D打印技术产业同传统制造技术产业协调发展,才能使相对处于弱势的3D打印技术产业,借助传统制造技术产业的市场优势而逐步壮大。在与其他先进制造技术的结合方面(如纳米技术、超精密加工技术、逆向工程等),3D打印技术具有协同融合的必要性和广泛的前景空间。

3D打印技术的上游开发研制仍然是关键性的前提,合理有效的技术开发应用模式,是加快3D打印技术产业化的条件和措施。3D打印技术产业化的主体是还是企业公司,建立以企业为基础的“产学研用”协同创新中心,是推进和加快3D打印技术产业化的不可缺少的步骤和环节。

3D打印技术的最终应用者还是企业和个人用户。然而我国目前在3D打印技术领域研究领先的单位却是一些高校和研究所,企业在这些领域的投入和成果都不多。因此,政府各部门应加强对3D打印技术的“产学研用”协同创新的支持,在市场销售、推广应用上给予政策税收方面的优惠,是加快3D打印技术走向实际应用转化成生产力的有力措施。

目前的3D打印材料往往是专门为特定的3D打印技术设备服务的,而且生产3D打印材料的企业仍然是传统制造企业。我国解决3D打印材料困境,必须采取3D打印技术产业上下游通力合作研制生产的模式,包括产学研协同创新。

3D打印材料对精细度、专用性、标准性和可靠性等要求比较高,只有通过加强上游的材料、中游的3D打印机设备,以及下游的产品等各个环节的密切交流沟通合作,才能促进3D打印材料的高级化,推动规模化生产从而降低材料成本。

促进3D打印材料发展的产业政策,要鼓励支持材料生产企业与科研机构、3D打印技术设备制造商及使用者等的通力合作,协同解决3D打印材料的多品种、高质量、低成本和通用性难题。

3D打印技术作为一项“革命性”的新技术,其产业化成功的主要标志就是越过了“市场峡谷”。3D打印技术作为战略性的新兴技术,越过市场峡谷不仅仅是一个“市场问题”,而且是一个综合的战略性产业发展问题,包括技术研发、产品市场、商业模式、后续服务、人才培育、政策配套等。只有稳健的、占有市场规模较大的传统制造企业和个人应用者,即“实用主义者”们纷纷采用3D打印技术,市场应用才能初具规模,3D打印技术产业化才能初步完成。本文提出以下的对策推进我国3D打印技术突破“市场峡谷”。

(1) 建立应用示范基地,增强用户对3D打印技术的信心

3D打印技术是一个新兴的、全新的技术-产业领域,其优点和缺点都十分明显,潜在的可能用户大多数保持观望是正常的状态。增强潜在的用户(企业机构用户和个人用户)对3D打印技术和产品的信心,是吸引“实用主义者”们采用3D打印技术的一个前提条件。各级政府和行业部门建立一些3D打印技术应用示范基地和产品体验中心,可以增加潜在的用户对3D打印技术的了解,预期和相信3D打印技术的市场前景,逐步增强采用3D打印技术的信心。

(2) 技术产品设计针对实用主义者的要求

潜在的用户中的“实用主义者”是3D打印技术市场拓展的关键。“实用主义者”的特点是富于理智、规避风险、注重成本、要求技术可靠、讲究利益实效,他们比较关注技术工艺的稳定性、产品功能的整体性、行业基础的牢固性、投资回报的确定性。这就要求3D打印技术研发与产品设计,要深入地了解“实用主义者”的特点,要针对“实用主义者”的需求偏好和决策风格,与“实用主义者”中的主流代表深入沟通合作,来进一步争取“实用主义者”接受和采用3D打印技术。千方百计降低成本,是吸引“实用主义者”采用3D打印技术的重要因素。

(3) 推进商业运营模式创新

3D打印技术制造产品的方式和过程与传统制造行业有很大的不同,个性化设计模式、整体化解决方案、分散化制造方式、小批量生产、订单决定产量、持续化的售后服务等特点,决定了3D打印技术行业的商业运营模式应该与传统制造行业有很大不同,不能完全照搬模仿传统制造行业的商业运营模式,而必须采取符合3D打印技术制造产品的方式和过程的独特的商业运营模式。

3D打印技术的商业运营模式,应该以客户需求为中心而展开,建立经常交流沟通、实时跟踪反馈、快速建模设计、反复交换意见、及时提供服务的运营模式。同时必须充分运用“互联网+”的平台模式,引入“创客空间”来提高创新的效率,降低创新的成本,推动3D打印技术制造产品的方式的迅捷化、柔性化、大众化。3D打印技术是典型的数字化制造技术,特别适合于远程异地设计制造。开展面向应用对象的网络化服务模式,是推动3D打印技术发展的一项重要任务。

(4) 培育3D打印技术人才

一个新兴技术的崛起和产业化,必然需要大量的专门人才。3D打印技术一旦成为成熟的标准化产业技术,必将需要大批的专业人才来开发设计产品、向各个行业推广应用、维修服务等。高等院校前瞻地将3D打印技术等“增材制造技术”纳入相关学科建设体系,培养3D打印技术、“增材制造技术”的专业人才;鼓励民营机构培训面向各个行业应用领域的专门3D打印技术人才。这些人才培养举措是3D打印技术拓展市场应用、吸引支持“实用主义者”、实现市场峡谷跨越、完成产业化推广应用的不可缺少的条件。

(5) 政府建立行业基金吸引企业投资跟进

新兴技术在没有跨越“市场峡谷”之前,潜在的用户特别是“实用主义者”的投资热情不高。目前我国的3D打印技术产业投资不足,尤其是3D打印技术研发的投入规模与美欧相比有很大差距,我国有必要设立专项基金来推进3D打印技术核心关键技术研发。国家发改委、科技部、财政部、教育部、中科院及各省份,应设立专项基金重点支持3D打印技术设备的核心关键技术和支撑技术的开发,扶持关键原材料的技术开发和工艺改进,增加新的原材料品种,降低原材料成本。对于3D打印技术的重大研究项目,实行全国招标和联合研发。

在新技术应用初期,进行技术开发和产业化总是伴随许多困难和创新风险。因此,为鼓励技术创新和产业化推广,必须制定相应的政策和规划来化解困难并降低创新风险。政府部门应设立专项基金来推进3D打印技术核心关键技术研发,同时制定优惠政策吸引企业投资的跟进,扩大3D打印技术产业的投资规模。只有3D打印技术产业的前景呈现出乐观态势时候,观望的“实用主义者”(公司)才能加入投资的行列,为越过3D打印技术“市场峡谷”完成初步产业化做出关键的一步选择。