我國3D打印產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展對策

       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(biāo)志之一，引發(fā)了世人對3D打印的關(guān)注。面對新的生產(chǎn)方式變革和發(fā)達國家大力推進的“再工業(yè)化戰(zhàn)略”，國家應(yīng)高度重視3D打印等新型數(shù)字化制造技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，加大人才培養(yǎng)、市場培育和應(yīng)用推廣的力度，努力在數(shù)字化革命和智能制造的“機會窗口”前取得發(fā)展主動權(quán)。
       一、3D打印的特點
       3D打�。�3D printing）是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項新興技術(shù)，被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”。3D打印機依托多個學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用，發(fā)展前景廣泛。運用該技術(shù)進行生產(chǎn)的主要流程是：應(yīng)用計算機軟件，設(shè)計出立體的加工樣式，然后通過特定的成型設(shè)備（俗稱“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”（Additive Manufacturing）的主要實現(xiàn)形式。“增材制造”的理念區(qū)別于傳統(tǒng)的“去除型”制造。傳統(tǒng)數(shù)控制造一般是在原材料基礎(chǔ)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，無需原胚和模具，就能直接根據(jù)計算機圖形數(shù)據(jù)，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化產(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。
       二、3D打印所需的關(guān)鍵技術(shù)
       3D打印需要依托多個學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù)，至少包括以下方面：
       1、信息技術(shù)
       要有先進的設(shè)計軟件及數(shù)字化工具，輔助設(shè)計人員制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，并且根據(jù)模型自動分析出打印的工序，自動控制打印器材的走向。
       2、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(shè)備的精準(zhǔn)程度、穩(wěn)定性有較高的要求。
       3、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(jié)合起來，并具有合格的物理、化學(xué)性質(zhì)。
       客觀而言，目前3D打印技術(shù)尚不成熟，在打印材料、產(chǎn)品精準(zhǔn)等方面還有很大距離。從成本角度看，也難以替代規(guī)模經(jīng)濟生產(chǎn)方式下的產(chǎn)品。作為一項多學(xué)科交叉的高新技術(shù)，還需要在各相關(guān)領(lǐng)域同時投入較大的研發(fā)力量，才能掌握完整的核心技術(shù)。
       三、3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域
       近年來，3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，在各個環(huán)節(jié)都取得了長足進步。通過與數(shù)控加工、鑄造、金屬冷噴涂、硅膠模等制造手段結(jié)合，該技術(shù)已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的有效手段，在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用，在工程和教學(xué)研究等應(yīng)用領(lǐng)域也占有獨特地位。具體應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個：
       1、工業(yè)制造
       產(chǎn)品概念設(shè)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打印的小型無人飛機、小型汽車等概念產(chǎn)品已問世。3D打印的家用器具模型，也被用于企業(yè)的宣傳、營銷活動中。
       2、文化創(chuàng)意和數(shù)碼娛樂
       形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊的藝術(shù)表達載體�？苹妙愲娪啊栋⒎策_》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(fù)雜形狀、尺寸微細、特殊性能的零部件、機構(gòu)的直接制造。
       4、生物醫(yī)療
       人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等。
       5、消費品
       珠寶、服飾、鞋類、玩具、創(chuàng)意DIY作品的設(shè)計和制造。
       6、建筑工程
       建筑模型風(fēng)動實驗和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模擬。
       7、教育
       模型驗證科學(xué)假設(shè)，用于不同學(xué)科實驗、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、個性化定制
       基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)下載、電子商務(wù)的個性化打印定制服務(wù)。
       從市場應(yīng)用份額看，汽車及零配件領(lǐng)域占據(jù)37%的市場，消費品領(lǐng)域占據(jù)18.2%，航空航天和國防軍工近14%，商業(yè)機器領(lǐng)域為11.2%，醫(yī)療領(lǐng)域有8.8%，科研占8.6%。
       四、我國當(dāng)前3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
       1、技術(shù)研發(fā)
       自20世紀(jì)90年代初以來，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校，在3D打印設(shè)備制造技術(shù)、3D打印材料技術(shù)、3D設(shè)計與成型軟件開發(fā)、3D打印工業(yè)應(yīng)用研究等方面，開展了積極的探索。
       我國已有部分技術(shù)處于世界先進水平。其中，激光直接加工金屬技術(shù)發(fā)展較快，已基本滿足特種零部件的機械性能要求，有望率先應(yīng)用于航天、航空裝備制造；生物細胞3D打印技術(shù)取得顯著進展，已可以制造立體的模擬生物組織，為我國生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尖端科學(xué)研究提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。
       2、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用
       目前，依托高校成果，對3D打印設(shè)備進行產(chǎn)業(yè)化運作的公司實體主要有：北京殷華（依托于清華大學(xué)）、陜西恒通智能機器（依托西安交通大學(xué)）、湖北濱湖機電（依托華中科技大學(xué)）。這些公司都已實現(xiàn)了一定程度的產(chǎn)業(yè)化，部分公司生產(chǎn)的便攜式桌面3D打印機的價格已具備國際競爭力，成功進入歐美市場。
       一些中小企業(yè)成為國外3D打印設(shè)備的代理商，經(jīng)銷全套打印設(shè)備、成型軟件和特種材料。還有一些中小企業(yè)購買了國內(nèi)外各類3D打印設(shè)備，專門為相關(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(shè)計中心、杭州先臨快速成型技術(shù)有限公司、無錫易維模型設(shè)計有限公司等企業(yè)，設(shè)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(nèi)外客戶提供服務(wù)，取得了良好的經(jīng)濟效益。
       在家用電器、汽車配件、通信技術(shù)、航天、軍工等領(lǐng)域， 3D打印技術(shù)被越來越多地應(yīng)用到產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)中。在醫(yī)療領(lǐng)域，國內(nèi)高水平的醫(yī)院使用3D打印技術(shù)，為患者提供定制的牙齒和骨骼替代物，以及具有仿生性能的體內(nèi)植入物。在教育領(lǐng)域，我國有較多高校購買了3D打印設(shè)備，開展多個學(xué)科的教學(xué)和研究工作。
       3D打印產(chǎn)業(yè)正成為投資熱點。不少原先從事數(shù)字化技術(shù)、材料技術(shù)、精密機械技術(shù)的企業(yè)紛紛考慮投資開發(fā)3D打印設(shè)備生產(chǎn)和服務(wù)。
       五、發(fā)展過程中存在的問題
       1、缺乏宏觀規(guī)劃和引導(dǎo)
       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(shù)字化平臺，下游涉及國防科工、航空航天、汽車摩配、家電電子、醫(yī)療衛(wèi)生、文化創(chuàng)意等行業(yè)，其發(fā)展將會深刻影響先進制造業(yè)、工業(yè)設(shè)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(zhuǎn)型升級、發(fā)展智能制造業(yè)的相關(guān)規(guī)劃中，一些產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)被分隔開來，對3D打印這一交叉學(xué)科的技術(shù)總體規(guī)劃與重視不夠。
       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(shè)備，但企業(yè)規(guī)模普遍較小，研發(fā)力量不足。在加工流程穩(wěn)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(jié)，存在較大缺陷，難以完全滿足產(chǎn)品制造的需求。
       而占據(jù)3D打印產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)地位的美國3D systems、stratasys等公司，每年都投入1000多萬美元研發(fā)新技術(shù)，研發(fā)投入占銷售收入的10%左右。兩家公司不僅研發(fā)設(shè)備、材料和軟件，而且以簽約開發(fā)、直接購買等方式，獲得大量來自企業(yè)外部的相關(guān)細分技術(shù)、專利，已掌握一批關(guān)鍵核心技術(shù)。
       3、產(chǎn)業(yè)鏈缺乏統(tǒng)籌發(fā)展
       3D打印行業(yè)的發(fā)展需要完善的供應(yīng)商和服務(wù)商體系、市場平臺。供應(yīng)商和服務(wù)商體系中，包含工業(yè)設(shè)計機構(gòu)、3D數(shù)字化技術(shù)提供商、3D打印機及耗材提供商、3D打印設(shè)備經(jīng)銷商、3D打印服務(wù)商。市場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(quán)保護等支持。而目前國內(nèi)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(dǎo)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、開發(fā)平臺尚未確立，技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用還處于無序狀態(tài)。
       4、缺乏教育培訓(xùn)和社會推廣
       目前，我國多數(shù)制造企業(yè)尚未接受“數(shù)字化設(shè)計”、“批量個性化生產(chǎn)”等先進制造理念，對3D打印這一新興技術(shù)的戰(zhàn)略意義認識不足。企業(yè)購置3D打印設(shè)備的數(shù)量非常有限，應(yīng)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(jié)，3D打印停留在部分學(xué)生的課外興趣研究層面。
       六、我國發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)的重要戰(zhàn)略意義
       當(dāng)前，全球正在興起新一輪數(shù)字化制造浪潮。發(fā)達國家面對近年來制造業(yè)競爭力的下降，大力倡導(dǎo)“再工業(yè)化、再制造化”戰(zhàn)略，提出智能機器人、人工智能、3D打印等實現(xiàn)數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)，并希望通過這三大數(shù)字化制造技術(shù)的突破，鞏固和提升制造業(yè)的主導(dǎo)權(quán)。雖然3D打印等數(shù)字化制造的核心技術(shù)仍處在發(fā)展的初步階段，產(chǎn)業(yè)還不成熟，但在產(chǎn)品設(shè)計、復(fù)雜和特殊產(chǎn)品生產(chǎn)、個性化服務(wù)等方面已顯示其獨特優(yōu)勢，應(yīng)充分認識智能制造、數(shù)字化制造對我國的深刻影響，加快3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動我國由“工業(yè)大國”向“工業(yè)強國”的轉(zhuǎn)變。
       1、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)品開發(fā)水平，提高工業(yè)設(shè)計能力
       傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)方法，往往是先開磨具，然后再做出樣品，而運用3D打印技術(shù)，無需開磨具，可以把制造時間降低為以前的1/10到1/5，費用降低到1/3以下。一些好的設(shè)計理念，無論其結(jié)構(gòu)和工藝多么復(fù)雜，均可利用3D打印技術(shù)，短時間內(nèi)制造出來，從而極大地促進了產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計，有效克服我國工業(yè)設(shè)計能力薄弱的問題。
       2、發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，可以生產(chǎn)出復(fù)雜、特殊、個性化產(chǎn)品，有助于攻克技術(shù)難關(guān)
       3D打印可以為基礎(chǔ)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)，零部件種類多、性能要求高，需要進行反復(fù)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(fù)雜的形狀，簡化裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計，化解技術(shù)難題，實現(xiàn)關(guān)鍵性能的趕超。
       在生命科學(xué)的研究和應(yīng)用中，3D打印以“細胞打印”、“仿生定制”等形式出現(xiàn)，把標(biāo)準(zhǔn)化、自動化的機械加工業(yè)生產(chǎn)方式，應(yīng)用到生物工程、生物制藥和臨床醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，取得了豐碩成果。以生物組織為原材料的制造業(yè)，可望成為高端制造業(yè)的重要組成部分。發(fā)展3D打印技術(shù)，將促進我國在生物能源開發(fā)利用、生物和化學(xué)藥劑試驗、人體組織和器官再造等領(lǐng)域取得技術(shù)進步。
       3、發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)，可以形成新的經(jīng)濟增長點，促進就業(yè)
       隨著3D打印的普及，“大批量的個性化定制”將成為重要的生產(chǎn)模式。3D打印與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的緊密結(jié)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)濟增長點。
       如自主創(chuàng)業(yè)者可以通過購置或者租賃低成本的3D打印設(shè)備（一些3D打印設(shè)備已低于1萬元），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、工藝裝飾品等各類中小產(chǎn)品，激發(fā)個性化需求，形成一個數(shù)百億甚至數(shù)千億元規(guī)模的文化創(chuàng)意制造產(chǎn)業(yè)，并增加社會就業(yè)。
       七、支持我國3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策建議
       1、制定數(shù)字化制造規(guī)劃，促進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(shè)計、先進制造、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(yīng)用3D打印，支持3D打印設(shè)備的進出口。
       2、加強產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、行業(yè)協(xié)會建設(shè)，推動3D產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。
       積極引導(dǎo)工業(yè)設(shè)計企業(yè)、3D數(shù)字化技術(shù)提供商、3D打印機及材料研發(fā)企業(yè)和機構(gòu)、3D打印服務(wù)應(yīng)用提供商組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，利用有關(guān)學(xué)會、協(xié)會的平臺加強研討和交流，共同推動3D打印技術(shù)研發(fā)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定。促進3D打印技術(shù)發(fā)展的市場平臺建設(shè)，包括3D打印電子商務(wù)平臺、3D打印數(shù)據(jù)安全和產(chǎn)權(quán)保護機制、3D打印及周邊項目投融資機制等，促進產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
       3、加大科技扶持力度，提升3D打印技術(shù)水平。
       設(shè)立專項基金，重點推進數(shù)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，特別對實施產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)在市場銷售、社會推廣上給予政策支持。
       4、加強教育培訓(xùn)，促進3D打印社會化推廣。
       將3D打印技術(shù)納入相關(guān)學(xué)科建設(shè)體系，培養(yǎng)3D打印技術(shù)人才。依靠行業(yè)協(xié)會、博覽會、論壇等組織形式進行3D打印技術(shù)和周邊應(yīng)用的培訓(xùn)。在科技館、文化藝術(shù)中心、青少年活動中心等公共機構(gòu)進行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(yīng)用，為發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)積累應(yīng)用經(jīng)驗。