3D打印产业发展状况及建议

3D打印产业发展状况及建议
                                      
一、3D打印概况
  3D打印机依托多个学科领域的尖端技术于一体，在航空航天、汽车机电、家电、生物医学等领域得到了一定应用，主要作用于产品全价值链前端，发展前景非常广泛。 （1）什么是3D打印
3D打印（3D printing）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，然后通过特定的快速成型设备（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打印是“增材制造”（Additive Manufacturing）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”与之截然不同，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，不仅提高效率还可以降低成本。


（2）3D打印所需的关键技术
  3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术，至少包括以下方面：
① 信息技术：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，并且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。
② 精密机械：3D打印以“每层的叠加”为加工方式。要生产高精度的产品，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求。
③ 材料科学：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。
④ 核心零部件：例如工业级SLA所使用的激光发射器和振镜这种超高精度零部件，在运行稳定性和精度方面都有非常高的要求。


（3）3D打印的应用领域   具体应用领域包括：
  1．工业制造：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打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D打印的家用器具模型，也被用于企业的宣传、营销活动中。
  2．文化创意和数码娱乐：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打印塑造了部分角色和道具，3D打印的小提琴接近了手工艺的水平。
  3．航空航天、国防军工：复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、机构的直接制造。
  4．生物医疗：人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等。
  5．消费品：珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造。
  6．建筑工程：建筑模型风动试验和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模拟。
  7．教育：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。
  8．个性化定制：基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。


二、国内3D打印产业发展现状及问题
3D打印机虽然发展迅速，但仍面临缺乏市场导向和宏观规划、研发投入不足、产业链缺乏统筹发展、缺乏教育培训和市场化、社会化推广等一系列问题。
（1）发展现状   
1．技术研发
  我国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，已经率先应用于航天、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。   
2．产业应用
  目前，依托高校成果，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）等。这些公司都已实现了一定程度的产业化，部分公司生产的便携式桌面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。
（2）存在的问题
  1．缺乏宏观规划和市场引导
  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打印这一交叉学科的技术总体规划与重视程度不够。
  2．企业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具体环节，存在较大缺陷，难以完全满足产品制造的需求。

  目前，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打印相关的必修环节，3D打印停留在部分学生的课外兴趣研究层面。

三、我国发展3D打印产业的重要战略意义
  发展3D打印产业，可以在提升我国工业领域的产品开发水平的同时有助于攻克技术难关，并且易形成新的经济增长点，促进就业。        当前，全球正在兴起新一轮数字化制造浪潮。发达国家面对近年来制造业竞争力的下降，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，加快3D打印产业发展，推动我国由“工业大国”向“工业强国”的转变。

（1）发展3D打印产业，可以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，往往是先开模具，然后再做出样品，而运用3D打印技术，无需开模具，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，均可利用3D打印技术，短时间内制造出来，从而极大地促进了产品的创新设计，有效克服我国工业设计能力薄弱的问题。

（2）发展3D打印产业，可以生产出复杂、特殊、个性化产品，有助于攻克技术难关
  3D打印可以为基础科学技术的研究提供重要的技术支持。在航天、航空、大型武器等装备制造业，零部件种类多、性能要求高，需要进行反复测试。运用3D打印，除了在研制速度上具有优势外，还可以直接加工出特殊、复杂的形状，简化装备的结构设计，化解技术难题，实现关键性能的赶超。

（3）发展3D打印产业，可以形成新的经济增长点，促进就业   
随着3D打印的普及，“大批量的个性化定制”将成为重要的生产模式。3D打印与现代服务业的紧密结合，将衍生出新的细分产业、新的商业模式，创造出新的经济增长点。

如自主创业者可以通过购置或者租赁低成本的3D打印设备（一些3D打印设备已低于1万元人民币），利用电子商务等平台提供服务，为大量消费者定制生活用品、文体器具、工艺装饰品等各类中小产品，激发个性化需求，形成一个数百亿甚至数千亿元规模的文化创意制造产业，并增加社会就业。

四、针对我国3D打印产业发展的建议

  采取财税金融政策上积极支持、积极引导建立行业协会，鼓励研发，加强教育培训等措施，进一步促进3D打印社会化推广。   
（1）制定数字化智造规划，促进3D产业优先发展
  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，支持3D打印设备的进出口。   
（2）加强产业联盟、行业协会建设，推动3D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平台建设，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打印及周边项目投融资机制等，促进产业可持续发展。
（3）加大科技扶持力度，提升3D打印技术水平
  设立专项基金，重点推进数字化技术、软件控制、打印装置、材料技术、核心部件等关键技术的研发。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、社会推广上给予政策支持。
  （4）加强教育培训，促进3D打印社会化推广
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打印技术和周边应用的培训。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打印服务中心，推广3D打印技术应用，为发展3D打印产业积累应用经验。
（5）加速研发低成本的FDM桌面打印机，迅速占领市场 桌面级3D打印机在精细度、尺寸、材料种类等方面弱于工业级打印机，强调低价格和便捷易用性，目标市场包括家庭、学校及部分办公场所，用户主要为乐于DIY的“创客”、以及教育、工业设计、艺术品设计、建筑设计或创意设计行业的从业者或爱好者等。

3D打印机最令人激动的部分，在于能够将各种复杂创意非常容易地变成可触摸的现实，这极大地提升设计者的满足感，并激发出更多灵感。因而几千美元价格的3D打印机甫一问世，就受到了爱好者们的追捧。

近五年，个人3D打印机销量经历了从无到有的飞速发展，2012年以46%的增速增长到35508台销量，销售额约4000万美元。

FDM（熔融沉积成型）是Stratasys公司的专利，属于材料挤出类设备，由于结构简单、打印过程干净、易于降低成本，FDM是目前桌面级打印机的首选技术。2008年前后，FDM核心专利过期后，个人3D打印机降价和普及的机遇出现。由于进入门槛不高，桌面级设备的竞争非常激烈，估计已有数百家企业参与进来。价格也不断向下突破。初步统计，国内生产3D个人打印机的企业不少于20家，部分产品低至3000元人民币。

所以，针对国内大部分普通市场客户的接受能力和市场的需求，综合FDM桌面打印机行业应用范围、机器价格和材料成本等因素，该设备是绝佳的适应本国国情3D打印市场发展方向的设备。在国家可能的政策鼓励扶持下，院企应加速该工艺打印设备的核心技术发展和国际市场化的占领速度。
               
快速制造国家工程研究中心秦皇岛示范中心 李敬龙                 
2014年6月2日