3D打印為何會(huì)成為一股強(qiáng)大科技力量

20世紀(jì)80年代后期，3D打印機(jī)的橫空出世，開啟了增材制造新時(shí)代。近年來，借著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的東風(fēng)，3D打印步入快速發(fā)展期。世界各國紛紛將其作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的增長點(diǎn)加以培育，如2012年美國將“增材制造技術(shù)”確定為首個(gè)制造業(yè)創(chuàng)新中心（后更名為“美國制造”），歐盟、日本、韓國、新加坡、俄羅斯、南非、印度等國也通過各種措施推進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

我國的3D打印技術(shù)與世界先進(jìn)水平基本同步，但產(chǎn)業(yè)化仍處于起步階段。未來，3D打印將朝著速度更快、精度更高、性能更優(yōu)、質(zhì)量更可靠的方向發(fā)展，成為一股強(qiáng)大的科技力量。

趨勢一：桌面級(jí)市場已陷入“紅海” 掘金工業(yè)級(jí)正當(dāng)時(shí)

近幾年，桌面3D打印機(jī)“叫好又叫座”，銷量呈現(xiàn)大幅增長，而工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)則略顯慘淡。根據(jù)大數(shù)據(jù)公司CONTEXT的數(shù)據(jù)，2015年全球桌面3D打印機(jī)銷量增長了33％，工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)則下降了9％；2016年上半年全球桌面3D打印機(jī)同比增加15％，工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)卻減少15％。桌面3D打印機(jī)門檻低、設(shè)計(jì)簡單，是企業(yè)進(jìn)軍3D打印領(lǐng)域的較好入口。但經(jīng)過多年的發(fā)展，桌面級(jí)市場競爭已近“白熱化”，加之利潤小、精度低、實(shí)用性不佳，天花板效應(yīng)明顯。

而工業(yè)級(jí)市場契合了智能制造的理念，可廣泛運(yùn)用于汽車、航空航天、機(jī)械工業(yè)、醫(yī)療等市場需求大、發(fā)展?jié)摿Υ蟮念I(lǐng)域，隨著技術(shù)的逐漸成熟和成本的不斷降低，將會(huì)爆發(fā)出難以想象的巨大能量。

2015年底，全球3D打印巨頭3D Systems公司宣布停產(chǎn)消費(fèi)級(jí)桌面3D打印機(jī)，轉(zhuǎn)向更賺錢的專業(yè)級(jí)和工業(yè)級(jí)市場；2016年初，國內(nèi)3D打印技術(shù)大咖西通電子在珠海宣布全面進(jìn)軍工業(yè)級(jí)3D打印領(lǐng)域。

趨勢二：金屬3D打印領(lǐng)域快速發(fā)展 應(yīng)用端空間漸打開

金屬3D打印被稱為“3D打印王冠上的明珠”，是門檻最高、前景最好、最前沿的技術(shù)之一。同樣來自CONTEXT發(fā)布的數(shù)據(jù)，2015年全球金屬3D打印機(jī)銷量增長了35％，2016年上半年同比增長17％，可以說是工業(yè)級(jí)3D打印領(lǐng)域逆勢上漲的一朵“奇葩”。在汽車制造、航空航天等高精尖領(lǐng)域，有些零部件形狀復(fù)雜、價(jià)格昂貴，傳統(tǒng)鍛鑄工藝生產(chǎn)不出來或損耗較大，而金屬3D打印則能快速制造出滿足要求、重量較輕的產(chǎn)品。

2015年11月，奧迪公司使用金屬3D打印技術(shù)按照1：2的比例制造出了Auto Union（奧迪前身）在1936年推出的C版賽車的所有金屬部件；2016年9月，GE斥資14億美元收購了瑞典Arcam公司和德國SLM SoluTIons集團(tuán)兩大金屬3D打印巨頭，加快布局3D打印航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件業(yè)務(wù)。此外，醫(yī)療器械、核電、造船等領(lǐng)域?qū)饘?D打印的需求也十分旺盛，應(yīng)用端市場正逐漸打開。

趨勢三：3D打印產(chǎn)業(yè)化還需時(shí)日 “增”“減”制造長期共存

3D打印采用增材制造技術(shù)，是對(duì)以“減材制造”“等材制造”為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)制造業(yè)的創(chuàng)新與挑戰(zhàn)，但并不是非此即彼的關(guān)系，而是并存互補(bǔ)的關(guān)系。

從歷史看，傳統(tǒng)制造業(yè)經(jīng)過了幾千年的積累和發(fā)展，技術(shù)、工藝、材料等已經(jīng)非常成熟，而3D打印則是一個(gè)新生事物，只有30多年的發(fā)展歷程，在速度、精度、強(qiáng)度等方面還有諸多限制。

從現(xiàn)狀看，當(dāng)前3D打印市場份額十分有限，專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)Wohlers Associates發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2015年全球3D打印市場規(guī)模為51．65億美元，至2020年將達(dá)到212億美元，而這與數(shù)十萬億美元的制造業(yè)市場相比，還微乎其微。

相比傳統(tǒng)制造，3D打印研發(fā)周期更短、用料更省，在小批量、個(gè)性化定制等方面優(yōu)勢明顯，但在大規(guī)模生產(chǎn)方面存在著許多不足之處。增材制造雖然不能完全替代減材制造、等材制造，但作為傳統(tǒng)制造技術(shù)的有益補(bǔ)充，3D打印將極大地推動(dòng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

趨勢四：產(chǎn)品生產(chǎn)方式加速變革 “整”“分”制造攜手共進(jìn)

3D打印是“工業(yè)4．0”時(shí)代最具發(fā)展前景的先進(jìn)制造技術(shù)之一，它從兩個(gè)方面改變了產(chǎn)品的生產(chǎn)方式：一方面，傳統(tǒng)制造業(yè)以“全球采購、分工協(xié)作”為主要特征，產(chǎn)品的不同部件往往在不同的地方進(jìn)行生產(chǎn)，再運(yùn)到同一地方進(jìn)行組裝。而3D打印則是“整體制造、一次成型”，省去了物流環(huán)節(jié)，節(jié)約了時(shí)間和成本。

另一方面，傳統(tǒng)制造業(yè)以生產(chǎn)線為核心、以工廠為主要載體，生產(chǎn)設(shè)備高度集中。而3D打印則體現(xiàn)了以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的融合，生產(chǎn)設(shè)備分散在各地，實(shí)現(xiàn)了分布式制造，從而省去了倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)。

“整體制造”和“分布式制造”在字義上看似矛盾，在3D打印技術(shù)上則實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，前者強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)過程，后者強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)行為，共同推動(dòng)著產(chǎn)品生產(chǎn)方式的變革。

趨勢五：成型尺寸向兩邊延伸 “大”“小”產(chǎn)品顛覆想象

隨著3D打印應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，產(chǎn)品成型尺寸正走向兩個(gè)極端：一方面往“大”處跨，從小飾品、鞋子、家具到建筑，尺寸不斷被刷新，特別是汽車制造、航空航天等領(lǐng)域?qū)Υ蟪叽缇軜?gòu)件的需求較大，如2016年珠海航展上西安鉑力特公司展示的一款3D打印航空發(fā)動(dòng)機(jī)中空葉片，總高度達(dá)933毫米。

另一方面向“小”處走，可達(dá)到微米納米水平，在強(qiáng)度硬度不變的情況下，大大減輕產(chǎn)品的體積和重量，如哈佛大學(xué)和伊利諾伊大學(xué)的研究員3D打印出比沙粒還小的納米級(jí)鋰電池，其能夠提供的能量卻不少于一塊普通的手機(jī)電池。未來，3D打印的成型尺寸將不斷延伸，從大的不可思議到小的瞠目結(jié)舌，“只有想不到的，沒有做不到的”。

趨勢六：材料瓶頸待攻克 “質(zhì)”“量”趨升“價(jià)”趨降

“巧婦難為無米之炊”。3D打印材料是3D打印技術(shù)發(fā)展不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)前制約3D打印產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵因素。近年來，隨著3D打印需求的增加，3D打印材料種類得到了迅速拓展，主要包括高分子材料、金屬材料、無機(jī)非金屬材料等三大類。但與傳統(tǒng)材料相比，3D打印材料種類依然偏少。

以金屬3D打印為例，可用材料僅有不銹鋼、鈦合金、鋁合金等為數(shù)不多的幾種。另外，3D打印對(duì)材料的形態(tài)也有著嚴(yán)格的要求，一般為粉末狀、絲狀、液體狀等，相比普通材料價(jià)格比較昂貴，根本無法滿足個(gè)人與工業(yè)化生產(chǎn)的需要。足夠多“買得起”的材料才能為技術(shù)的發(fā)展提供足夠多的選擇空間、為應(yīng)用的擴(kuò)展提供足夠多的想象空間。

未來，3D打印材料將成為研究開發(fā)的焦點(diǎn)、資本涌入的風(fēng)口，材料種類、形態(tài)將得到進(jìn)一步拓展，價(jià)格下降可期，精度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、安全性也更加有保障。

趨勢七：“黑科技”闖進(jìn)醫(yī)療界 手術(shù)可“排練”、治療更精準(zhǔn)

3D打印的“個(gè)性化定制”與醫(yī)療行業(yè)的“對(duì)癥下藥”有著天然的契合性，二者的結(jié)合主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：一是術(shù)前演練，利用3D打印技術(shù)還原出病患部位模型，讓醫(yī)生更直觀地了解病理結(jié)構(gòu)，增加了手術(shù)的成功率；二是醫(yī)療器械，包括助聽器、護(hù)具、假肢等外部設(shè)備以及關(guān)節(jié)、軟骨、支架等內(nèi)植物；三是“量身”制藥，根據(jù)患者的生理特點(diǎn)、具體需要調(diào)配藥物，提高了藥物的有效性；四是生物打印，用人造血管、心臟、神經(jīng)、皮膚等來修復(fù)、替代和重建病損組織和器官。盡管3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用還面臨著材料、成本、精度、標(biāo)準(zhǔn)等制約，市場規(guī)模也較小，但考慮到醫(yī)療領(lǐng)域巨大的需求潛力與極小的需求彈性，3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用將不斷擴(kuò)展，在實(shí)施更為精準(zhǔn)的診療方案、提供更為充足的移植器官等方面大顯身手。

趨勢八：3D打印牽手云制造 有商業(yè)影響力的平臺(tái)不斷涌現(xiàn)

全球已經(jīng)進(jìn)入了高度的信息化時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)作為信息化的重要工具正在重新定義各行各業(yè)。3D打印設(shè)備尚未普及，技術(shù)使用也不“傻瓜”，沒有設(shè)備、沒有技術(shù)的普通人該怎樣實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)想法呢。

成立于2008年的Shapeways公司搭建了一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)的3D打印平臺(tái)，擔(dān)當(dāng)起服務(wù)供應(yīng)商和需求用戶之間的“紅娘”，解決了用戶的這個(gè)“痛點(diǎn)”。如今，MakeXYZ、3DLt、3DHubs、先臨三維、光韻達(dá)、魔猴網(wǎng)等也做著類似的事情，南京壹千零壹號(hào)自動(dòng)化科技公司的“1001號(hào)云制造平臺(tái)”還入選2016年中國“互聯(lián)網(wǎng)＋”在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域十大新銳案例之首。

“互聯(lián)網(wǎng)＋3D打印”開拓了一種全新的商業(yè)模式——“云打印”，并將共享經(jīng)濟(jì)的思維引進(jìn)來，閑置的3D打印機(jī)得到了有效使用，客戶也能選擇稱心如意的設(shè)備和供應(yīng)商。

趨勢九：混合打印創(chuàng)造更多可能 功能材質(zhì)色彩也“混搭”

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)3D打印機(jī)的期望越來越高，早已不滿足于單一功能、單一材質(zhì)、單一色彩等。未來，3D打印機(jī)可實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床技術(shù)（或不同3D打印技術(shù)）的自由切換，實(shí)用性將變得更強(qiáng)；3D打印機(jī)的“口糧”更加豐富，金屬、塑料、橡膠等多種材料（或不同屬性的材料）的混合使用，將加工出結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的產(chǎn)品；打印出的產(chǎn)品也會(huì)五彩繽紛。

如日本研發(fā)出的一款五軸混合3D打印機(jī)（由3D打印機(jī)與數(shù)控銑床混合而成），能夠在現(xiàn)有工業(yè)級(jí)5軸控制技術(shù)的基礎(chǔ)上連續(xù)進(jìn)行擠出式3D打印和銑削作業(yè)；MIT研發(fā)的MulTIFab 3D打印機(jī)能同時(shí)處理包括晶狀體、紡織物、光纖等10種材料；加拿大的ORD SoluTIons公司推出的一款3D打印機(jī)，可以使用五種不同顏色的線材打印出多彩作品。

趨勢十：我國3D打印起步早發(fā)展慢 產(chǎn)學(xué)研協(xié)同是突破口

在3D Systems、Stratasys、先臨三維等行業(yè)巨頭紛紛跑馬圈地之時(shí)，哈佛大學(xué)Wyss研究所、加利福尼亞大學(xué)勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室（LLNL）、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Adam W．Feinberg研究團(tuán)隊(duì)等科研機(jī)構(gòu)憑借其雄厚的研發(fā)實(shí)力也不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

我國3D打印的研究起步于20世紀(jì)90年代，發(fā)端于高校，如今已形成清華大學(xué)顏永年團(tuán)隊(duì)、北京航空航天大學(xué)王華明團(tuán)隊(duì)、西安交通大學(xué)盧秉恒團(tuán)隊(duì)、華中科技大學(xué)史玉升研究團(tuán)隊(duì)和西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)等骨干科研力量，論文和申請(qǐng)專利的數(shù)量處于世界第二位。

2016年10月又成立了中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，國家增材制造創(chuàng)新中心建設(shè)方案也通過了專家論證。隨著我國科技體制機(jī)制改革的不斷推進(jìn)，走產(chǎn)學(xué)研協(xié)同之路，形成長效合作機(jī)制，成為我國推進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)實(shí)選擇。