从全球来看,目前3D打印在技术提升和材料开发方面,已不断取得新的突破。到2015年末,国内3D打印技术市场规模可达近百亿元,但目前国内的产业整合度仍然不高,在自主技术研发和推广应用方面,还处于无序状态。
几乎每天都有关于3D打印的新闻。这项快速制造技术被冠以了可以想象到的所有荣誉。但是,这些概念与现状相差有多远呢?在走访在一线使用3D打印技术的企业后,发现事实是,在可预见的未来,3D打印不会在中国颠覆任何行业。
3D打印并不神秘,也绝非只能在学术研究的实验室才能见到。事实上,深圳作为“世界工厂”和“设计之都”,3D打印技术的商业应用已经在这里发展了一年多。许多人知道国内主流的桌面3D打印机生产厂商大半都在深圳,但鲜为人知的是,深圳已经有不少专业的工业级3D打印服务商和大规模应用3D打印的工业设计机构。
3D打印技术及产业国际国内发展现状
国际情况
经过十多年的探索和发展,3D打印技术有了长足的进步,目前已经能够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率。目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率,并可实现24位色彩的彩色打印。
目前,在全球3D打印机行业,美国3D Systems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额。此外,在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的Fab Home和Shapeways、英国的Reprap等。
3D Systems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司。于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation公司之后,3D Systems奠定了在3D打印领域的龙头地位。Stratasys公司2010年与传统打印行业巨头惠普公司签订了OEM合作协议,生产HP品牌的3D打印机。继2011年5月收购Solidscape公司之后,Stratasys又于2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。当前,国际3D打印机制造业正处于迅速的兼并与整合过程中,行业巨头正在加速崛起。
目前在欧美发达国家,3D打印技术已经初步形成了成功的商用模式。如在消费电子业、航空业和汽车制造业等领域,3D打印技术可以以较低的成本、较高的效率生产小批量的定制部件,完成复杂而精细的造型。另外,3D打印技术获得应用的领域是个性化消费品产业。如纽约一家创意消费品公司Quirky通过在线征集用户的设计方案,以3D打印技术制成实物产品并通过电子市场销售,每年能够推出60种创新产品,年收入达到100万美元。
美国的技术思想遭遇中国的工业现实
在拥有大量技术工人和大量“独门工艺”的中国,目前3D打印技术还没有什么非用不可的理由。
有趣的是,MakerBot——美国最有名的桌面3D打印机开发商之一,它的联合创始人ZachSmith在退出这家公司后目前旅居深圳,在华强北自己做了一个孵化器工作室。作为3D打印技术的前沿人士,他在接受采访时并没有多谈3D打印,而是一个劲的在夸赞“深圳是创客(英文maker,译作创客,可理解为硬件技术开发者和发烧友)的天堂”。
Zach对记者说了这样一段话:“深圳就像一个巨大的‘科技超市’,这里有许多的工厂会搞定你想做的任何事。你不需要费心去学习如何使用生产工具,也不需要为材料、元件所烦忧,你只需要专心设计就能把想法变成现实。而在美国,已经没有什么作坊能提供这些知识和工艺了,一切都得自己摸索。而深圳的工人可以更快地做出质量更好的东西来。在美国要花100美元才能做出来的电路板,在这里只要上网花50块人民币就能买到。十倍的差价意味着,不需要太多花费你就可以迅速从电脑模拟进展到真机测试。你可以在网上买到任何电子元器件,去工厂也不过一个多小时的路程。但是在美国,为了跑供应商你可能得坐飞机在俄亥俄州、马里兰州和旧金山之间飞来飞去。”
3D技术将推动制造业回流美国
说美国人发明了互联网这句话其实并不夸张,互联网让信息生产以及软件生产(可以视为软生产)成为一个人或小团队也能干的事,大工业时代受到了这种来自个体的挑战。但这件事还没完,既软生产下沉到个体之后,硬生产开始展现下沉的苗头。
3D打印技术首先要依靠互联网,没有网络就很难分发图纸。基于图纸分发,使得货品生产这种事在家里也可以完成。这着实是一种美妙的构想,虽然很多方面还有点科幻的成分,但我毫不犹豫地相信,从科幻变成现实,真得用不了多少时间。
3D打印技术有可能让制造业出现回流美国的情况。大量制造业外迁是出于节省成本的目的——因为发展中国家劳动成本低廉。但这个低廉是有前提的,那就是必须有足够的规模。美国的中小制造业很难去外迁自己的厂房,规模没到就是不经济的做法。于是美国国内大量中小企业被大企业击败,形成了制造业在外的局面。
但3D打印可以让美国制造业回归,中小企业一样可以获得成本上的优势。回到美国国内的制造业在沟通成本和文化成本上更低是显而易见的。创意专利在美国,制造在美国,发展中国家(比如中国)在价值链上还有什么位置呢?就只剩下原料和能源了。以此为生的国家,在世界秩序里始终不会是在链条的上头。中东那些石油国家是很富,但话语权真心不大。
国内情况
自20世纪90年代以来,国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发。清华大学在现代成型学理论、分层实体制造、FDM工艺等方面都有一定的科研优势;华中科技大学在分层实体制造工艺方面有优势,并已推出了HRP系列成型机和成型材料;西安交通大学自主研制了三维打印机喷头,并开发了光固化成型系统及相应成型材料,成型精度达到0.2mm;中国科技大学自行研制了八喷头组合喷射装置,有望在微制造、光电器件领域得到应用。但总体而言,国内3D打印技术研发水平与国外相比还有较大差距。
近年来,国内如深圳维示泰克、南京紫金立德、北京殷华、江苏敦超等企业已实现了3D打印机的整机生产和销售,这些企业共同的特点是由海外归国团队建立,规模较小,产品技术与国外厂商同类产品相比尚处于低端。目前,国产3D打印机在打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面还难以满足商用的需求,技术水平有待进一步提升。在服务领域,我国东部发达城市已普遍有企业应用进口3D打印设备开展了商业化的快速成型服务,其服务范围涉及到模具制作、样品制作、辅助设计、文物复原等多个领域。与内地相比,我国港台地区3D打印技术引入起步较早,应用更为广泛,但港台主要着重于技术应用,而非自主研发。
3D打印材料所限 全面推广受制约
相比传统制造业,3D打印设备能够应用的制造原材料无疑是非常稀少的,产业多样化受到一定限制。整个3D打印推广过程中,虽然设备成本占据大头,但生产材料缺乏也是一个不争的事实,制约因素非常明显。
3D打印材料要求高
工业级的3D打印材料更是十分有限,目前适用的金属材料只有10余种,而且只有专用的金属粉末材料才能满足金属零件的打印需要。需要用到金属粉末材料的3D打印为工业级打印机,即选择性激光烧结(SLS)和选择性激光熔化(SLM)技术。
3D打印对粉末材料的粒度分布、松装密度、氧含量、流动性等性能要求很高。根据不同的用途,金属材料制备的工件要求强度高、耐腐蚀、耐高温、比重小、具有良好的可烧结性等。同时,还要求材料无毒、环保;性能要稳定,能够满足打印机持续可靠运行。功能应用是越来越丰富,例如现在已对部分材料提出了导电、水溶、耐磨等要求。当然前提是保证经济性。
原材料种类有限制约全面推广
在金属3D打印中,常用的材料是钛粉、铝合金粉和不锈钢粉。与普通金属材料比,这些材料成本要高出10倍左右。例如,德国的EOS公司能生产出有限的几种金属粉末,如:不锈钢粉、铝硅粉、钛合金粉,但价格是传统粉体的10-20倍。目前,3D打印用钛粉约180万/吨,而航空用钛材价格约为20万/吨。
目前在工业级打印材料方面存在的问题主要是:第一、可适用的材料成熟度跟不上3D市场的发展;第二、打印流畅性不足;第三、材料强度不够;第四、材料对人体的安全性与对环境的友好性的矛盾;第五是材料标准化及系列化规范的制定。
此外,3D打印虽然减少了切削等环节,却增加了软件、设计、材料等环节,如果加上产品合格率低造成的浪费,实际成本节省还是增加很难一概而论。实际上,打印成本偏高是不争的事实,每克成本10到100元,放在某些行业可能得不偿失。总而言之,3D打印的价值真正发挥,将会经历一段漫长的过程。
结语
中国3D打印技术目前正在从概念炒作的高峰阶段转向内在价值发掘阶段,其技术还有待充分成熟,主流应用市场也有待进一步培育。3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要2~7年的时间。在这一较为漫长的发展过程中,产业可能会面临增长期望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。
总之,从中长期看来中国3D打印产业具有较为广阔的发展前景,但目前产业距离欧美较为成熟阶段尚有较大距离,对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估,理性看待中国3D打印产业在全球发展过程中的地位及作用。因此,现阶段中国产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主,尤其要重视自主知识产权的建设和维护,争取在未来的市场竞争中占据有利地位。