用户名:
密  码:
资讯查询

我国3D打印产业现状及发展对策

发布日期:2016-01-13    来源:作者:王忠宏 国务院发展研究中心产业经济研究部副研究员      点击数:27120

       英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文中,将3D打印技术作为第三次工业革命的重要标志之一,引发了世人对3D打印的关注。面对新的生产方式变革和发达国家大力推进的“再工业化战略”,国家应高度重视3D打印等新型数字化制造技术的研发和产业化,加大人才培养、市场培育和应用推广的力度,努力在数字化革命和智能制造的“机会窗口”前取得发展主动权。
       一、3D打印的特点
       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”。3D打印机依托多个学科领域的尖端技术,在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定应用,发展前景广泛。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,提高效率并降低成本。
       二、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。
       客观而言,目前3D打印技术尚不成熟,在打印材料、产品精准等方面还有很大距离。从成本角度看,也难以替代规模经济生产方式下的产品。作为一项多学科交叉的高新技术,还需要在各相关领域同时投入较大的研发力量,才能掌握完整的核心技术。
       三、3D打印的应用领域
       近年来,3D打印技术发展迅速,在各个环节都取得了长足进步。通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合,该技术已成为现代模型、模具和零件制造的有效手段,在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定应用,在工程和教学研究等应用领域也占有独特地位。具体应用领域包括以下几个:
       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
       建筑模型风动实验和效果展示,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。
       从市场应用份额看,汽车及零配件领域占据37%的市场,消费品领域占据18.2%,航空航天和国防军工近14%,商业机器领域为11.2%,医疗领域有8.8%,科研占8.6%。
       四、我国当前3D打印产业发展现状
       1、技术研发
       自20世纪90年代初以来,清华大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校,在3D打印设备制造技术、3D打印材料技术、3D设计与成型软件开发、3D打印工业应用研究等方面,开展了积极的探索。
       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,有望率先应用于航天、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)。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、无锡易维模型设计有限公司等企业,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。
       在家用电器、汽车配件、通信技术、航天、军工等领域, 3D打印技术被越来越多地应用到产品研发和生产中。在医疗领域,国内高水平的医院使用3D打印技术,为患者提供定制的牙齿和骨骼替代物,以及具有仿生性能的体内植入物。在教育领域,我国有较多高校购买了3D打印设备,开展多个学科的教学和研究工作。
       3D打印产业正成为投资热点。不少原先从事数字化技术、材料技术、精密机械技术的企业纷纷考虑投资开发3D打印设备生产和服务。
       五、发展过程中存在的问题
       1、缺乏宏观规划和引导
       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,一些产业的关键技术被分隔开来,对3D打印这一交叉学科的技术总体规划与重视不够。
       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。
       而占据3D打印产业主导地位的美国3D systems、stratasys等公司,每年都投入1000多万美元研发新技术,研发投入占销售收入的10%左右。两家公司不仅研发设备、材料和软件,而且以签约开发、直接购买等方式,获得大量来自企业外部的相关细分技术、专利,已掌握一批关键核心技术。
       3、产业链缺乏统筹发展
       3D打印行业的发展需要完善的供应商和服务商体系、市场平台。供应商和服务商体系中,包含工业设计机构、3D数字化技术提供商、3D打印机及耗材提供商、3D打印设备经销商、3D打印服务商。市场平台包含第三方检测验证支持、金融支持、电子商务、知识产权保护等支持。而目前国内的3D打印企业还处于“单打独斗”的初步发展阶段,产业整合度较低,主导的技术标准、开发平台尚未确立,技术研发和推广应用还处于无序状态。
       4、缺乏教育培训和社会推广
       目前,我国多数制造企业尚未接受“数字化设计”、“批量个性化生产”等先进制造理念,对3D打印这一新兴技术的战略意义认识不足。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。
       六、我国发展3D打印产业的重要战略意义
       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打印等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。虽然3D打印等数字化制造的核心技术仍处在发展的初步阶段,产业还不成熟,但在产品设计、复杂和特殊产品生产、个性化服务等方面已显示其独特优势,应充分认识智能制造、数字化制造对我国的深刻影响,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,往往是先开磨具,然后再做出样品,而运用3D打印技术,无需开磨具,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。
       在生命科学的研究和应用中,3D打印以“细胞打印”、“仿生定制”等形式出现,把标准化、自动化的机械加工业生产方式,应用到生物工程、生物制药和临床医学等领域,取得了丰硕成果。以生物组织为原材料的制造业,可望成为高端制造业的重要组成部分。发展3D打印技术,将促进我国在生物能源开发利用、生物和化学药剂试验、人体组织和器官再造等领域取得技术进步。
       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),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。
       七、支持我国3D打印产业发展的政策建议
       1、制定数字化制造规划,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。