作為第三次科技革命最受矚目的技術(shù)之一，3D打印在全球范圍內(nèi)的發(fā)展速度用“突飛猛進(jìn)”來形容毫不為過。但需要注意的是，從經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)角度看，其定位是對(duì)現(xiàn)有制造工藝的補(bǔ)充和完善，而不是對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的顛覆。同時(shí)，3D打印材料性能還不夠穩(wěn)定，且材料的通用性比較差、成本高企，也制約著3D打印在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。
目前，中國的3D打印已在航空航天、汽車、生物醫(yī)療、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用，但離實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化、工程化應(yīng)用還有一定距離。
“與熱鬧的消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)相比，工業(yè)機(jī)的生產(chǎn)與應(yīng)用要冷清許多。‘高精尖’工業(yè)市場(chǎng)畢竟有限，3D打印在其他工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還未鋪開。”世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟首席執(zhí)行官羅軍表示，中國國內(nèi)現(xiàn)在90%的3D打印企業(yè)是做打印“小玩意”的桌面機(jī)，工業(yè)3D打印機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)尚未真正開始。
多位業(yè)內(nèi)人士告訴筆者，材料品種少、價(jià)格貴、性能低，正是制約工業(yè)級(jí)3D打印應(yīng)用的關(guān)鍵。工信部、發(fā)改委、財(cái)政部在今年3月出臺(tái)的《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015~2016年）》中，將著力突破增材制造（即3D打?。Ｓ貌牧希膭?lì)優(yōu)勢(shì)材料生產(chǎn)企業(yè)從事增材制造專用材料研發(fā)和生產(chǎn)，作為推進(jìn)計(jì)劃的第一步。
隨著首個(gè)3D打印國家政策的出臺(tái)，3D打印在工業(yè)領(lǐng)域的機(jī)遇和挑戰(zhàn)又一次引發(fā)了業(yè)內(nèi)的關(guān)注。
高精尖領(lǐng)域“嘗甜頭”
記者從相關(guān)渠道獲悉，衛(wèi)星每減重一公斤，即可減少10萬美元的發(fā)射成本。通過運(yùn)用點(diǎn)對(duì)網(wǎng)的3D打印零件，衛(wèi)星的減重比已達(dá)到30%，遠(yuǎn)超過去減重13%的期望。
華中科技大學(xué)史玉升教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)向記者展示了一臺(tái)其研發(fā)的大型工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)。這臺(tái)外觀看起來像大柜子一樣的3D打印機(jī)，內(nèi)里分布著等同于一個(gè)制造車間的精密儀器，將物件的三維數(shù)據(jù)輸入電腦并按下“打印”鍵后，這臺(tái)“制造車間”就能在數(shù)小時(shí)內(nèi)打印出工業(yè)級(jí)的零件。
史玉升告訴筆者，在3D打印工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，航空航天業(yè)已經(jīng)開始有所運(yùn)用。
與此同時(shí)，3D打印在復(fù)雜結(jié)構(gòu)的造型方面還具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。“過去設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)零件時(shí)，要考慮工藝性，否則到車間制造時(shí)會(huì)做不出來。但現(xiàn)在基本只要想象比較合理的，就可以3D打印出來。”上海航天技術(shù)研究院高級(jí)工程師王聯(lián)鳳表示，能做一些傳統(tǒng)工藝難以做到的“奇形怪狀”的結(jié)構(gòu)。
東方航空技術(shù)有限公司日前發(fā)布消息稱，其3D打印制造的飛機(jī)艙門手柄蓋板、飛機(jī)座位指示牌等客艙部件，已成功配裝到全新波音B777－300ER型客機(jī)上并執(zhí)行正常航班飛行。一個(gè)小小的指示牌，等待周期從180天減至一個(gè)晚上，采購成本也從1000美元降至30元人民幣。
其實(shí)，大家能看到的3D打印應(yīng)用只是冰山一角，某些軍工領(lǐng)域早已成熟運(yùn)用。而且諸如航空航天等高精尖領(lǐng)域?qū)Τ杀静幻舾?，零件多為單次小批量生產(chǎn)，恰恰與3D打印的特性相符。
《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015~2016年）》已經(jīng)明確將增材制造作為航空航天制造等高端裝備制造及修復(fù)的重要技術(shù)手段。結(jié)合重大工程需求，在航空航天等涉及國防安全及市場(chǎng)潛力大、應(yīng)用范圍廣的關(guān)鍵領(lǐng)域和重要產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)率先突破，也是國家發(fā)展增材制造的基本原則之一。
用史玉升的話來說，航空航天領(lǐng)域的3D打印應(yīng)用正熱火朝天，但很多技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍是摸著石頭過河。“有的零件可以用3D打印，但零件所處的溫度和運(yùn)動(dòng)條件一旦變了，就不一定行了。”他表示，“就像是做宮保雞丁的技術(shù)成熟了，但換做熱干面，又不行了，火候、手法還需摸索。”
史玉升表示，他希望3D打印的建模軟件能升級(jí)，現(xiàn)在的軟件只能生成幾何信息，如果能自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的尺寸大小和應(yīng)用材料，將進(jìn)一步提升3D打印的工藝技術(shù)。
材料又貴又少成掣肘
“3D打印屬于增材領(lǐng)域，所以材料發(fā)展是3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料發(fā)展決定了3D打印的應(yīng)用范圍。”中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授白培康認(rèn)為。
在白培康看來，3D打印的材料種類少很難滿足需求。目前增材制造的材料僅100多種，而傳統(tǒng)減材制造、等材制造的材料有數(shù)萬種。“這就導(dǎo)致了3D打印與工業(yè)應(yīng)用的結(jié)合面太窄。”三的部落總經(jīng)理徐建輝告訴筆者，“出現(xiàn)了‘叫好不叫座’的局面。”
其次，材料的性能還不夠穩(wěn)定，且材料的通用性比較差、成本高企，都制約著3D打印在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展。
以目前在3D打印工業(yè)應(yīng)用中使用最多的鈦合金材料為例，其一公斤的價(jià)格為2000~3000元左右。這意味著做一個(gè)20多公斤的零件要花5、6萬元，而傳統(tǒng)鑄造業(yè)只用花幾百元就能搞定，這使得3D打印在“高精尖”以外的其他工業(yè)領(lǐng)域難以推廣開來。
“3D打印的材料最好能降到幾百元一斤，否則太貴了沒人用。”史玉升說。此外，材料的豐富性問題也是其團(tuán)隊(duì)在實(shí)踐中遇到的困難。不少材料難以做到工業(yè)需求的抗疲勞和高溫耐久等特性，很多應(yīng)用施展不開。史玉升將其比喻為，“鍋碗瓢盆有了，但柴米油鹽還缺很多。”
材料成本為何居高不下？業(yè)內(nèi)人士指出，業(yè)內(nèi)對(duì)3D打印材料的投入還不夠，材料市場(chǎng)尚未形成充分競(jìng)爭(zhēng)。劍橋大學(xué)工程學(xué)院制造研究所教授Bil O'Neil對(duì)筆者表示，不少3D打印巨頭又做設(shè)備又做材料，材料與設(shè)備捆綁式銷售，相對(duì)封閉的系統(tǒng)導(dǎo)致成本難以降下來。
“我們現(xiàn)在的感受是，便宜的材料干不了事，能干事的價(jià)格又高。”一位從事3D打印的企業(yè)負(fù)責(zé)人對(duì)筆者坦言。
3D打印不能“包打天下”
在國務(wù)院5月發(fā)布的《中國制造2025》規(guī)劃中，有5處提到了3D打印，并將其列為要突破的10個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域之一。近年來，國際上3D打印工業(yè)級(jí)設(shè)備商和材料商銷售增幅巨大的事實(shí)，被業(yè)內(nèi)視作3D打印的工業(yè)應(yīng)用來到了爆發(fā)臨界點(diǎn)。
作為全球金屬3D打印設(shè)備巨頭之一，德國EOS公司銷售數(shù)據(jù)的變化暗含著行業(yè)趨勢(shì)的密碼。該公司大中華區(qū)總經(jīng)理吳承軒表示，目前用于塑料加工的3D打印設(shè)備銷售占比為三分之二，但金屬打印設(shè)備的成長態(tài)勢(shì)遠(yuǎn)超塑料，很快金屬設(shè)備的銷售占比會(huì)超過50%。而用3D打印制造金屬結(jié)構(gòu)件，又是3D打印真正開啟工業(yè)化的標(biāo)志。
另一家3D打印的原材料公司，鈦粉末材料巨頭加拿大AP&C公司的銷售連續(xù)多年維持在50%-60%的增長幅度，對(duì)中國市場(chǎng)更是雄心勃勃。該公司總裁兼CEO Jacques Malette對(duì)筆者表示，他們正通過在中國投資、實(shí)現(xiàn)本地化生產(chǎn)的方式，進(jìn)一步降低3D打印金屬粉末材料的價(jià)格。
種種跡象表明，3D打印的上游技術(shù)正日漸成熟，下游應(yīng)用也在擴(kuò)大。但也要看到，目前全球的設(shè)備商主要是做非金屬、桌面級(jí)3D打印機(jī)，做金屬3D打印設(shè)備的公司還不到10家。
羅軍認(rèn)為，3D打印行業(yè)最終的核心競(jìng)爭(zhēng)力將在工業(yè)領(lǐng)域。5年時(shí)間里，3D打印行業(yè)將實(shí)現(xiàn)從消費(fèi)級(jí)應(yīng)用到工業(yè)化應(yīng)用，從非金屬3D打印設(shè)備為主到金屬設(shè)備為主的過渡。全球做金屬3D設(shè)備的公司將達(dá)到30家，中國將產(chǎn)生10家。
未來，3D打印能否“包打天下”？從事3D打印研發(fā)多年的清華大學(xué)教授顏永年并不這么認(rèn)為，這位被稱作中國3D打印第一人的老人對(duì)筆者表示，3D打印不是替代傳統(tǒng)的技術(shù)，而是補(bǔ)充傳統(tǒng)制造技術(shù)的不足，其發(fā)展方向應(yīng)該是和傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合。
其實(shí)，突破材料限制的關(guān)鍵手段之一，就是與傳統(tǒng)行業(yè)充分結(jié)合，并且應(yīng)該用大型項(xiàng)目來推動(dòng)3D打印工業(yè)領(lǐng)域的重大應(yīng)用。顏永年團(tuán)隊(duì)多年實(shí)踐證明，3D打印與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)的結(jié)合，能補(bǔ)足3D打印韌性不足、易斷裂的缺陷。“尤其在重型、大型裝備制造方面，3D打印能推動(dòng)大項(xiàng)目更有效率的進(jìn)行。”顏永年解釋，他們目前正在努力將3D打印應(yīng)用在核電主設(shè)備制造中。如果用傳統(tǒng)路徑，對(duì)鋼錠的材料利用率只有20%；而如果用重型3D打印+傳統(tǒng)鍛造的方式，其制造周期可以縮至過去的1/3，材料利用率將提升至80%。
在王聯(lián)鳳看來，今天的3D打印就像上世紀(jì)90年代的互聯(lián)網(wǎng)，前端技術(shù)、硬件已經(jīng)積累到一定程度，一旦發(fā)展起來，后端的應(yīng)用規(guī)模與產(chǎn)值將會(huì)爆發(fā)出難以想象的巨大能量。
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