1、我国 3D 打印发展对策研究 王晓玲 中国信息通信研究院 摘 要： 研究了制约 3D 打印大规模应用的关键技术因素, 并指出未来技术趋势和产业发展重点。对比分析了我国 3D 打印技术和产业与国际水平的差异, 提出我国 3D打印产业存在的问题, 并给出相应的发展建议。关键词： 3D 打印; 增材制造; 金属打印; 3D 打印材料; 激光制造; 作者简介：王晓玲:中国信息通信研究院信息化与工业化融合研究所工程师, 北京邮电大学产业经济学硕士。专长于智能制造、工业互联网、两化融合等研究领域。近几年承担国家部委、地方政府、科技园区等多项科研项目, 主要涉及制造业与互联网融合发展规划、“互联网+”实施方
2、案、智能制造发展生态研究等。Research on the development of 3D printing in ChinaWANG Xiaoling China Academy of Information and Communication Technology; Abstract： This article studies the key technical factors that restrict the large-scale application of 3D Printing, and points out the future technical trends and
3、industrial development focus. It analyzes the differences between China and other countries in 3D Printing technology and industry, and puts forward the problems of 3D Printing industry in China, then gives the corresponding development suggestions.Keyword： 3D printing; additive manufacturing; metal
4、 3D printing; 3D printing materials; laser manufacturing; 1 3D 打印技术研究3D 打印在学术界又称为“增材制造”, 以三维数字模型为基础, 通过逐层堆叠材料的方式来构造物体。3D 打印的技术原理与传统制造截然不同, 是一种跨学科、跨领域的技术体系, 以材料科学、精密机械和信息技术为支撑。1.1 3D 打印可分为七大技术路径3D 打印按照成形方式和热源划分为不同的技术路径。从每一层的加工方式来看, 可划分为热加工方式和化学方式。在热加工方式下, 可以使用电子束、激光、打印头、加热滚筒等多种热源, 采用铺粉、同步送粉、丝材进给和薄片筒等
5、进料方式;在化学方式下, 通常使用紫外光、粘合剂等对每一层的材料进行固化。总体来看, 3D 打印技术可归纳为七大类, 即粉末床熔合、直接能量沉积、材料挤出、片层压、材料喷射、光固化、粘结剂喷射等。从历史演进来看, 3D 打印技术总体上从原型制作向直接制造技术演进。早期的 3D 打印技术主要包括数字光处理、熔融沉积成形等技术, 以塑料、光敏聚合物为构建材料, 主要用于原型制作。自 2000 年左右, 使用金属材料的 3D 打印技术不断涌现。如激光近净成形、电子束熔融、直接金属激光熔融、选择性激光熔融等, 主要用于直接部件的制造。1.2 工艺、材料和热源是影响 3D 打印关键因素工艺参数的选择直接
6、影响 3D 打印的部件质量。以送粉方式为例, 同步送粉方式较铺粉方式更有利于提高制品的致密度。热源属性也会显著影响 3D 打印的质量, 在金属 3D 打印领域, 应用最为成熟的热源是激光和高能电子束;两者的其作用机理不同, 导致在 3D 打印过程中, 电子束表现出比激光更加良好的适配性。材料的特性同样影响 3D 打印的质量。通常认为直径小于 1 毫米的粉体材料适用于3D 打印, 粒径在 50 微米左右的粉体材料具有较好的成型性能。1.3 过程监控和无损检测技术实现质量保证实时过程监控提高了质量的可预期性, 实现闭环反馈。鉴于工艺参数对 3D 打印的质量有直接影响, 业界领先企业开始探索过程实时
7、监控技术, 以实现 3D 打印的一致性和可重复性。德国的金属 3D 打印厂商 Concept Laser 推出一系列过程监控解决方案, 能够监控粉末床的均匀性, 并对每层的层厚变化进行检测与补偿, 还可以对粉末床金属 3D 打印中的熔池温度进行监控。国内厂商也开始推出3D 打印过程监控系统。如华曙高科正在研发工业级 3D 打印装备智能控制系统, 形成制造与故障诊断、温场控制、远程监测、数据反馈与集成控制等功能。制成品的无损检测评估, 确保 3D 打印工艺可靠性。传统的破坏性检测难以用于3D 打印, 尤其是那些具有复杂几何形状的零部件, 很难通过传统手段进行检验, 而无损检测评估能够满足 3D
8、打印部件独特的检验要求。NASA 在无损检测方面推出多项技术。利用涡流检测对 3D 打印制件的可接触部分进行检测, 以证明部件与传统加工方式制造的金属部件性能相近;利用结构光检测来验证制件的精确度, 可以使用经校准的近红外相机, 来检测制件的缺陷。1.4 新型制备工艺改善 3D 打印材料性能3D 打印对材料的要求严苛, 是世界范围的难题。以金属粉末材料为例, 需要满足严格的化学成分、粒度分布等指标。金属粉末对氧含量有严格要求, 一般在1 300-1 500ppm。此外, 粒度分布也是影响打印质量的重要因素, 目前金属 3D打印常用的粉末粒度范围是 1553m (细粉) , 53105m (粗粉
9、) 。为解决材料瓶颈, 领先企业纷纷从制备工艺出发, 改善材料的性能指标。大阪钛业基于独有的预混合雾化工艺, 推出能够用于 3D 打印的高品质钛金属粉末, 具有良好的纯度和粒度分布, 已经通过了全球各大学和研究机构的测试。英国金属粉体材料商 LPW Technology 利用新型等离子球化处理设备, 制造出高质量的金属粉体材料。1.5 软件实现 3D 打印工艺优化和流程简化仿真软件提高打印成功率, 减少试错成本。日本 MSC 公司发布了仿真软件“Simufact Additive”, 该软件能够基于金属 3D 打印造型过程中的热变形等因素, 进行支撑结构及形状的设计, 在生产阶段无需反复尝试,
10、 可提高造型效率。3DSIM 发布了金属 3D 打印仿真软件 exa SIM, 可对设计部件的残余应力进行深入预测, 有助于减少昂贵的试错过程。Alpha STAR 公司开发出能够模拟整个打印过程的仿真软件, 可识别出材料问题和生产缺陷, 显著降低测试成本。新型软件实现 3D 打印与传统生产流程的集成。3D 打印巨头 Stratasys 推出全新的软件 Grab CAD Print, 可直接读取 CAD 文件, 极大简化了操作流程, 使产品设计师、工程师和操作人员更容易地准备、安排并监控整个 3D 打印过程。硅谷创业公司 Authentise 通过软件解决方案实现 3D 打印过程自动化。该公司
11、推出模块化的自动化系统 3DIAX 平台, 能够实现订单状态自动更新并提供操作指导, 利用实时信息高效可靠地生产零部件。2 3D 打印产业分析2.1 全球 3D 打印市场高速增长根据 Wohlers Associates2016 年发布的报告, 2015 年, 全球 3D 打印市场规模接近 52 亿美元, 增长速度为 25.9%;中国 3D 打印市场规模为 8.6 亿美元, 约占全球市场的 16.7%。从增速来看, 中国 3D 打印市场发展略快于全球。从收入结构来看, 3D 打印服务是主要收入来源。2015 年, 3D 打印服务收入占到产业总体收入的 53%。在区域分布上, 欧美市场占据主要市
12、场份额, 从全球工业级 3D打印机累计装机量分布来看, 欧美地区占比接近 70%。全球 3D 打印企业根据主要产品应用水平以及收入规模可划分为三大梯队。第一梯队以美国企业为主, 拥有全球最大的两家 3D 打印企业, 但是在金属 3D 打印方面企业规模较小;第二梯队以欧洲企业为主, 大多生产金属 3D 打印机, 规模相对较小, 但应用前景明朗;我国企业基本属于第三梯队, 普遍规模较小, 并且产品相对低端, 集中在桌面级和原型制作领域。2.2 关键零部件基本由国外垄断激光器是 3D 打印的关键零部件, 基本由国外厂商垄断。全球 3D 打印设备商使用的激光器基本几家国际巨头垄断, 如美国 IPG、美
13、国相干 (Coherent) 公司、英国 SPI、德国通快等。其中, IPG 的产品涵盖 30 k W 以内连续光纤激光器和100 W 以内脉冲光纤激光器, 2015 年收入超过 9 亿美元。国内激光器厂商起步晚, 国际竞争力不足。目前, 国内生产工业级激光器的企业不到 20 家, 这些企业尚未形成专门针对 3D 打印的批量化激光器的产品线, 因此国内 3D 打印设备企业基本采用高价的进口激光器, 一定程度上拉高了设备售价。2.3 3D 打印服务成为产业增长引擎Wohlers Associates 的报告显示, 2015 年全球 3D 打印服务总体收入达到 28 亿美元, 增长速度 33%。3
14、D 打印服务的重要作用在于, 降低用户的初始投资, 帮助设备商加速技术应用普及。市场上出现一批专业的 3D 打印服务商, 通过购买打印设备并配套 3D 打印操作人员, 向下游客户提供零部件和产品的打印加工服务。全球知名的 3D 打印服务商包括最大的 3D 打印服务商 Shapeways、在线打印服务商 3D Hubs 以及 Sculpteo 等。我国也涌现出众多 3D 打印服务提供商, 如三维时空、意造、康硕集团、三易三维技术有限公司等。2.4 市场扩张为 3D 打印原材料带来机遇随着 3D 打印市场的扩张, 原材料的需求持续增长。2015 年, 全球 3D 打印材料收入达到 7.7 亿美元,
15、 增速 20%。3D 打印材料主要包括光敏聚合物、激光烧结聚合物、丝材、金属等, 目前, 光敏聚合物所占的比例最大。然而, 金属材料增速更快, 未来在 3D 打印材料中的占比将显著上升。从商业模式来看, 主要的3D 打印企业一般以材料供应和设备制造的综合形式存在, 设备商对原材料实行“厂商锁定”方案, 抬高了材料价格。我国 3D 打印材料依赖进口, 供应商生产能力有限。目前国内多数厂家可以生产几十微米到几百微米的金属颗粒, 但是颗粒的品质与国外厂商相比差距较大。未来将出现第三方材料生产模式, 有望降低材料价格。例如惠普推出开放材料平台, 鼓励合作伙伴开发与惠普系统兼容的粉末材料, 开发商可以对
16、材料自主定价。2.5 3D 打印软件市场由国外主导整个 3D 打印流程涉及多种软件。在设计阶段使用的 3D 建模软件发展十分成熟, 通常使用传统的三维建模软件, 基本由国外企业主导, 如达索、PTC 等。国内企业在三维建模软件领域尚未出现有竞争力的产品和企业。在 3D 打印操作阶段, 所使用的软件通常与设备绑定, 目前市场上 3D 打印机操作软件通常由设备制造商自己开发。在模型扫描阶段, 所使用的三维扫描软件与设备相对独立, 例如, 以 3D 扫描数据为基础创建 CAD 模型的逆向工程软件 Geomagic Design X。国内企业先临三维推出最新版 3D 扫描仪软件 Ein Scan 2.
17、0, 能够直接方便的进行3D 扫描数据在线共享, 支持一键式数据上传到云平台。3 我国 3D 打印发展对策我国 3D 打印技术研究起步于上世纪 90 年代, 经过二十多年的努力, 取得了长足的进步, 在个别领域有所突破, 但整体技术水平落后于欧美国家, 产业发展仍处于初级阶段。金属粉末等高端 3D 打印材料仍依赖进口, 成为制约行业发展的重要因素。国内设备厂商多数集中在低端桌面机领域, 在工艺等方面与国际水平依然存在差距。3D 打印各环节涉及的软件基本由国外主导。然而从市场需求来看, 我国 3D 打印市场增速略高于全球, 应用潜力巨大。因此, 应当把握历史机遇, 从技术、产业、应用等多方面推进
18、 3D 打印的发展。3.1 选择重点领域, 推进应用示范选择技术相对成熟、示范带动作用较强的行业开展应用示范。在航空航天领域, 利用 3D 打印进行飞机整机维修、发动机叶片修复, 开展航空飞行器的快速设计和原型验证, 以及主风挡窗框、起落架等大型结构件的制造。在汽车行业, 适应车型更新速度逐渐加快、对汽车的环保和轻质化要求提高的市场需求, 利用3D 打印提高产品设计的速度和性能、维修环节的零部件直接制造、个性化汽车部件的直接制造。在医疗行业, 将 3D 打印应用到手术规划模型、手术导板、植入物、康复医疗器械、口腔科应用等。通过在以上行业开展推广应用, 辐射和带动产业的整体发展。3.2 着力突破
19、 3D 打印专用材料鼓励传统材料巨头开展 3D 打印专用材料研发和生产。在金属 3D 打印材料方面, 主要突破细粒径球形钛合金粉末、高强钢、高温合金等;在非金属 3D 打印材料方面, 主要突破光敏树脂、高性能陶瓷、耐高温高强度工程塑料等。建立统一的 3D 打印专用材料标准, 以实现 3D 打印材料稳定的第三方供应, 有效降低材料价格。开发 3D 打印材料质量测试程序和方法, 为行业提供测试认证服务。推动材料企业与设备商、下游应用企业加强交流合作, 以下游需求为导向, 研发3D 打印材料。3.3 加快提升 3D 打印工艺技术水平针对当前制约 3D 打印技术推广应用的质量、速度、控制等问题, 加大
20、工艺研发力度。开发多激光器、多喷嘴设备, 以提升构建速度。如东芝推出金属 3D 打印机, 使用两台激光器在构建区域的不同位置同时照射熔融, 将打印速度提升 10倍。提升激光扫描速度, 如宾西法尼亚州立大学开发出新的激光扫描方法, 能够将扫描速度提高 1 000 倍。开发过程监控方法与系统, 对构建过程进行实时监测, 降低缺陷率。开发 3D 打印无损检测技术, 利用热红外、液体渗透剂、超声波、中子辐射成像等, 对 3D 打印制件的显微结构、内部缺陷、表面缺陷、几何精度进行检测。3.4 提高 3D 打印设备质量目前国内已经涌现出一批具有科研实力和市场推广能力的 3D 打印优势企业, 包括中航工业、
21、华曙高科、西安铂力特、武汉滨湖机电、上海联泰科技等。依托优势企业, 强化产学研合作, 研制推广具有自主知识产权的 3D 打印设备, 有助于我国 3D 打印产业的发展壮大。在金属 3D 打印设备方面, 主要在打印尺寸、效率、精度、可靠性方面开展突破。如西安铂力特推出最新金属 3D 打印设备, 突破 1 m 的成形尺寸限制。华中科技大学首创“铸锻铣一体化”金属打印技术, 大幅提高制件强度和韧性。在非金属 3D 打印设备方面, 主要在高工况温度和工艺稳定性方面进行突破。华曙高科推出最新激光烧结设备, 工作腔温度可满足加工 PA6 材料的要求。3.5 加快 3D 打印技术产业化与国外相比, 我国 3D
22、 打印产业缺少具有影响力和凝聚力的龙头企业。我国 3D打印企业产品定位相对低端, 大多以桌面型设备为主, 一部分 3D 打印企业的主要业务是代理国外品牌的 3D 打印机。从规模来看, 我国 3D 打印企业与国际水平也存在较大差距, 多数企业的年收入不足 1 亿美元。我国企业未来需要加大高端市场布局, 提升 3D 打印设备的功能性和易用性。在商业化方面, 我国有众多 3D 打印技术依然停留在研究机构, 未能及时转化为产品, 其原因是我国 3D打印研究基本以科研机构为主, 缺少应用企业的参与, 因此, 应当充分吸纳企业开展技术研究和产业化, 加速推进 3D 打印市场应用。3.6 重视服务对产业的牵
23、引作用传统的 3D 打印商业模式主要通过销售设备和材料来获得利润, 对用户的初始投资要求较高, 从而限制了一部分潜在客户的应用。为推动 3D 打印应用普及, 设备商转向以服务为导向的商业模式创新。如德国企业 EOS 在北美新建 3D 打印工厂, 向下游企业提供 3D 打印服务和面向客户需求的技术创新。Materialise 与微软合作, 构建在线 3D 打印平台, 利用微软庞大的用户群更好的推广业务。我国企业应当抓住 3D 打印发展的机遇, 充分利用本地化优势和个性化服务提供能力, 通过与上下游企业的广泛合作, 构建开放的 3D 打印服务生态, 实现以服务牵引产业发展的创新模式。参考文献1江吉
24、彬.激光熔覆技术研究现状及趋势J, 重庆理工大学学报 (自然科学) , 2015 (1) . 2Wohlers Associates.Wohlers Report 2016R, 2016. 3刘鑫.中美 3D 打印技术专利比较与产业发展对策研究J.情报杂志, 2015 (1) . 4刘业胜.金属材料激光增材制造技术及在航空发动机上的应用J.航空制造技术, 2014 (10) . 5Davis Doherty.Downloading Infringement:Patent Law as A Roadblock to the 3D Printing RevolutionJ.Harvard Journal of Law&Technology, 2012 (26) .
