三维打印产业区域发展现状及思考

张 颖，杨继全

(1．江苏省生产力促进中心，江苏 南京 210042)

(2．江苏省三维打印装备与制造重点实验室，江苏南京 210046)

三维打印技术是融合了电子信息、新材料、高端制造等众多高端前沿领域技术的战略性新兴技术，已被美国、日本、德国等发达国家列入重点发展的高技术领域。三维打印技术无论是面向个人还是企业，都具有广泛的应用领域。三维打印产业有望成为江苏国民经济发展的战略性基础产业。

2013年全球三维打印市场规模接近40亿美元，国内市场规模在3亿美元左右，市场规模还很小，但比2012年增长了1倍［1］。三维打印产业正处于一个快速成长的阶段。为了进一步促进江苏省三维打印技术的发展及产业化，2013年3月“江苏省三维打印产业技术创新战略联盟”正式成立，目前共包括产业链上下游企业、科研院所等50家成员单位。通过调研和咨询，作者对于江苏省三维打印产业发展的基本现状有了较为清晰的认识，阐述了江苏省三维打印产业发展的现状，并总结了三维打印产品发展需克服的局限。为今后该产业的科学规划和健康发展奠定了一定基础。

1 江苏省内三维打印产业发展情况

1．1 骨干企业情况

江苏省三维打印产业的发展起步较早，目前已经形成了以南京紫金立德电子有限公司、南京宝岩自动化有限公司、无锡飞尔康快速制造公司、江苏敦超电子科技有限公司、江苏永年激光成形技术有限公司、苏州秉创科技有限公司等一批具备自主知识产权的骨干企业，这些企业站在了三维打印技术的前沿，具备行业先发优势，其三维打印产品及业务已在国内外具有一定的影响力。例如，南京紫金立德电子有限公司是我国最早实现三维打印机规模化生产制造的企业，拥有全球垄断的LOM(薄片材料叠加工艺)三维打印机技术，具备年产5000台桌面式三维打印机的生产能力，其生产的三维打印机已销往美、德、英、法等30多个国家和地区，并在我国“天宫一号”设计过程中被采用制造一些零部件的测试件;南京宝岩自动化有限公司及江苏敦超电子科技有限公司拥有专利及软件著作权40余项，已经开发出具有自主知识产权的彩色三维打印机、桌面式三维打印机和个人及办公型三维打印机等，目前已经能够实现年销售三维打印机1000台左右;无锡飞尔康快速制造公司利用激光烧结金属粉末成型技术，使用航空级粉末产品净成形加工复杂部件，该企业投产的精密模具加工业务弥补了我国航空航天标准精密模具加工的空白;江苏永年激光成形技术有限公司是我国三维打印技术产业联盟发起单位之一，创新设计并制造了我国第一台透射式光刻成形三维打印机，研发了新型大功率LENS工艺三维打印机。这样一批拥有自主知识产权、在国内外具有一定影响力的三维打印企业已经成为江苏省发展三维打印产业的中坚骨干力量。

1．2 科研院所情况

三维打印技术与材料学、机械制造、自动控制、计算机集成制造等学科紧密相关，而这些均是江苏科教的主要优势领域。南京大学、东南大学、南京理工大学、南京航空航天大学、南京师范大学等主要的研究型大学在上述学科领域的专业大都设有国家或省级重点学科，拥有两院院士、长江学者等一批顶尖专家，培养了大量相关专业人才。在江苏省各级各类科研院所中，也有相当数量的科研院所在上述相关领域具有较强的研究实力。

依托这些高校科研院所，江苏省已经建有一批与三维打印产业相关技术有关联的国家和省级重点实验室、工程技术研究中心等，研发实力居于国内前列，已经掌握部分关键技术。与此同时，江苏在三维打印产业领域已经初步形成了一批具有一定影响力的骨干企业，并成立了“江苏省三维打印产业技术创新战略联盟”。可以说，与国内其他省市相比，三维打印技术从学科建设、研发能力、创新载体、人才队伍等方面综合体现出江苏的比较优势。

2 区域内三维打印领域的重大技术突破

2．1 航空航天典型复杂结构件三维打印成型技术

随着航空航天技术的飞跃式发展，为满足越来越高的性能要求，各种复杂结构金属零部件由设计者提出。但由于传统制造技术和加工工艺的局限性，这些具有复杂结构金属零部件的加工制造变得越来越困难，同时成本也极高。为了能够更好地满足我国航空航天领域快速发展的需求，南京航空航天大学(以下简称南航)与上海航天八院、上海商用飞机有限公司、中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所等航空航天单位一起联合开展了航空航天典型复杂结构件的三维打印成型技术的研究。通过一年的努力，以南航黄因慧、田宗军、顾冬冬等教授为代表的团队成功攻克了基于铝合金、钛合金复合材料的三维打印成型技术。铝合金由于对于激光的高反特性，一直是三维打印成型领域的难点，但其结构材料在航空航天领域又大量应用，因此南航团队从原材料—工艺实验—性能评价整个体系入手，解决了铝合金材料的激光三维打印技术难题，其水平已经达到了国内领先、国际先进水平。另外，在钛合金材料三维打印成型方面，南航团队展开了TC4TiC型钛合金复合材料的三维成型技术研究，通过对原材料制备过程的优化、成型工艺过程控制、在线退火技术的应用，使得成形件的性能水平大幅提高，整体水平达到了国内领先、国际先进水平。部分研究成果见表1。

表1 南航团队研究成果

2．2 面向生物医学工程的三维打印成型技术

由于金属三维打印技术可制作几何形状任意复杂的实体，而不受传统机械加工方法中刀具无法达到某些型面的限制，能以很小的制造成本、很短的制造周期，制作出任意复杂形状的人工植入物原型，为术前的植入模拟提供了便利条件，从而可提高手术的效率和准确性，因此在其一开始出现便引起了医学界的重视。在该研究领域，2013年刚刚成立的南京增材制造中心(中国三维打印研究院)积累了相当丰富的经验，在卢秉恒院士的带领下，南京增材制造中心与中国人民解放军总医院301医院、中国人民解放军第四军医大学附属医院展开了三维打印医学植入体和牙齿的研究。该团队从植入体的设计入手，与西安交通大学、上海交通大学等高校合作，对植入体的形状、孔隙率、力学性能、生物相容性等多方面进行研究，最后由合作医院做可行性测试，成功开发出各类医学植入体和金属牙齿，目前已经开始进行有关单位的各类认证手续，其技术水平已经达到了国内领先、国际先进水平。部分医学研发成果见表2。

表2 生物医学研发成果

同时，江阴瑞康健生物医学科技有限公司在“三维细胞培养支架”方面拥有完整的自主知识产权，相关产品已经上市。该公司在利用三维打印技术制作可修复血管支架等组织工程支架方面，技术达国际领先水平。

2．3 高性能复杂金属结构件激光三维打印成套装备及核心器件

目前，国际上公认的基于送粉和铺粉式金属激光三维打印机均产自德国或美国，虽然其成形精度和可靠性能较好，但德国EOS公司的金属三维打印机Phenix system每台售价高达300万元人民币甚至更贵，并且在成形的材料上必须使用该公司的系列产品，否则零件的成形效果就达不到质量要求。同时，由于为了保证成形件精度采用微细光斑进行加工，其成形效率太低，很难满足钛合金等大型结构件的加工要求。另外，虽然采用送粉式的金属三维打印机具有更高的成形效率，但其造价也同样极其昂贵，仅高功率光纤激光器一项而言，报价就高达数百万，并且其关键核心技术对我国进行封锁。

与国外的金属三维打印机相比，虽然北京航空航天大学、西北工业大学等少数研究机构已经掌握了钛合金、不锈钢等复杂金属结构件的激光三维打印工艺，但其激光成形系统也均是基于国外激光器开放系统自己搭建的激光三维打印平台，对于整体市场而言，目前国内还很难买到一款利用专有技术开发的金属零件激光三维打印机。

综上所述，从市场角度而言，国内金属零件激光三维打印机的相关设备落后于欧美，国外相关设备供应商对我国的定位策略是“国外关键设计及制造技术垄断，非关键设备国内部分制造”。其中的关键技术，例如大功率光纤激光器、软件系统、闭环控制系统等核心技术依然对中国封锁。而从技术角度来讲，目前国内金属激光直接成形工艺成熟度及技术创新性则与国外相差无几，有部分技术甚至超越国外大公司。因此，相比较已经取得创造性成绩的金属零件激光直接成形技术，国内相关设备制造商更需解决的是高效、稳定、应用性强的金属激光三维打印成形系统的研制问题。

针对上述问题，南京中科煜宸公司与南京先进激光技术研究院进行“高性能金属结构件激光三维打印成套装备及核心器件”的研究，目前该团队研发的大型金属三维打印机已经成功应用在歼15战斗机核心部件的制造上。同时研发的精密金属三维打印机也已经投入生产运营中。产品从设计到制造的关键核心技术均实现了国产化，尤其是高功率光纤激光器也实现了国产化，产品的总体水平达到国内领先、国际先进水平，将加快推进我国特别是江苏地区三维金属打印装备的研发进程。团队研发的三维打印机及零部件见表3。

表3 激光三维打印机及零部件

除此之外，江苏永年激光成形技术有限公司创新设计并制造我国第一台透射式光刻成形三维打印机，自主研发采用1 000W激光器对建筑陶瓷粉末进行分层选择性熔覆的三维打印成形设备，获得2013年江苏省科技支撑计划。研发并承建新型大功率激光三维打印成形制造系统，在国内率先提出将多台激光器组成激光网络，与多台金属熔覆、熔化和烧结成形终端，通过CMIS技术集成，形成L－SS平台，可大大提高激光器和三维打印设备的使用效率，节能并扩大了应用服务范围。预计首套4 000W激光器的L－SS平台将于2014年6月完成。

2．4 面向微零件和精密制造的三维微打印设计与成型技术

三维微打印为三维打印领域在精密制造、微系统制造方面的前端技术，可广泛应用在微系统或微机电系统(MEMS)设计与制造、生物组织工程制作等领域，在国内外已形成研究热点［2］。以南京理工大学侯丽雅与章维一教授为学术带头人，是国内最早从事三维微打印研发的科研团队，其在基础理论、成型工艺、控制平台、软件平台等方面都有深入研究。在国家“863”计划、国家自然科学基金和省科技厅多个项目资助下，“微流体数字化技术”被《科技导报》(中国科学技术协会会刊)遴选为“2004年中国科学、技术与工程重大进展”之一。“微流体数字化技术及其应用”在第九届中国国际高新技术成果交易会上获得“优秀产品奖”。

该研究团队先后研发了国内第一台微小机械光成型实验系统、微流体数字化喷射打印实验系统，研制出了微流体脉冲喷射仪及配套微流体器件制备仪，研究了非IC法微制造的冷热加工工艺，制作出了若干种微流体喷嘴并成功应用于数字化微喷射制造，实现了功能梯度材料及材料芯片的打印制备、基于石蜡打印的纸质微流体器件制作、可燃气体传感器敏感元件上敏感材料的微打印涂覆，以及纳米银导电图形薄膜的微打印［3］。部分研发成果如图1～4所示。

图1 压电式微流体脉冲驱动－控制系统

图2 电磁式微流体脉冲驱动－控制系统

图3 拉锻集成式玻璃微喷嘴制作仪

图4 微打印技术制备的Cu/Cr功能梯度材料

2．5 数字化高速微滴喷射三维打印成型技术、设备开发及应用

基于数字化微滴喷射工艺的三维打印技术是三维打印领域最具有竞争力和发展前途的成型技术，该成型技术可实现高速、高精度、全彩色、多材料三维打印成型，主要包括彩色三维打印成型技术、UV光固化喷墨成型技术两种，此两种技术和产品分别为三维Systems公司和Stratasys公司所垄断，国内尚无同类技术及设备。

为此，在“江苏省三维打印产业创新战略联盟”统一协调下，建立了产学研合作体系，进行了该技术的联合攻关，由江苏紫金电子集团、南京师范大学和南京航空航天大学、南京宝岩自动化有限公司等单位承担江苏省重大科技成果转化项目，开展彩色三维打印的关键核心技术研发、设备成套制造和产业化应用;由江苏省生产力促进中心、江苏敦超电子科技公司、苏州秉创公司、南京航空航天大学、南京师范大学等单位承担江苏省科技支撑专项，开展UV光固化喷墨成型技术的关键核心技术研发、成型装备研制、材料国产化等工作。

该领域的主要技术突破和创新点在于:彩色三维设计技术、彩色三维扫描技术、彩色三维打印装备、高效长寿命UV光学系统、高性能复合材料与评价技术等［3］。

2．6 面向三维打印的三维扫描数据获取技术和软件设计技术

面向三维打印领域，融合扫描技术、逆向设计、正向设计等为一体的快速设计CAD系统是帮助设计师们加快开发周期的有效途径。但这类技术需要很深的技术积累和多年的研发投入，目前国内在此领域几乎处于空白。

江苏省以东南大学达飞鹏、南京航空航天大学程筱胜与南京师范大学杨继全为代表的科研团队在此领域分别进行了较为深入的研究。主要包括快速高精度三维扫描技术、自由曲面模型快速设计技术、多材质三维打印建模技术、三维打印后处理技术、三维扫描与设计一体化设计系统研发等，为发展扫描、设计、打印制造一体化、高集成、快速的三维打印产业链提供技术支撑。图5～8为团队研发成果中的部分三维数据处理实例。

图5 扫描数据配准

图6 球孔洞模型修补

图7 细分曲面变形设计

图8 多材质建模

2．7 大型物体和实体建筑三维打印关键技术及高端成型装备研制

此方向目前已是国际，尤其是欧美国家竞相重点发展支持的领域，该技术可以实现大型建筑物或巨型雕塑的快速、自由成型，是三维建筑艺术设计、特种建筑成型材料、高速度三维打印成型的系统性集成，将引领建筑业、建材业、艺术设计、雕塑、文创产业等领域的革命。

以江苏省三维打印装备与制造重点实验室(南京师范大学)为技术牵头单位，联合国内外多个科研院所和建筑企业形成的跨学科建筑打印研发团队是当前国内唯一一个开展该新领域研究与开发的科研团队，与国外保持同步，在结构设计、软件开发和材料研发等方面均居于国际先进水平，1～2年内将形成相对完善的集三维建筑设计、特种建筑材料和巨型三维打印装备的知识产权体系。图9为正在实施打印的实体建筑。

图9 正在实施打印的实体建筑

3 三维打印产业发展需克服的局限

三维打印仍然是处于成长过程的技术，还不够成熟，目前主要用于个性化的单件生产。三维打印的主要局限如下:

a．以企业为主体的三维打印关键核心技术和装备研发力度仍较弱。

三维打印未来发展的目标应做到如下4个方面:傻瓜式设计、一键式操作、宜人型材料、平民化价格。应建立以企业为主体的、集“政、产、学、研、经”为体系的三维打印关键核心技术和装备研发联合攻关局面，鼓励各类传统产业积极转型，吸引更多基金和资金投入到该领域，逐步建立完整的上中下游产业链。

b．三维打印应用领域引导和推进力度较弱。

可以分行业进行引导和推进:(1)在教育领域，包括大学所使用三维打印技术和设备的比例都还非常低，而在已经运用三维打印技术和设备的教育机构，其使用率和效率仍相对较低。(2)在医疗领域，国内一些大型医院虽已尝试着应用三维打印，但往往是出于科研目的，没有走向真正为病人服务的通用化与常态化。三维打印在国内医疗领域的应用水平与美国相比仍有相当大的差距。(3)在工业、办公领域以及其他行业，也可以通过建立一些示范性工程，进行三维打印的普及或推广。

c．在三维打印领域的人才培养与引进力度仍很薄弱。

引导国内高校科研机构以及全球的三维打印研发团队进行科研成果转化，培养高端的三维打印研发人才、应用型技术人员和产业工人，逐步形成三维打印产业大军。

d．针对三维打印产业的专项资金支持、科技招商与融资体系尚处于初级阶段。

作为一个新兴产业，很多小型公司在创业阶段会严重缺少资金，在政府的各个产业政策里虽然有一些规定，但没有落到实处，这对于科技工作者创业是一个非常难的问题，所以在科技招商和融资方面，政府部门、开发园区和投融资等部门应该合力为创业型企业创造完善的投融资平台和创业环境。

［1］ Terry Wohlers．Wohlers Report2013［C］//Additive manufacturing and 3D printing state of the industry．Annual worldwide progress report．Colorado:Wohlers Associates，Inc，2013:122 －176．

［2］ 杨继全，冯春梅．3D打印－改变未来的制造技术［M］．北京:化学工业出版社，2014．

［3］ 杨继全，戴宁，侯丽雅．三维打印设计与制造［M］．北京:科学出版社，2013．