3D打印技术瓶颈核心有哪些？

王镓垠

近年来被媒体热炒、官方追捧的3D打印技术，相较于传统去除多余材料形成零部件的机加工生产方式，其新颖的增材制造的理念在上世纪80年代一经推出，即受到学界、媒体和民众的热捧。

随着其核心部件如激光、高精度电机、加热喷头等相关技术的逐步发展与性能的提升，加之诸如打印汽车、枪支、食品、器官等炒作事件被媒体推波助澜的报道，3D打印这一概念的关注度在近5至8年间被提升到相当高的位置，其产值和应用范围被媒体、民众和政府严重高估。但2013年初开始的3D打印股票接连下挫的市场行为，使得3D打印概念广泛被各类券商、基金等投资机构看空，且媒体相关报道趋向理性和全面，导致存在于3D打印这一被持续热捧概念中的泡沫开始破裂。国内市场上如乐高股份、光韵达等多支3D打印明星股开始大幅下挫，国际市场上除3D打印龙头3D Systems和Stratasys由于企业并购等利好因素导致股价上扬之外，其他3D打印股价均回归低位。这一市场行为的直接原因在于，3D打印还未形成广泛的工业应用，不存在实际的完整产业链条。3D打印不能大面积应用的最重要原因在于各类适用材料不能满足设计要求，3D打印材料是3D打印产业发展的技术瓶颈。

目前3D打印技术的核心在于打印材料

各类3D打印材料直接影响打印产品性能和后续工艺

所谓3D打印材料，是增材制造（即3D打印）技术用于逐层堆积制作零部件的基础原材料和技术核心，科研人员针对不同类型和性质的原材料开发出原理大相径庭的各类3D打印技术。目前市场上主流的3D打印工艺类型有选择性激光烧结（SLS）、光固化成型（SLA）、丝材熔融挤出成型（FDM）、液体喷印成型（3DP）、分层实体制造（LOM）以及上述类型相应的细分衍生技术等，其应用材料则包含金属粉末、高分子聚合物、光敏树脂、聚乳酸、无机材料粉末、生物高分子材料等，涵盖范围十分广泛。

由于3D打印技术采用在水平面内逐行成型、在三维结构内逐层堆积的技术原理，致使打印材料的性能直接决定成品的强度、刚度等力学性能，粗糙度等表面质量，以及防潮性、热稳定性、生物相容性等其他特殊性能。材料性能又能进一步影响热处理、表面理化处理、精加工、抛光镀膜等后续工艺，直接影响生产成本和成型效率。随着其他相关零部件技术的不断提高，3D打印材料的地位不断提升，其性能已成为当前影响3D打印技术发展和产品应用的核心问题。

打印材料是促进3D打印设备及零部件技术创新的原动力

目前在常用3D打印材料种类基本稳定的前提下，企业期望提升产品质量、提升产品竞争力、扩大市场份额，就需要对打印设备的总体设计进行优化，对成型工艺进行创新，对加热制冷喷头、三维运动机构、步进伺服电机、激光束电子束发生器、送料装置等一系列打印设备组件进行技术升级，以提高3D打印设备的市场竞争力，提高3D打印产品的力学性能、表面质量，减少预处理、后处理工序，节约成本提高生产效能。例如，选择性激光烧结（SLS）技术针对不同材料提升激光束质量、设定相应聚焦点尺寸和激光强度，熔融挤出成型（FDM）技术研究喷头加热温度对ABS塑料熔丝尺寸和成型性能的影响，设备中三维运动机构提高精度的改进，步进、伺服电机的响应速度和精度的提升，均是在打印材料的需求影响下进行的技术提升和创新，打印材料的需求可在相当大程度上影响3D打印技术的发展趋势。

打印材料在3D打印产业内占有重要市场份额

3D打印产业包含打印设备、打印材料和打印服务三大类。据统计，2013年全球3D打印产业中，打印设备产值和打印材料产值比重相当，分别为38.6%和37.2%，均超过总产值40.1亿美元的三分之一，打印服务产值占比略小，为24.2%。打印材料业务可较大程度影响3D打印企业的生存发展，如全球3D打印龙头3DSystem公司由于其打印耗材需求量大增，导致其在2012年底收购了多家材料生产企业，材料业务的增长最终使其在2013年全年实现45%的营收增速，在全球3D打印泡沫开始破裂时逆势增长。由于目前应用于3D打印的材料种类较少，大量材料的应用潜能还未开发出来，随着技术的提升将开发更多类型材料投入应用，打印材料在全行业总产值所占比重将进一步提升，打印材料可能成为整个3D打印产业产值最高的一环。

当前3D打印材料在应用领域面临的突出问题

性能或效率不符合要求，无法满足工业生产需要

总体来说，3D打印材料成型出的产品普遍具有强度刚度低、表面质量差且具有台阶型纹路、生产效率低等共同缺点，在采用不同工艺技术路线时还暴露出了其他特定加工成型的劣势。3D打印技术必须和其他技术进行复合才有可发展的市场空间。相比于传统的铸造、车铣、锻压、焊接等金属机加工生产方式和模具浇灌等非金属材料生产方式，3D打印技术成型耗时长而效率低。仅在生产复杂结构零部件或设计原型时，3D打印技术凸显出一定的加工优势，但其产品的性能在多数情况下还不能满足使用要求。

金属是3D打印最为广阔的潜在市场。但在金属材料打印时，仅支持十多种金属进行加工，如特定几种铝硅合金、钛合金、镍合金和不锈钢，且需要预先制成专用的金属粉末；打印出的金属制品致密度低，最高能达到铸造件致密度的98%，远低于锻造件的力学性能；打印制品表面质量差，精度2～10μm，需要打磨抛光机加工等后处理；3D打印具有复杂曲面的零部件时，支撑材料难以去除。目前金属打印产品极少能作为零部件直接组装应用。

无机材料打印主要用于生产陶瓷结构，适用材料范围极窄，如陶瓷粉、粘土和粘合剂等，且打印完成后需要再进行后处理和高温烧结，与其他3D打印制品类似，打印出的结构表面精度差、力学性能差。最大劣势在于其生产效率远低于其他生产方式。

近年来生物组织打印被媒体热炒，众多高校和科研机构参与其中。但仅支持明胶、胶原与合成高分子混合物等几种材料；打印出的结构生物相容性较差，孔隙率小且孔洞分布不均匀，细胞附着生长繁殖率低。目前在全球范围内的生物打印仅对组织器官进行结构模仿，并未出现拥有特定理化功能的生物打印成功案例。

少数技术成熟的打印材料应用市场狭小

在众多3D打印技术中，熔融挤出成型（FDM）和光固化成型（SLA）研究较为深入，技术较为成熟。FDM技术采用ABS塑料、聚乳酸、尼龙等热熔性材料进行零部件成型，能实现较好的成型精度和表面质量，精度在0.08mm以内；SLA技术采用光敏树脂进行成型工作，成型精度和表面质量比FDM更加优异，精度在0.05mm以内。但上述两项技术所用材料仅能应用于工艺品、展示模型、设计原型制作等领域，应用范围较为狭窄，其在零件装配可行性方面的市场份额也被功能更为强大的绘图软件所取代。

新材料概念多于实用技术，媒体炒作屏蔽应用劣势

各3D打印企业出于宣传公关、公布利好等目的，定期会将几种新材料推向市场，尤其是行业内龙头企业，其产品名录包含几十乃至上百种类的材料。但经仔细研究发现，绝大多数材料是已经量产材料的类似物，仅在同种类别内进行相应研发，并无实质上的创新材料推出。企业定期向市场宣称有新材料应用时，炒作新材料概念赢取股价上涨的公关意义大于推出有效创新提升技术水平的研发意义。

近年来全球及国内媒体疯狂炒作3D打印概念，诸如打印汽车、枪支、食品、器官等新闻不断见诸报端，赋予3D打印“第三次工业革命”的意义，误导民众认为3D打印是制造一切产品的解决方案，而对其打印材料的局限性、打印成本等问题则避而不谈。例如，3D打印金属手枪并试射子弹的报道，着重强调其创新应用，而隐瞒了金属材料无法达到要求，在试射几发子弹之后枪管爆裂的事实；3D打印人造器官的报道，并未深究其试验产品不具备任何生物理化性能，天然高分子材料中的细胞无法建立联系形成组织，细胞无法成活的现状，所谓产品仅是形状类似的表面功夫；3D打印汽车的报道，并未和传统方式制造的汽车进行性能对比，未做碰撞测试确定材料强度性能，且汽车动力总成、悬挂、底盘、转向等均为传统方式制造，仅有外壳和面板由3D打印生产，最重要的是相比于传统制造方式，3D打印效率低下、成本高昂则未被提及。3D打印技术的媒体炒作严重干扰了各级政府规划和招商的判断能力，其被沦为部分国内企业从地方政府圈钱的财富工具。3D打印的市值被严重高估，事实情况是目前全球3D打印产值总额不到富士康某个新建工厂的年产值。

逐步解决我国3D打印材料问题的对策建议

加强顶层设计与发展指导

首先应坚持并增大3D打印产业，尤其是3D打印材料产业的政策扶植力度，定期出台文件指导3D打印产业在不同时期内有侧重点的发展，将面向工业生产及航空航天的金属打印材料研发作为产业提升和促进的主要方向。梳理亟待解决的金属3D打印关键技术，列入国家和地方科技发展计划，加大研发扶植力度。其次，集中优势力量开展提升3D打印材料力学性能、致密性和成型精度的专题研究，持续举办发展论坛并适当予以引导和支持。再次，将3D打印阶段性成果以及创新技术成果实时向汽车、船舶、机加工、航空航天等大规模制造型企业进行示范推广，寻找产业结合点，创造市场需求，并支持产业内上下游企业间的合作，建立3D打印产业与制造业之间面向市场需求的沟通研发长效机制，发掘新型的产业交叉盈利模式。最后，联合高校等科研机构，建立3D打印企业，尤其是3D打印材料生产企业的金属材料创新研发平台，予以一定资金和政策支持，引导企业和高校联合集中优势研发力量攻克3D打印材料技术瓶颈。

加强定向高技术人才培养

建立高校培养、企业实践、面向研发需求应用的链条式人才培养机制，对有利于解决金属3D打印形成大规模工业化生产需求的人才进行重点培养。首先，加大高校和其他科研机构在金属材料打印工艺、力学性能、合金新材料开发、精度提升等科目的资金投入，设立重大科研成果奖励机制，鼓励社会和企业资金对高校优秀人才进行奖励资助。其次，加强3D打印产业相关技术的知识产权保护力度，强化知识产权成果转化，针对我国国情开展知识产权防护和风险分析以及战略保护等内容的系统培训。企业内部应加大知识产权保护培训力度，建立完善的内部提拔合格人才的选拔机制。再次，对本领域国际专家进行试点引进，吸引海外华人学者回国发展、创业、投资。最后，针对打印材料领域内培养或引进的高端人才，为其提供生活便利。通过降低企业社保负担、增加工资补贴、便利子女入学等方式，增强企业对专业相关人才的吸引力。

创立需求、应用、研发互动信息平台

在3D打印企业、高校科研机构、潜在市场应用企业和相关政府部门之间搭建以3D打印供需为主导的、解决研发技术问题为目的的全面信息平台。在3D打印企业和大规模生产性企业之间互通有无、明确需求、开发潜在应用之后，3D打印企业可将生产技术难题及时与高校等科研机构沟通合作，面向需求解决问题；同时高校可提出前瞻性潜在应用，联络3D打印企业和潜在市场需求企业进行联合应用开发；借助此平台还可及时向各方提供政府在3D打印及相关产业的建设思路和扶植力度，在政府政策引导下找对方向快速发展。

鼓励企业上延下拓集群发展

学习3D打印行业龙头3D System和Stratasys的成功经验，通过资本运作和企业并购将材料、零部件、销售等上下游企业纳入公司自身管理范围，壮大技术和资金实力，节约生产成本提高效益。鼓励和引导企业围绕核心业务，拓展服务业务，通过融资、并购、租赁等资本运作手段整合上下游发展势头较好、技术水平较高、管理水平完善的配套企业。鼓励促进企业间交流合作，支持产业链上下游企业聚集发展，鼓励开拓产品增加附加值的企业行为。

（本文转自《装备制造》）