當3D打印遇上工業4.0是“叫好不叫座”嗎？

• 關鍵詞： 3D打印 工業4.0
• 摘要：新生事物潛入我們生活的速度越來越超出原有的認知和預期。3D打印，這項本已誕生30年卻一直不溫不火的增材制造技術，如今在工業4.0和智能制造大戰略背景的指引下，引發了從上市公司到學校教學，乃至個人創業層面的熱烈追逐

3D打印現狀

　　作為工業4.0最受矚目的技術之一，3D打印在全球范圍內的發展速度用“突飛猛進”來形容毫不為過。但需要注意的是，從經濟性和技術角度看，其定位是對現有制造工藝的補充和完善，而不是對傳統制造業的顛覆，同時，3D打印材料性能還不夠穩定，且材料的通用性比較差、成本高企，也制約著3D打印在工業領域應用的進一步發展。

　　目前，中國的3D打印已在航空航天、汽車、生物醫療、文化創意等領域得到了初步應用，但離實現大規模產業化、工程化應用還有一定距離“與熱鬧的消費級3D打印機相比，工業機的生產與應用要冷清許多。‘高精尖’工業市場畢竟有限，3D打印在其他工業領域的應用還未鋪開。”中國國內現在90%的3D打印企業是做打印“小玩意”的桌面機，工業3D打印機的競爭尚未真正開始材料品種少、價格貴、性能低，正是制約工業級3D打印應用的關鍵。工信部、發改委、財政部出臺的《國家增材制造產業發展推進計劃（2015~2016年）》中，將著力突破增材制造（即3D打印）專用材料，鼓勵優勢材料生產企業從事增材制造專用材料研發和生產，作為推進計劃的第一步。

隨著首個3D打印國家政策的出臺，3D打印在工業領域的機遇和挑戰又一次引發了業內的關注

高精尖領域“嘗甜頭”

　　衛星每減重一公斤，即可減少10萬美元的發射成本。通過運用點對網的3D打印零件，衛星的減重比已達到30%，遠超過去減重13%的期望，華中科技大學研發的大型工業級3D打印機，這臺外觀看起來像大柜子一樣的3D打印機，內里分布著等同于一個制造車間的精密儀器，將物件的三維數據輸入電腦并按下“打印”鍵后，這臺“制造車間”就能在數小時內打印出工業級的零件。

在3D打印工業領域的應用中，航空航天業已經開始有所運用

　　與此同時，3D打印在復雜結構的造型方面還具有獨特優勢。“過去設計師在設計零件時，要考慮工藝性，否則到車間制造時會做不出來。但現在基本只要想象比較合理的，就可以3D打印出來。”

　　能做一些傳統工藝難以做到的“奇形怪狀”的結構。其實，大家能看到的3D打印應用只是冰山一角，某些軍工領域早已成熟運用。而且諸如航空航天等高精尖領域對成本不敏感，零件多為單次小批量生產，恰恰與3D打印的特性相符。

　　《國家增材制造產業發展推進計劃（2015~2016年）》已經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的重要技術手段。結合重大工程需求，在航空航天等涉及國防安全及市場潛力大、應用范圍廣的關鍵領域和重要產業鏈環節實現率先突破，也是國家發展增材制造的基本原則之一。

　　航空航天領域的3D打印應用正熱火朝天，但很多技術在實際應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動條件一旦變了，就不一定行了。”“就像是做宮保雞丁的技術成熟了，但換做熱干面，又不行了，火候、手法還需摸索。”

材料又貴又少成掣肘

　　“3D打印屬于增材領域，所以材料發展是3D打印的物質基礎，材料發展決定了3D打印的應用范圍。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，而傳統減材制造、等材制造的材料有數萬種。

“這就導致了3D打印與工業應用的結合面太窄”

“出現了‘叫好不叫座’的局面”

　　其次，材料的性能還不夠穩定，且材料的通用性比較差、成本高企，都制約著3D打印在工業領域應用的進一步發展，以目前在3D打印工業應用中使用最多的鈦合金材料為例，其一公斤的價格為2000~3000元左右。這意味著做一個20多公斤的零件要花5、6萬元，而傳統鑄造業只用花幾百元就能搞定，這使得3D打印在“高精尖”以外的其他工業領域難以推廣開來，“3D打印的材料最好能降到幾百元一斤，否則太貴了沒人用。”此外，材料的豐富性問題也是其團隊在實踐中遇到的困難。不少材料難以做到工業需求的抗疲勞和高溫耐久等特性，很多應用施展不開。

“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？業內人士指出，業內對3D打印材料的投入還不夠，材料市場尚未形成充分競爭。不少3D打印巨頭又做設備又做材料，材料與設備捆綁式銷售，相對封閉的系統導致成本難以降下來。

“我們現在的感受是，便宜的材料干不了事，能干事的價格又高”

　3D打印不能“包打天下”

　　在國務院5月發布的《中國制造2025》規劃中，有5處提到了3D打印，并將其列為要突破的10個重點領域之一。近年來，國際上3D打印工業級設備商和材料商銷售增幅巨大的事實，被業內視作3D打印的工業應用來到了爆發臨界點。作為全球金屬3D打印設備巨頭之一，德國EOS公司銷售數據的變化暗含著行業趨勢的密碼，目前用于塑料加工的3D打印設備銷售占比為三分之二，但金屬打印設備的成長態勢遠超塑料，很快金屬設備的銷售占比會超過50%。

而用3D打印制造金屬結構件，又是3D打印真正開啟工業化的標志

　　另一家3D打印的原材料公司，鈦粉末材料巨頭加拿大AP&C公司的銷售連續多年維持在50%-60%的增長幅度，對中國市場更是雄心勃勃，他們正通過在中國投資、實現本地化生產的方式，進一步降低3D打印金屬粉末材料的價格。種種跡象表明，3D打印的上游技術正日漸成熟，下游應用也在擴大。但也要看到，目前全球的設備商主要是做非金屬、桌面級3D打印機，做金屬3D打印設備的公司還不到10家。

　　3D打印行業最終的核心競爭力將在工業領域。5年時間里，3D打印行業將實現從消費級應用到工業化應用，從非金屬3D打印設備為主到金屬設備為主的過渡。

全球做金屬3D設備的公司將達到30家，中國將產生10家

　　未來，3D打印能否“包打天下”？從事3D打印研發多年的清華大學教授顏永年并不這么認為，這位被稱作中國3D打印第一人的老人表示，3D打印不是替代傳統的技術，而是補充傳統制造技術的不足，其發展方向應該是和傳統技術相結合。

　　其實，突破材料限制的關鍵手段之一，就是與傳統行業充分結合，并且應該用大型項目來推動3D打印工業領域的重大應用。

　　3D打印與傳統鑄造技術的結合，能補足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打印能推動大項目更有效率的進行。”3D打印將應用在核電主設備制造中，如果用傳統路徑，對鋼錠的材料利用率只有20%；而如果用重型3D打印+傳統鍛造的方式，其制造周期可以縮至過去的1/3，材料利用率將提升至80%。

結語

　　今天的3D打印就像上世紀90年代的互聯網，前端技術、硬件已經積累到一定程度，一旦發展起來，后端的應用規模與產值將會爆發出難以想象的巨大能量。但是，顛覆了傳統制造業理念的3D打印技術，在面對未來不可估量的市場空間時也有點像海市蜃樓，“看得見卻摸不著”。尷尬背后，如何更好地融入現代工業生產體系仍然是個令人沮喪的難題，而且3D打印技術本身在設備質量、材料屬性和服務延伸方面也需要巨大的提升。

來源：文／蜂迷世界（簡書作者）