產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展 3D打印如何闖出“新天地”
從關(guān)節(jié)靈活、一體成型的玩具中國(guó)龍，到依據(jù)患者特點(diǎn)量身定制的骨骼模型，再到與人體骨組織結(jié)構(gòu)高度相似的椎間融合器……在日前閉幕的2024年中國(guó)國(guó)際服務(wù)貿(mào)易交易會(huì)上，除了人形機(jī)器人、低空無(wú)人飛行器等高科技應(yīng)用，各式各樣的3D打印產(chǎn)品也賺足了眼球。
隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，3D打印逐漸成為推動(dòng)我國(guó)新質(zhì)生產(chǎn)力培育發(fā)展的重要力量，其應(yīng)用場(chǎng)景正在不斷拓展，還吸引了不少年輕人緊抓機(jī)遇，在相關(guān)領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)。
國(guó)家統(tǒng)計(jì)局日前發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2024年上半年，我國(guó)3D打印設(shè)備產(chǎn)品產(chǎn)量同比增長(zhǎng)51.6%，其增長(zhǎng)率遠(yuǎn)超新能源汽車的34.3%和集成電路的28.9%。同時(shí)，海關(guān)總署的數(shù)據(jù)顯示，今年1月至7月，我國(guó)3D打印設(shè)備出口量和出口額也都實(shí)現(xiàn)了兩位數(shù)高速增長(zhǎng)。
一系列數(shù)據(jù)反映出我國(guó)3D打印行業(yè)的強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭。也有專家注意到，產(chǎn)銷兩旺背后，我國(guó)3D打印行業(yè)要闖出“新天地”，在技術(shù)迭代、場(chǎng)景應(yīng)用、材料創(chuàng)新等方面還有一些瓶頸亟待突破。
加速賦能傳統(tǒng)制造業(yè)
“3D打印”是增材制造技術(shù)的一種俗稱。增材制造以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，通過(guò)將材料逐層堆積制造零件或?qū)嵨铮且环N“自下而上”的制造方法。雖然沒(méi)有等材、減材制造發(fā)展時(shí)間長(zhǎng)，但如今，增材制造也已成為推動(dòng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要力量。
廣東科恒科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“廣東科恒”）是東莞有名的手板樣機(jī)制造企業(yè)，該公司市場(chǎng)總監(jiān)耿安東告訴中青報(bào)·中青網(wǎng)記者，早在2008年，他們就開始用3D打印技術(shù)生產(chǎn)手板樣機(jī)。
“手板樣機(jī)指的是用來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否符合要求、測(cè)試產(chǎn)品可行性的小批量產(chǎn)品樣品，通常在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段和產(chǎn)品生產(chǎn)之前制作。”耿安東說(shuō)，在沒(méi)有3D打印技術(shù)前，手板樣機(jī)大多采用數(shù)控加工等方式生產(chǎn)，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，大大提升了手板樣機(jī)的生產(chǎn)效率，進(jìn)一步降低了成本。
以汽車設(shè)計(jì)制造為例，耿安東介紹，一款新汽車底盤在研發(fā)過(guò)程中要經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，最開始可能只是驗(yàn)證它的外形、尺寸等是否符合裝配要求，如果用傳統(tǒng)工藝制造汽車底盤手板樣機(jī)，流程復(fù)雜，且需要幾個(gè)月的時(shí)間，“但利用3D打印技術(shù)，只需要花費(fèi)一周，就能制作多個(gè)汽車底盤手板樣機(jī)，然后直接送到汽車廠用于產(chǎn)品驗(yàn)證”。耿安東告訴記者，目前，廣東科恒的工廠內(nèi)有超過(guò)1000臺(tái)工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)。而在該公司生產(chǎn)的手板樣機(jī)中，有近80%的產(chǎn)品是通過(guò)3D打印制造的。
“相較于傳統(tǒng)制造工藝，3D打印技術(shù)的成型、加工、制造過(guò)程簡(jiǎn)單，拿到數(shù)字模型圖紙之后，只需要通過(guò)電腦控制發(fā)出指令，就可以直接打印出實(shí)物。”上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授王洪澤說(shuō)。王洪澤長(zhǎng)期從事增材制造與激光制造研究，他認(rèn)為，通過(guò)簡(jiǎn)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)，3D打印有效節(jié)省了材料消耗和人工成本。“同時(shí)，3D打印還具有輕量化、實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。”
其實(shí)，2012年，3D打印就被列入了國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃），相關(guān)政策提出要突破3D打印制造技術(shù)中的核心關(guān)鍵技術(shù)，研制重點(diǎn)裝備產(chǎn)品。近年來(lái)，增材制造（3D打印）作為我國(guó)智能制造的關(guān)鍵領(lǐng)域，多次出現(xiàn)在《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要等頂層規(guī)劃中。
2021年發(fā)布的《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》明確提出，要加強(qiáng)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，其中，增材制造作為先進(jìn)工藝技術(shù)，被列入“智能制造技術(shù)攻關(guān)行動(dòng)”重點(diǎn)攻關(guān)的關(guān)鍵核心技術(shù)目錄。
目前，3D打印還被應(yīng)用于航空航天開發(fā)和小批量制造、汽車快速開發(fā)及輕量化、精準(zhǔn)醫(yī)療、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域。“比如齒科經(jīng)常會(huì)用到的人造牙齒、手機(jī)等電子產(chǎn)品的外殼、航天飛行器的重要零部件等，有很多產(chǎn)品或零部件都來(lái)自3D打印。”王洪澤說(shuō)，隨著技術(shù)的一步步迭代和完善，3D打印逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)應(yīng)用，賦能傳統(tǒng)制造業(yè)，發(fā)揮著“降本增效”的作用。
東莞順林模型禮品股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“東莞順林”）是一家專門從事汽車模型、潮流玩具生產(chǎn)的企業(yè)。該公司有一款原創(chuàng)IP潮玩——“胖噠”，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，“胖噠”經(jīng)過(guò)了數(shù)十次3D打印驗(yàn)證。“每次打印出來(lái)，我們都會(huì)對(duì)實(shí)物進(jìn)行效果評(píng)價(jià)，然后再有針對(duì)性地對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行完善。”東莞順林董事長(zhǎng)劉學(xué)深說(shuō)，利用3D打印進(jìn)行新品輔助設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為玩具產(chǎn)品開發(fā)的重要環(huán)節(jié)。
3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的滲透也有目共睹。在服貿(mào)會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，幾乎在每家醫(yī)療企業(yè)的展臺(tái)，都能看到3D打印產(chǎn)品的身影，納通科技集團(tuán)帶來(lái)了一款3D打印脊柱椎間融合器產(chǎn)品。納通科技相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，普通的椎間融合器采用機(jī)械加工的方式制造，尺寸、型號(hào)相對(duì)固定，但通過(guò)3D打印，可以根據(jù)患者的關(guān)節(jié)特征等實(shí)現(xiàn)椎間融合器定制化，“同時(shí)，3D打印技術(shù)還可以在融合器上形成特定的微孔結(jié)構(gòu)，方便后期骨長(zhǎng)入，更有利于患者恢復(fù)”。
王洪澤表示，長(zhǎng)三角、粵港澳大灣區(qū)等地是我國(guó)3D打印設(shè)備需求相對(duì)集中的區(qū)域。上述地區(qū)具有比較發(fā)達(dá)的制造業(yè)基礎(chǔ)，3D打印機(jī)作為重要的制造輔助設(shè)備，在當(dāng)?shù)赜休^大的消費(fèi)市場(chǎng)。“同時(shí)，武漢、西安等高校和科研院所集中的城市和地區(qū)對(duì)相關(guān)設(shè)備的需求也比較大。”
相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截至2023年年底，我國(guó)國(guó)產(chǎn)3D打印裝備擁有量占全球裝備的11.5%，處于全球第二，而消費(fèi)級(jí)非金屬3D打印裝備市場(chǎng)占比則位居全球首位。“隨著‘3D打印+’的深入開展，增材、減材與等材制造將走向互融互通。不同制造技術(shù)各顯其長(zhǎng)，發(fā)揮合力，共同推動(dòng)我國(guó)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。”中國(guó)工程院院士、西安交通大學(xué)教授、國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心主任盧秉恒說(shuō)。
消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)市場(chǎng)迎來(lái)爆發(fā)
在3D打印領(lǐng)域，打印設(shè)備主要分為工業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)。不同于工業(yè)級(jí)設(shè)備，消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)專為個(gè)人用戶和小型企業(yè)設(shè)計(jì)，一般采用FDM（熔融沉積成型）、LCD光固化成型等技術(shù)，操作簡(jiǎn)便、成本相對(duì)較低，也被稱為桌面級(jí)或入門級(jí)3D打印機(jī)。
從醫(yī)療器械到高端零配件，再到住宅建筑，3D打印加速賦能傳統(tǒng)工業(yè)制造的同時(shí)，消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)市場(chǎng)也迎來(lái)了空前爆發(fā)。根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)KBV Research的統(tǒng)計(jì)，2022年，全球消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為25.03億美元，預(yù)計(jì)到2028年將達(dá)到71億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為19.2%。
“目前，消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)以打印塑料產(chǎn)品居多，比如玩具、文創(chuàng)等。”王洪澤認(rèn)為，隨著技術(shù)的迭代更新，消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)在打印效果、打印速度等方面有了持續(xù)性的提升，且使用門檻和產(chǎn)品單價(jià)明顯下降，這都促使3D打印獲得了市場(chǎng)的更大關(guān)注。
深圳市創(chuàng)想三維科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“創(chuàng)想三維”）是一家專門從事3D技術(shù)研發(fā)的國(guó)內(nèi)企業(yè)，該公司華北區(qū)域銷售經(jīng)理耿雨萌介紹，目前，消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)被不少潮流玩具設(shè)計(jì)師用來(lái)初步實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意，還有消費(fèi)者購(gòu)買大批量的3D打印設(shè)備開辦“3D打印工廠”，對(duì)外提供打印服務(wù)。而“3D打印農(nóng)場(chǎng)”遍地開花，也被市場(chǎng)普遍認(rèn)為是相關(guān)技術(shù)越來(lái)越被市場(chǎng)認(rèn)可的一種表現(xiàn)。
所謂“3D打印農(nóng)場(chǎng)”，就是指多臺(tái)消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)在同一個(gè)操作環(huán)境中集中運(yùn)行，用來(lái)小批量生產(chǎn)或快速制造各種產(chǎn)品。管理運(yùn)營(yíng)“3D打印農(nóng)場(chǎng)”的人則被稱為“農(nóng)場(chǎng)主”。“如果把‘3D打印農(nóng)場(chǎng)’看作是一個(gè)小型工廠，那生產(chǎn)線就由一臺(tái)臺(tái)3D打印機(jī)組成，我們只需在切片軟件（3D打印的模型管理系統(tǒng)——記者注）中設(shè)置好參數(shù)并加載原材料，打印機(jī)就能按照設(shè)定好的程序批量制造出性能一致的產(chǎn)品。”3D打印行業(yè)垂直平臺(tái)“3D打印資源庫(kù)”的創(chuàng)始人譚文杰解釋道。
如今，越來(lái)越多年輕人投身到“3D打印農(nóng)場(chǎng)”創(chuàng)業(yè)中，朱朝文就是其中之一。他在江西南昌經(jīng)營(yíng)著一家規(guī)模達(dá)300臺(tái)打印機(jī)的“3D打印農(nóng)場(chǎng)”，平常會(huì)承接一些打印玩具、文創(chuàng)產(chǎn)品的訂單。趕上旺季，他家“農(nóng)場(chǎng)”每天24小時(shí)“連軸轉(zhuǎn)”。此外，他還是江西小有名氣的3D打印設(shè)備代理商。今年3月開始做設(shè)備代理以來(lái)，他賣出的3D打印機(jī)已經(jīng)有大幾千臺(tái)。
根據(jù)“3D打印資源庫(kù)”的不完全統(tǒng)計(jì)，目前，全國(guó)有1000多位“農(nóng)場(chǎng)主”，每位“農(nóng)場(chǎng)主”擁有的設(shè)備數(shù)量從幾臺(tái)到上千臺(tái)不等。“這些‘農(nóng)場(chǎng)主’掌握著超過(guò)5萬(wàn)臺(tái)3D打印機(jī)，展現(xiàn)了‘3D打印農(nóng)場(chǎng)’行業(yè)的增長(zhǎng)速度。”譚文杰回憶，今年4月，上面的數(shù)據(jù)還只是兩萬(wàn)多臺(tái)，“短短4個(gè)月，漲了近1.5倍”。
值得注意的是，海外也正在成為我國(guó)消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)重要的終端市場(chǎng)。海關(guān)總署日前發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，今年1月至7月，國(guó)產(chǎn)3D打印機(jī)出口量為210萬(wàn)臺(tái)，出口金額超過(guò)49.9億元，較去年同期分別增長(zhǎng)了36.3%和75.6%。如今，在電商平臺(tái)Amazon（亞馬遜）上搜索“3D打印機(jī)”，銷量排名靠前的幾乎都是中國(guó)品牌。
近幾年，多家國(guó)內(nèi)3D打印領(lǐng)域頭部廠商年?duì)I收突破10億元大關(guān)，小米、安克等公司也紛紛進(jìn)軍3D打印。市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)CONTEXT此前發(fā)布的報(bào)告提到，2023年，全球入門級(jí)3D打印機(jī)出貨量同比增長(zhǎng)19%，其中約94%的出貨量由中國(guó)供應(yīng)商完成。耿雨萌則提到，目前，創(chuàng)想三維3D打印機(jī)的銷售區(qū)域已經(jīng)覆蓋全球超過(guò)190個(gè)國(guó)家。
王洪澤表示，我國(guó)3D打印能順利出海，主要得益于供應(yīng)鏈的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)和廠商之間的競(jìng)爭(zhēng)。“國(guó)內(nèi)3D打印設(shè)備成本相較國(guó)外要低很多，這與我們的人力成本以及相關(guān)資源成本較低有關(guān)；同時(shí)，國(guó)內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，市場(chǎng)主體較多，競(jìng)爭(zhēng)也比較激烈。”
如何闖出“新天地”
“消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)的使用門檻不高，隨著越來(lái)越多人進(jìn)入3D打印領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)，市場(chǎng)越來(lái)越‘卷’。”譚文杰認(rèn)為，在“3D打印農(nóng)場(chǎng)”創(chuàng)業(yè)，有兩條發(fā)展路徑可以選擇：一是“小而美”做個(gè)性化定制，二是“大而全”走工廠化路線。
他提到，個(gè)性化、定制化是3D打印的天然優(yōu)勢(shì)之一，如果在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上做出自己的特色和品牌，能帶來(lái)較大的原創(chuàng)紅利。對(duì)于大型“農(nóng)場(chǎng)主”，將3D打印作為一種新工具來(lái)替代傳統(tǒng)的制造方式，比如生產(chǎn)工業(yè)件等，“這可能是未來(lái)‘3D打印農(nóng)場(chǎng)’的主要發(fā)展方向”。
“3D打印農(nóng)場(chǎng)”的出現(xiàn)為小批量、個(gè)性化的產(chǎn)品制造帶來(lái)不小的變化。其實(shí)，從3D打印技術(shù)面世的一刻起，大眾就一直在期待它能給制造業(yè)帶來(lái)一次徹底的革命。但在多位業(yè)內(nèi)人士看來(lái)，當(dāng)前，我國(guó)3D打印規(guī)?；圃煸诖蛴≡O(shè)備、打印材料等方面還有一些發(fā)展瓶頸尚待突破，這也成為3D打印如何闖出“新天地”的必答題。
“首先要加大高端3D打印相關(guān)設(shè)備和技術(shù)的研發(fā)力度。”王洪澤說(shuō)，目前，3D打印技術(shù)還沒(méi)有發(fā)展到可以在所有制造領(lǐng)域均大批量應(yīng)用的階段，打印效率較低，成本較高。注塑制造等方法雖然開模具成本更高，但一旦模具開好，就可以進(jìn)行大批量制造。“3D打印還需要降本增效。”
先進(jìn)材料的研發(fā)也值得關(guān)注。目前，在3D打印領(lǐng)域，高性能材料比較欠缺。此外，可用于3D打印的材料種類有限，也在一定程度上阻礙了技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。“我們身邊目之所及的所有實(shí)物均可以通過(guò)傳統(tǒng)制造的方式生產(chǎn)，傳統(tǒng)制造的材料體系可能有上千、上萬(wàn)種，但是目前可用于3D打印的材料只有幾百種。”耿安東說(shuō)。但王洪澤強(qiáng)調(diào)，材料開發(fā)是3D打印技術(shù)推廣應(yīng)用的一個(gè)必經(jīng)階段。“未來(lái)，要結(jié)合當(dāng)前行業(yè)的切實(shí)發(fā)展需求，開展相關(guān)材料的研發(fā)工作。”
相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)3D打印規(guī)模以上企業(yè)有近200家，但其中多為中小企業(yè)，研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新能力相對(duì)較弱。王洪澤表示，推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展，還需要政策持續(xù)對(duì)高新技術(shù)研究作出引導(dǎo)和支持，尤其是對(duì)一些高端但風(fēng)險(xiǎn)較大的研究，我國(guó)的支持力度還應(yīng)進(jìn)一步加大。“同時(shí)，還要讓企業(yè)、民眾更多地了解3D打印技術(shù)，只有大家了解了，才有可能會(huì)更大范圍地應(yīng)用。”
我國(guó)已經(jīng)于2021年將“增材制造工程”列入普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄，目前有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等18所高校開設(shè)了上述專業(yè)，但耿安東認(rèn)為這“遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠”。他提到，高校人才培養(yǎng)最短也需要3至4年的時(shí)間，但企業(yè)不能坐等。“特別是對(duì)于了解增材制造，同時(shí)熟悉傳統(tǒng)制造業(yè)優(yōu)劣勢(shì)的復(fù)合型人才，在市場(chǎng)上會(huì)非常受歡迎。”
“高校也好，企業(yè)也好，產(chǎn)業(yè)鏈也好，對(duì)于人才培養(yǎng)要持續(xù)加大投入。”耿安東說(shuō)，此外，還要了解不同的細(xì)分制造領(lǐng)域的需求，結(jié)合3D打印材料成型的工藝特點(diǎn)，開發(fā)更加深入的制造方式，“這對(duì)行業(yè)發(fā)展非常重要”。