產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展 3D打印如何闖出“新天地”
從關節(jié)靈活、一體成型的玩具中國龍，到依據(jù)患者特點量身定制的骨骼模型，再到與人體骨組織結構高度相似的椎間融合器……在日前閉幕的2024年中國國際服務貿(mào)易交易會上，除了人形機器人、低空無人飛行器等高科技應用，各式各樣的3D打印產(chǎn)品也賺足了眼球。
隨著智能制造技術的發(fā)展，3D打印逐漸成為推動我國新質生產(chǎn)力培育發(fā)展的重要力量，其應用場景正在不斷拓展，還吸引了不少年輕人緊抓機遇，在相關領域創(chuàng)業(yè)。
國家統(tǒng)計局日前發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2024年上半年，我國3D打印設備產(chǎn)品產(chǎn)量同比增長51.6%，其增長率遠超新能源汽車的34.3%和集成電路的28.9%。同時，海關總署的數(shù)據(jù)顯示，今年1月至7月，我國3D打印設備出口量和出口額也都實現(xiàn)了兩位數(shù)高速增長。
一系列數(shù)據(jù)反映出我國3D打印行業(yè)的強勁增長勢頭。也有專家注意到，產(chǎn)銷兩旺背后，我國3D打印行業(yè)要闖出“新天地”，在技術迭代、場景應用、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”是增材制造技術的一種俗稱。增材制造以數(shù)字模型為基礎，通過將材料逐層堆積制造零件或實物，是一種“自下而上”的制造方法。雖然沒有等材、減材制造發(fā)展時間長，但如今，增材制造也已成為推動制造業(yè)轉型升級的重要力量。
廣東科恒科技有限公司（以下簡稱“廣東科恒”）是東莞有名的手板樣機制造企業(yè)，該公司市場總監(jiān)耿安東告訴中青報·中青網(wǎng)記者，早在2008年，他們就開始用3D打印技術生產(chǎn)手板樣機。
“手板樣機指的是用來驗證產(chǎn)品設計是否符合要求、測試產(chǎn)品可行性的小批量產(chǎn)品樣品，通常在產(chǎn)品設計階段和產(chǎn)品生產(chǎn)之前制作。”耿安東說，在沒有3D打印技術前，手板樣機大多采用數(shù)控加工等方式生產(chǎn)，3D打印技術的出現(xiàn)，大大提升了手板樣機的生產(chǎn)效率，進一步降低了成本。
以汽車設計制造為例，耿安東介紹，一款新汽車底盤在研發(fā)過程中要經(jīng)過大量試驗，最開始可能只是驗證它的外形、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，流程復雜，且需要幾個月的時間，“但利用3D打印技術，只需要花費一周，就能制作多個汽車底盤手板樣機，然后直接送到汽車廠用于產(chǎn)品驗證”。耿安東告訴記者，目前，廣東科恒的工廠內(nèi)有超過1000臺工業(yè)級3D打印機。而在該公司生產(chǎn)的手板樣機中，有近80%的產(chǎn)品是通過3D打印制造的。
“相較于傳統(tǒng)制造工藝，3D打印技術的成型、加工、制造過程簡單，拿到數(shù)字模型圖紙之后，只需要通過電腦控制發(fā)出指令，就可以直接打印出實物。”上海交通大學材料科學與工程學院副教授王洪澤說。王洪澤長期從事增材制造與激光制造研究，他認為，通過簡化生產(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，3D打印還具有輕量化、實現(xiàn)任意復雜結構制造的技術優(yōu)勢。”
其實，2012年，3D打印就被列入了國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃），相關政策提出要突破3D打印制造技術中的核心關鍵技術，研制重點裝備產(chǎn)品。近年來，增材制造（3D打印）作為我國智能制造的關鍵領域，多次出現(xiàn)在《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要等頂層規(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，要加強關鍵核心技術攻關，其中，增材制造作為先進工藝技術，被列入“智能制造技術攻關行動”重點攻關的關鍵核心技術目錄。
目前，3D打印還被應用于航空航天開發(fā)和小批量制造、汽車快速開發(fā)及輕量化、精準醫(yī)療、文化創(chuàng)意等領域。“比如齒科經(jīng)常會用到的人造牙齒、手機等電子產(chǎn)品的外殼、航天飛行器的重要零部件等，有很多產(chǎn)品或零部件都來自3D打印。”王洪澤說，隨著技術的一步步迭代和完善，3D打印逐漸從實驗室走向生產(chǎn)應用，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)品設計階段，“胖噠”經(jīng)過了數(shù)十次3D打印驗證。“每次打印出來，我們都會對實物進行效果評價，然后再有針對性地對設計方案進行完善。”東莞順林董事長劉學深說，利用3D打印進行新品輔助設計，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)療領域的滲透也有目共睹。在服貿(mào)會現(xiàn)場，幾乎在每家醫(yī)療企業(yè)的展臺，都能看到3D打印產(chǎn)品的身影，納通科技集團帶來了一款3D打印脊柱椎間融合器產(chǎn)品。納通科技相關負責人介紹，普通的椎間融合器采用機械加工的方式制造，尺寸、型號相對固定，但通過3D打印，可以根據(jù)患者的關節(jié)特征等實現(xiàn)椎間融合器定制化，“同時，3D打印技術還可以在融合器上形成特定的微孔結構，方便后期骨長入，更有利于患者恢復”。
王洪澤表示，長三角、粵港澳大灣區(qū)等地是我國3D打印設備需求相對集中的區(qū)域。上述地區(qū)具有比較發(fā)達的制造業(yè)基礎，3D打印機作為重要的制造輔助設備，在當?shù)赜休^大的消費市場。“同時，武漢、西安等高校和科研院所集中的城市和地區(qū)對相關設備的需求也比較大。”
相關數(shù)據(jù)顯示，截至2023年年底，我國國產(chǎn)3D打印裝備擁有量占全球裝備的11.5%，處于全球第二，而消費級非金屬3D打印裝備市場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。不同制造技術各顯其長，發(fā)揮合力，共同推動我國由制造大國向制造強國邁進。”中國工程院院士、西安交通大學教授、國家增材制造創(chuàng)新中心主任盧秉恒說。
消費級3D打印機市場迎來爆發(fā)
在3D打印領域，打印設備主要分為工業(yè)級和消費級。不同于工業(yè)級設備，消費級3D打印機專為個人用戶和小型企業(yè)設計，一般采用FDM（熔融沉積成型）、LCD光固化成型等技術，操作簡便、成本相對較低，也被稱為桌面級或入門級3D打印機。
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，消費級3D打印機市場也迎來了空前爆發(fā)。根據(jù)市場研究機構KBV Research的統(tǒng)計，2022年，全球消費級3D打印機市場規(guī)模為25.03億美元，預計到2028年將達到71億美元，年復合增長率為19.2%。
“目前，消費級3D打印機以打印塑料產(chǎn)品居多，比如玩具、文創(chuàng)等。”王洪澤認為，隨著技術的迭代更新，消費級3D打印機在打印效果、打印速度等方面有了持續(xù)性的提升，且使用門檻和產(chǎn)品單價明顯下降，這都促使3D打印獲得了市場的更大關注。
深圳市創(chuàng)想三維科技股份有限公司（以下簡稱“創(chuàng)想三維”）是一家專門從事3D技術研發(fā)的國內(nèi)企業(yè)，該公司華北區(qū)域銷售經(jīng)理耿雨萌介紹，目前，消費級3D打印機被不少潮流玩具設計師用來初步實現(xiàn)創(chuàng)意，還有消費者購買大批量的3D打印設備開辦“3D打印工廠”，對外提供打印服務。而“3D打印農(nóng)場”遍地開花，也被市場普遍認為是相關技術越來越被市場認可的一種表現(xiàn)。
所謂“3D打印農(nóng)場”，就是指多臺消費級3D打印機在同一個操作環(huán)境中集中運行，用來小批量生產(chǎn)或快速制造各種產(chǎn)品。管理運營“3D打印農(nóng)場”的人則被稱為“農(nóng)場主”。“如果把‘3D打印農(nóng)場’看作是一個小型工廠，那生產(chǎn)線就由一臺臺3D打印機組成，我們只需在切片軟件（3D打印的模型管理系統(tǒng)——記者注）中設置好參數(shù)并加載原材料，打印機就能按照設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“3D打印資源庫”的創(chuàng)始人譚文杰解釋道。
如今，越來越多年輕人投身到“3D打印農(nóng)場”創(chuàng)業(yè)中，朱朝文就是其中之一。他在江西南昌經(jīng)營著一家規(guī)模達300臺打印機的“3D打印農(nóng)場”，平常會承接一些打印玩具、文創(chuàng)產(chǎn)品的訂單。趕上旺季，他家“農(nóng)場”每天24小時“連軸轉”。此外，他還是江西小有名氣的3D打印設備代理商。今年3月開始做設備代理以來，他賣出的3D打印機已經(jīng)有大幾千臺。
根據(jù)“3D打印資源庫”的不完全統(tǒng)計，目前，全國有1000多位“農(nóng)場主”，每位“農(nóng)場主”擁有的設備數(shù)量從幾臺到上千臺不等。“這些‘農(nóng)場主’掌握著超過5萬臺3D打印機，展現(xiàn)了‘3D打印農(nóng)場’行業(yè)的增長速度。”譚文杰回憶，今年4月，上面的數(shù)據(jù)還只是兩萬多臺，“短短4個月，漲了近1.5倍”。
值得注意的是，海外也正在成為我國消費級3D打印機重要的終端市場。海關總署日前發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，今年1月至7月，國產(chǎn)3D打印機出口量為210萬臺，出口金額超過49.9億元，較去年同期分別增長了36.3%和75.6%。如今，在電商平臺Amazon（亞馬遜）上搜索“3D打印機”，銷量排名靠前的幾乎都是中國品牌。
近幾年，多家國內(nèi)3D打印領域頭部廠商年營收突破10億元大關，小米、安克等公司也紛紛進軍3D打印。市場研究機構CONTEXT此前發(fā)布的報告提到，2023年，全球入門級3D打印機出貨量同比增長19%，其中約94%的出貨量由中國供應商完成。耿雨萌則提到，目前，創(chuàng)想三維3D打印機的銷售區(qū)域已經(jīng)覆蓋全球超過190個國家。
王洪澤表示，我國3D打印能順利出海，主要得益于供應鏈的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢和廠商之間的競爭。“國內(nèi)3D打印設備成本相較國外要低很多，這與我們的人力成本以及相關資源成本較低有關；同時，國內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，市場主體較多，競爭也比較激烈。”
如何闖出“新天地”
“消費級3D打印機的使用門檻不高，隨著越來越多人進入3D打印領域創(chuàng)業(yè)，市場越來越‘卷’。”譚文杰認為，在“3D打印農(nóng)場”創(chuàng)業(yè)，有兩條發(fā)展路徑可以選擇：一是“小而美”做個性化定制，二是“大而全”走工廠化路線。
他提到，個性化、定制化是3D打印的天然優(yōu)勢之一，如果在產(chǎn)品設計上做出自己的特色和品牌，能帶來較大的原創(chuàng)紅利。對于大型“農(nóng)場主”，將3D打印作為一種新工具來替代傳統(tǒng)的制造方式，比如生產(chǎn)工業(yè)件等，“這可能是未來‘3D打印農(nóng)場’的主要發(fā)展方向”。
“3D打印農(nóng)場”的出現(xiàn)為小批量、個性化的產(chǎn)品制造帶來不小的變化。其實，從3D打印技術面世的一刻起，大眾就一直在期待它能給制造業(yè)帶來一次徹底的革命。但在多位業(yè)內(nèi)人士看來，當前，我國3D打印規(guī)?；圃煸诖蛴≡O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打印相關設備和技術的研發(fā)力度。”王洪澤說，目前，3D打印技術還沒有發(fā)展到可以在所有制造領域均大批量應用的階段，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，就可以進行大批量制造。“3D打印還需要降本增效。”
先進材料的研發(fā)也值得關注。目前，在3D打印領域，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應用范圍的擴大。“我們身邊目之所及的所有實物均可以通過傳統(tǒng)制造的方式生產(chǎn)，傳統(tǒng)制造的材料體系可能有上千、上萬種，但是目前可用于3D打印的材料只有幾百種。”耿安東說。但王洪澤強調(diào)，材料開發(fā)是3D打印技術推廣應用的一個必經(jīng)階段。“未來，要結合當前行業(yè)的切實發(fā)展需求，開展相關材料的研發(fā)工作。”
相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，目前我國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)和技術創(chuàng)新能力相對較弱。王洪澤表示，推動3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展，還需要政策持續(xù)對高新技術研究作出引導和支持，尤其是對一些高端但風險較大的研究，我國的支持力度還應進一步加大。“同時，還要讓企業(yè)、民眾更多地了解3D打印技術，只有大家了解了，才有可能會更大范圍地應用。”
我國已經(jīng)于2021年將“增材制造工程”列入普通高等學校本科專業(yè)目錄，目前有哈爾濱工業(yè)大學、西北工業(yè)大學等18所高校開設了上述專業(yè)，但耿安東認為這“遠遠不夠”。他提到，高校人才培養(yǎng)最短也需要3至4年的時間，但企業(yè)不能坐等。“特別是對于了解增材制造，同時熟悉傳統(tǒng)制造業(yè)優(yōu)劣勢的復合型人才，在市場上會非常受歡迎。”
“高校也好，企業(yè)也好，產(chǎn)業(yè)鏈也好，對于人才培養(yǎng)要持續(xù)加大投入。”耿安東說，此外，還要了解不同的細分制造領域的需求，結合3D打印材料成型的工藝特點，開發(fā)更加深入的制造方式，“這對行業(yè)發(fā)展非常重要”。