產業迅猛發展 3D打印如何闖出“新天地”
從關節靈活、一體成型的玩具中國龍，到依據患者特點量身定做的骨骼模型，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打印產品也賺足了眼球。
隨著智能制造技術的發展，3D打印逐漸成為推動我國新質生產力培育發展的重要力量，其應用場景正在不斷拓展，還吸引了不少年輕人緊抓機遇，在相關領域創業。
國家統計局日前發布的數據顯示，2024年上半年，我國3D打印設備產品產量同比增長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，海關總署的數據顯示，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了兩位數高速增長。
一系列數據反映出我國3D打印行業的強勁增長勢頭。也有專家注意到，產銷兩旺背后，我國3D打印行業要闖出“新天地”，在技術迭代、場景應用、材料創新等方面還有一些瓶頸亟待突破。
“3D打印”是增材制造技術的一種俗稱。增材制造以數字模型為基礎，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、減材制造發展時間長，但如今，增材制造也已成為推動制造業轉型升級的重要力量。
廣東科恆科技有限公司（以下簡稱“廣東科恆”）是東莞有名的手板樣機制造企業，該公司市場總監耿安東告訴中青報·中青網記者，早在2008年，他們就開始用3D打印技術生產手板樣機。
“手板樣機指的是用來驗証產品設計是不是满足要求、測試產品可行性的小批量產品樣品，通常在產品設計階段和產品生產之前制作。”耿安東說，在沒有3D打印技術前，手板樣機大多採用數控加工等方式生產，3D打印技術的出現，极大的提升了手板樣機的生產效率，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過程中要經過大量試驗，最開始可能仅仅是驗証它的外形、尺寸等是不是满足裝配要求，如果用傳統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，隻需要花費一周，就能制作多個汽車底盤手板樣機，然后直接送到汽車廠用於產品驗証”。耿安東告訴記者，目前，廣東科恆的工廠內有超過1000台工業級3D打印機。而在該公司生產的手板樣機中，有近80%的產品是通過3D打印制造的。
“相較於傳統制造工藝，3D打印技術的成型、加工、制造過程簡單，拿到數字模型圖紙之后，隻需要通過電腦控制發出指令，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，通過簡化生產環節，3D打印有效節省了材料消耗和人力成本。“同時，3D打印還具有輕量化、實現任意復雜結構制造的技術優勢。”
其實，2012年，3D打印就被列入了國家高技術研究發展計劃（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，研制重點裝備產品。近年來，增材制造（3D打印）作為我國人机一体化智能系统的關鍵領域，多次出現在《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》、“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要等頂層規劃中。
2021年發布的《“十四五”智能制造發展規劃》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打印還被應用於航空航天開發和小批量制造、汽車快速開發及輕量化、精准醫療、文化創意等領域。“比如齒科經常會用到的人造牙齒、手機等電子產品的外殼、航天飛行器的重要零部件等，有很多產品或零部件都來自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應用，賦能傳統制造業，發揮著“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、潮流玩具生產的企業。該公司有一款原創IP潮玩——“胖噠”，在產品設計階段，“胖噠”經過了數十次3D打印驗証。“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，已經成為玩具產品開發的重要環節。
3D打印在醫療領域的滲透也有目共睹。在服貿會現場，幾乎在每家醫療企業的展台，都能看到3D打印產品的身影，納通科技集團帶來了一款3D打印脊柱椎間融合器產品。納通科技相關負責人介紹，普通的椎間融合器採用機械加工的方式制造，尺寸、型號相對固定，但通過3D打印，可以根據患者的關節特征等實現椎間融合器定制化，“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，更有利於患者恢復”。
王洪澤表示，長三角、粵港澳大灣區等地是我國3D打印設備需求相對集中的區域。上述地區具有比較發達的制造業基礎，3D打印機作為重要的制造輔助設備，在當地有較大的消費市場。“同時，武漢、西安等高校和科研院所集中的城市和地區對相關設備的需求也比較大。”
相關數據顯示，截至2023年年底，我國國產3D打印裝備擁有量佔全球裝備的11.5%，處於全球第二，而消費級非金屬3D打印裝備市場佔比則位居全球首位。“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、國家增材制造創新中心主任盧秉恆說。
在3D打印領域，打印設備主要分為工業級和消費級。不同於工業級設備，消費級3D打印機專為個人用戶和小型企業設計，一般採用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。
從醫療器械到高端零配件，再到住宅建筑，3D打印加速賦能傳統工業制造的同時，消費級3D打印機市場也迎來了空前爆發。根據市場研究機構KBV Research的統計，2022年，全球消費級3D打印機市場規模為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品居多，比如玩具、文創等。”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性的提升，且使用門檻和產品單價明顯下降，這都促使3D打印獲得了市場的更大關注。
深圳市創想三維科技股份有限公司（以下簡稱“創想三維”）是一家專門從事3D技術研發的國內企業，該公司華北區域銷售經理耿雨萌介紹，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創意，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。
所謂“3D打印農場”，就是指多台消費級3D打印機在同一個操作環境中集中運行，用來小批量生產或快速制造各種產品。管理運營“3D打印農場”的人則被稱為“農場主”。“如果把‘3D打印農場’看作是一個小型工廠，那生產線就由一台台3D打印機組成，我們隻需在切片軟件（3D打印的模型管理系統——記者注）中設置好參數並加載原材料，打印機就能按照設定好的程序批量制造出性能一致的產品。”3D打印行業垂直平台“3D打印資源庫”的創始人譚文杰解釋道。
如今，越來越多年輕人投身到“3D打印農場”創業中，朱朝文就是这里面之一。他在江西南昌經營著一家規模達300台打印機的“3D打印農場”，平常會承接一些打印玩具、文創產品的訂單。趕上旺季，他家“農場”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打印機已經有大幾千台。
根據“3D打印資源庫”的不完全統計，目前，全國有1000多位“農場主”，每位“農場主”擁有的設備數量從幾台到上千台不等。“這些‘農場主’掌握著超過5萬台3D打印機，展現了‘3D打印農場’行業的增長速度。”譚文杰回憶，今年4月，上面的數據還只是兩萬多台，“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。海關總署日前發布的數據顯示，今年1月至7月，國產3D打印機出口量為210萬台，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，在電商平台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，創想三維3D打印機的銷售區域已經覆蓋全球超過190個國家。
王洪澤表示，我國3D打印能順利出海，主要得益於供應鏈的產業優勢和廠商之間的競爭。“國內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3D打印產業發展很快，市場主體較多，競爭也比較激烈。”
“消費級3D打印機的使用門檻不高，隨著越來越多人進入3D打印領域創業，市場越來越‘卷’。”譚文杰認為，在“3D打印農場”創業，有兩條發展路徑可以選擇：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打印的天然優勢之一，如果在產品設計上做出自己的特色和品牌，能帶來較大的原創紅利。對於大型“農場主”，將3D打印作為一種新工具來替代傳統的制造方式，比如生產工業件等，“這可能是未來‘3D打印農場’的主要發展方向”。
“3D打印農場”的出現為小批量、個性化的產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帶來一次徹底的革命。但在多位業內人士看來，當前，我國3D打印規模化制造在打印設備、打印材料等方面還有一些發展瓶頸尚待突破，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力度。”王洪澤說，目前，3D打印技術還沒有發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，可用於3D打印的材料種類有限，也在某些特定的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制造的方式生產，傳統制造的材料體系可能有上千、上萬種，但是目前可用於3D打印的材料隻有幾百種。”耿安東說。但王洪澤強調，材料開發是3D打印技術推廣應用的一個必經階段。“未來，要結合當前行業的切實發展需求，開展相關材料的研發工作。”
相關統計數據顯示，目前我國3D打印規模以上企業有近200家，但其中多為中小企業，研發和技術創新能力相對較弱。王洪澤表示，推動3D打印產業發展，還需要政策持續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、民眾更多地了解3D打印技術，隻有大家探索了，才有可能會更大范圍地應用。”
我國已經於2021年將“增材制造工程”列入普通高等學校本科專業目錄，目前有哈爾濱工業大學、西北工業大學等18所高校開設了上述專業，但耿安東認為這“遠遠不夠”。他提到，高校人才培養最短也需要3至4年的時間，但企業不能坐等。“特別是對於了解增材制造，同時熟悉傳統制造業優劣勢的復合型人才，在市場上會非常受歡迎。”
“高校也好，企業也好，產業鏈也好，對於人才培養要持續加大投入。”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，開發更加深入的制造方式，“這對行業發展很重要”。(朱彩雲)
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