3D列印：從量變到質變

什麼都可以做，但是做什麼都有一定問題——這是3D列印給人們的初步印象。「前幾年3D列印概念很火爆，但國內3D列印整個行業的市值加起來，可能都沒有3D列印概念股一個漲停多。」中國最早的3D印表機製造商之一北京太爾時代科技有限公司（下稱太爾科技）總經理郭戈說。

但技術的發展總是非線性的，往往一個不經意的突破，長期的積累就會跨越臨界點。3D列印，又名增材製造，正擺脫「中看不中用」的尷尬，已經在很多行業中登堂入室，替代傳統工藝製造的零部件，不僅在複雜性上進一步發揮其固有優勢，在材料性能上已經可以媲美甚至超越傳統部件。從美國國家航空航天局（NASA）到歐洲航天局（ESA）、從波音到空客、從西門子到通用電氣，3D列印製造的發動機、渦輪葉片、燃油噴嘴等關鍵部件，不僅為航空航天設備減輕了重量、提高了燃燒效率，製造速度更提高數倍。

曾被稱為「第三次工業革命」的3D列印，曾經在許多業內人士看來只能是傳統製造業的補充，現在終於有了挑戰傳統的底氣。

中看不中用

3D列印這一技術早在上世紀80年代就已經出現，比日本佳能公司推出噴墨印表機的時間只晚了四年。1984年，美國發明家查爾斯?霍爾（Charles Hull）給自己的一項技術起了一個新奇的名字——Stereolithography，這種被稱為立體印刷的新技術，成為3D列印的鼻祖。

霍爾利用的材料，是一種可以在紫外光照射下固化的樹脂，通過計算機控制紫外光束的移動讓一層層的樹脂形成特定的圖形，疊加在一起就形成了立體的形狀。

隨著「立體印刷」概念逐漸深入人心，科學家們逐漸開發出有別於霍爾光固化技術的其他立體成形技術，其中熔融沉積成形（FDM）和選擇性激光燒結（SLS）把立體成形技術所能使用的材料拓展到更加廣泛的領域。雖然霍爾的技術成形精度很高，但FDM和SLS技術所能使用的材料更加廣泛，從金屬到聚苯乙烯都可以用，因此可以達到更高的強度。

霍爾的3D Systems公司2012年底獲得來自美國空軍的29.5億美元投資，開發使用激光熔融技術的3D列印系統，這套系統將用於製造F-35戰機和其他武器系統。在美國空軍之前，波音和空客公司都已經開始嘗試使用3D印表機列印飛機機翼等配件。

2012年度國家科學技術獎勵大會上，北京航空航天大學材料學院材料加工工程系主任王華明團隊的「飛機鈦合金大型複雜整體構件激光成形技術」獲得國家技術發明獎一等獎。

相較於傳統的大型鈦合金結構件整體鍛造，激光直接製造是用高功率的激光束對粉末絲材進行熔化，實現材料逐層添加，直接根據構件的計算機輔助設計（Computer Aided Design）模型一次加工成形。這種方法無需大型鍛造工業裝備、材料利用率高、生產周期短，加工設計靈活度高，大大降低了製造成本。

這種技術已經被應用於製造飛機上的結構件。2010年，王華明團隊利用激光直接製造技術製造了國產大飛機C919的中央翼根肋，比傳統方法節省90%以上的材料，且性能更佳。不過，當時3D列印技術還只能用於試生產，因為質量的可重複性和穩定性都是問題，在量化生產上也存在缺陷。

王華明教授當時曾對財新記者表示，3D列印最多是做一部分零部件，「如果說是第三次工業革命，目前還到不了這個層次」。

這也是郭戈曾經的觀點——3D列印技術在各個行業，只要涉及實體開發都用得到，但因為材料和精度的限制，在生產上應用還比較少，在牙科、醫療及產品開發過程中應用較多，或者小批量的零件生產。

不過，現在郭戈的看法有所改變，雖然在他所從事的塑料列印領域變化不大，但金屬的快速成形技術進步飛快，這跟航天軍工對於成本不夠敏感有關，而且列印的部件性能已經足夠滿足要求。

主要從事3D列印完整解決方案的杭州喜馬拉雅信息科技有限公司是這個領域的新來者。在該公司政企合作投資中心總監韋旭剛看來，其實這兩年3D列印行業發生了翻天覆地的變化，從2017年開始，已經進入從量變到質變的階段。

「很多人還停留在兩三年前的感覺，一開始挺新鮮，用了一下感覺也不過如此。」他說，泡沫過去後，做產業的人沉澱下來才容易出成績，現在到了厚積薄發的時候。

「3D列印不再是不過如此的技術，變革已經在路上，馬上就要呼嘯而來。」他說。

做大做強

上世紀90年代初，清華大學機械系教授顏永年在美國了解到快速成形技術，回國後四處收集資料，並邀請外國專家來華講學，中國科學家也由此開始研究。清華大學、西安交通大學、華中科技大學還專門成立了快速製造研究中心，從事產業化開發的太爾科技、西安瑞特、武漢濱湖等企業也先後成立。

2012年4月，已經74歲的顏永年在江蘇崑山成立了崑山永年先進位造技術有限公司（下稱崑山永年），專門開發3D列印技術設備。五年多後的今天，他們生產的激光金屬3D列印設備YLM已經可以跟國際最領先的德國設備媲美，零部件已在軍工行業有所應用，3D列印義齒也是首批拿到衛生部門認可的產品。

「高技術的發展到一定的時候，提高的速度就比較快，現在的3D列印技術在精度和效率上都提高了很多，幾乎可以放在生產線上。當然現在更多是在用得起的地方，例如航天、軍工和高端模具。」顏永年對財新記者說。

在他看來，3D列印零部件首先要耐高溫、耐疲勞，這是工業應用的保證，就要首先解決強度問題，這相對來說比較容易；第二是提高塑性，塑性越高，疲勞性能越好，才能做大梁等承力件，而不止是結構件、裝飾件。一直以來3D列印部件作為承力件還是比較難，就是塑性不夠。

目前金屬3D列印包括兩大類技術：一是激光選擇熔化技術，可以達到0.15毫米的精度，但速度還是不快，精度高就要光斑小、粉末細，速度就上不去；另一種激光熔覆技術速度快，但精度就差。既要精度高，又要速度快，顏永年的解決方法就是使用多個激光器。

崑山永年設備的特點是精度和速度兼顧，體積比較小，價格上比國外產品要少一半。他們跟中航重機、中國一重都準備合作，生產航空鍛件和核電站鍛件。

華中科技大學快速製造中心蔡道生教授告訴財新記者，這幾年3D列印發展非常快，因為嘗試得比較多了，就有了很多的經驗。現在不僅是關鍵零部件，甚至成為一種生產工序。

「以前的技術受到原理限制，現在出現了很多新技術，不是以前的成形原理。以前一層要打幾分鐘算很快的，現在快的達到幾秒鐘。」他說，成形方式變了，一次就一個面，甚至都不用激光。

蔡道生所提到的不用激光的金屬3D列印技術，就是結合金屬沉積（BMD）技術，該技術是美國Desktop Metal公司的發明專利，列印速度是傳統的選擇性激光熔融（SLM）等金屬設備的50-100倍，也為3D印表機進入大規模製造邁出了堅實的步伐。

這家在2015年才成立的初創公司也因此被稱為一家「神」一樣的公司。2017年7月，DM公司宣布獲得1.15億美元D輪融資。至此，DM公司已進賬2.12億美元融資款，估值超過10億美元，成為金屬3D列印領域的獨角獸企業。投資者隊伍中就包括了谷歌、通用電器公司（GE）、寶馬等巨頭。

DM公司的優勢在於，普通3D印表機一天可以列印12個金屬零件，而它們一天可以列印560個同樣的金屬零件。2017年，DM公司被世界經濟論壇評選為全球最具發展前景的前30大技術先鋒之一，併入選《麻省理工科技評論》的「全球50家最聰明的公司」榜單。

DM公司已經研發出了兩款金屬3D印表機，採取與當前大多數3D印表機完全不同的機制，而且不會使用激光器，讓工業金屬3D列印更小、更快、更經濟，比現有的激光技術便宜10倍，速度則提升了100倍，公司承諾列印出來的金屬零件可以媲美傳統意義上的注塑成形工藝。

韋旭剛說，中國應該歡迎這樣的獨角獸企業到中國來上市，還有塑料3D列印獨角獸Carbon公司，相比之下，BAT（百度Baidu、阿里巴巴Alibaba、騰訊Tencent）這些巨頭的高成長期已經過去了。

真正的革命

曾經在西門子供職多年的維爾納?科赫（Werner Koch），2016年創立德國3D列印網路聯盟3D Netzwerk，致力於3D列印在德國工業界的推廣和與傳統工業的結合。

科赫曾經撰文指出，工業4.0不是革命，而3D列印才是。他認為，工業4.0隻是所謂的第三次工業革命的繼續，在工業4.0中，批量化和個性化大量生產只能通過3D列印技術來實現，3D列印改變了生產產品的方式——何時何地由誰如何來生產。「使用新的高性能、超快速和低成本的3D列印工藝的工業革命正在進行中。」他說。

2014年9月，首台Zero-G Printer被送入國際空間站，同年12月，實現人類首次空間微重力環境下的增材製造。NASA指出，此舉有望將國際空間站轉變為製造工廠，緩解空間站的補給壓力。

歐洲空間局的AMAZ戰略，也實現了多金屬增材製造及輕質高強度結構的設計與成形。他們更進一步提出了3D列印月球基地的建造戰略，建造速度高達3.5米/小時，可實現鏈狀屋頂結構、胞狀牆體結構的優化設計與直接成形。

如果使用傳統的製造方法，一些發動機關鍵零件是由多個鑄件或鍛件通過焊接/釺焊或螺栓組裝而成，而3D列印技術可以讓這些複雜零件一次成形，使得發動機中子部件的數量顯著減少。

2017年12月27日，GE航空集團新一代先進渦輪螺旋槳發動機ATP順利完成首次點火試車。GE中國相關負責人介紹，ATP是目前全球應用3D列印技術最為純熟的首款發動機，約35%發動機零部件採用了3D列印製造，將原先應用傳統製造技術製造的855個零件減少為12個3D列印零件，包括軸承座、發動機機匣、排氣管、燃燒室襯套、熱交換器和氣路靜子部件。依託於各種新技術，ATP發動機的空中功率增加10%，燃油消耗率降低20%，首翻時間延長33%。

目前，世界上最大的商用航空發動機GE9X——波音777X的核心動力源，也採用了3D列印技術列印其燃油噴嘴。2017年年中，GE宣布計劃建造世界上最大的激光粉末添加劑製造機atlas，該設備使用激光模製金屬粉末，並能夠構建測高達1立方米的零件。

不僅GE，國際上另外兩家航空發動機巨頭也未缺席。羅羅公司的湍達XWB-97引擎，採用3D列印1.5米前軸承殼和葉片，實現9.7萬磅起飛推力和8000海里航程，引擎生產時間減少三分之一；普惠公司的GTF-PW1000G引擎，採用3D列印構件後，燃燒效率提高16%，減噪50%-75%，降低了生產成本和時間。

美國前總統奧巴馬曾說，3D列印將為幾乎所有產品的製造方式帶來革命性變化。2017年12月，中國12個部委聯合發布《增材製造產業發展行動計劃（2017-2020年）》，要「培育2-3家以上具有較強國際競爭力的龍頭企業，打造2-3個具有國際影響力的知名品牌」。

也是在2017年12月，中國航空發動機集團公司與中國商用飛機有限責任公司、國新國際投資有限公司簽訂《中央企業金屬3D列印協同創新合作框架協議》，三家央企將以市場化方式共同開展金屬3D列印協同創新合作，促進金屬3D列印技術的研發和產業化應用。

2018年1月31日，證監會發布了新一年的工作計劃，其中有一條與3D列印高度關聯：符合國家發展戰略的「智能製造」等產業的相關公司將得到特別的支持。毫無疑問，3D列印就是智能製造的典型代表。

韋旭剛說，目前A股市場還沒有一個純粹的3D列印企業上市，也從側面說明業內龍頭企業的年扣非凈利潤還沒達到3000萬元以上。畢竟這個產業國內年產值才剛剛突破100億元，而公司數量則多達500家以上，可謂僧多粥少。

中國絕活

3D列印技術目前至少有數十種，主流的或在市場應用上流行的也有十來種。就技術和應用而言，如果說美國處於第一梯隊，那麼德國、中國、瑞典等國處於第二梯隊。

在金屬3D列印主流技術中，美國3D System公司、德國EOS公司是選擇性激光燒結（SLS）的代表企業；國內方面，以華曙高科為代表的SLS設備取得了不錯的成績。在SLM技術領域，德國EOS是該技術的領軍企業；國內方面，以鉑力特為代表的公司成績顯著。

西安鉑力特激光成形技術有限公司是中國新崛起的3D列印設備龍頭之一，他們以西北工業大學凝固技術國家重點實驗室為技術依託，主要從事高性能緻密金屬零件的激光立體成形製造，以及金屬零件的激光修復再製造，涵蓋各種鈦合金、高溫合金、不鏽鋼、模具鋼、鋁合金等材料。2017年6月，鉑力特的股份制改造已初步完成，年營收預計在1.5億元-2億元。

而在新出現的結合金屬沉積（BMD）技術上，美國Desktop Metal公司獨樹一幟，列印速度是傳統的SLM等金屬3D列印設備的50倍-100倍。其工作原理是將金屬和陶瓷粉末結合成軟性聚合物，然後將其擠壓出想要列印的形狀，再移動到燒結爐中定型。通過這種方式3D列印出的物體可以直接使用無需重新加工，在結構完整性方面，與通過普通鑄造方式製造的金屬部件一樣穩定。

「結構易仿，製造不易，科學更難。」南京航空航天大學教授顧冬冬說，未來3D列印技術發展的創新要素包括大跨尺度設計的新結構、多相材料的設計與布局、精準可控的增材製造工藝、實現複雜整體構件的高性能和多功能化，其中包含了結構、材料、工藝等方面的新挑戰。

雖然很多3D列印的零部件性能已超過鑄件，但還難達到鍛件的性能。

華中科技大學數字製造裝備與技術國家重點實驗室工藝方向學術帶頭人、武漢天昱智能製造有限公司

首席科學家張海鷗教授的研發重點在應用於航空領域的高端金屬鍛件。1998年回國後，他和妻子張桂蘭帶領團隊用了15年終於破解了困擾金屬3D列印的世界級技術難題，實現了國際首創的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創新。

他們首先在金屬3D列印中複合了銑削，邊列印邊銑削加工，解決了金屬3D列印出的製件表面粗糙的問題；而後，通過在3D列印中複合鍛打的方式，列印出飛機用鈦合金、高溫合金、海洋深潛器、核電用鋼等高端金屬鍛件，其穩定性能均超過傳統製件。

2016年7月，張海鷗團隊研發出微鑄鍛同步複合設備，並列印出全球第一批鍛件：鐵路關鍵部件轍叉和航空發動機重要部件過渡鍛。2017年，他的團隊和歐洲空中客車公司簽署了科研項目合作協議。

目前由「智能微鑄鍛」列印出的高性能金屬鍛件，已達到2.2米長，約260公斤，大小是歐美國家能夠列印出來的高端金屬件的4倍，也是世界上惟一可以列印出大型高可靠性能金屬鍛件的增材製造技術裝備。

「GE也已經認可了我們的技術。」張海鷗說，他們正在幫助GE公司測試航空發動機承力的關鍵零部件。在他看來，3D列印不光是在性能上要超過傳統零部件，也是數字化智能製造的方向。張海鷗透露，今年下半年他們將會推出比較關鍵的產品，在工業上的應用大大推進一步。

張海鷗認為，單純的3D列印不可能與傳統製造業形成有效競爭，一定要和傳統技術結合，並且要低成本高效率的結合，實現數字化。他們的戰略是，先能夠製造國防工業上的關鍵零部件，形成造血功能後向工業界滲透，逐步鋪開。

鑫精合激光科技發展有限公司（下稱鑫精合激光）執行董事李廣生告訴財新記者，現在3D列印技術的成熟度讓從業者對技術的理解更深了，不光是激光技術、粉末技術的進步，關鍵是軟體的進步，掃描策略越來越成熟。在他看來，實現3D列印件達到鍛造水平其實不難，但工業界對此還沒有標準，隨著成本降低，推廣力度加大，工業界的接受程度也越來越高。

李廣生介紹，鑫精合激光是國內公司級能達到鍛件疲勞性能的惟一一家企業，其技術在國際上也屬領先。目前，大尺寸3D印表機主要採用同軸送粉及撲粉兩種方式，方法屬於激光直接沉積技術（LDM），屬於送粉技術，結合擠壓的工序，可以達到鍛造水平。

鑫精合激光在遼寧省瀋陽市有一個11台3D印表機的生產基地，年產100多噸鈦合金零件，在天津成立的裝備公司今年準備開始對外銷售。李廣生透露，他們從盈利能力上達到了上主板的條件，準備在2020年上市。

不過，從整個國內金屬3D列印設備來看，還有很多差距，核心演算法的缺失是最大的短板。

據李廣生介紹，目前3D列印的核心演算法都掌握在比利時Materialise公司手中。「一台兩三百萬元的3D列印設備能掙二三十萬，需要給他們15萬到20萬，其實就是給你一張光碟。這和數控機床領域的情況是一樣的，一台數控車床8萬-10萬，操作系統就要給西門子一兩萬，最後我們只有幾千塊的利潤。」

「我們硬體的一致性越來越好，但軟體還是很難突破。」在李廣生看來，3D列印的突破比數控機床要容易，因為運動比較簡單，「如果說數控系統要落後30年，在3D列印系統上我們落後三到五年」。

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