3D打印入選863計劃:解析中國3D打印產(chǎn)業(yè)化
科技部近日公布《國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)、國家科技支撐計劃制造領(lǐng)域2014年度備選項目征集指南》,備受關(guān)注的3D打印產(chǎn)業(yè)首次入選。這體現(xiàn)出國家層面的重視程度,國內(nèi)的3D打印產(chǎn)業(yè)將迎來快速發(fā)展期。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/144781.htm《指南》中提到,要突破3D打印制造技術(shù)中的核心關(guān)鍵技術(shù),研制重點裝備產(chǎn)品,并在相關(guān)領(lǐng)域開展驗證,初步具備開展全面推廣應(yīng)用的技術(shù)、裝備和產(chǎn)業(yè)化條件。設(shè)航空航天大型零件激光熔化成型裝備研制及應(yīng)用、面向復(fù)雜零部件模具制造的大型激光燒結(jié)成型裝備研制及應(yīng)用、面向材料結(jié)構(gòu)一體化復(fù)雜零部件高溫高壓擴散連接設(shè)備研制與應(yīng)用、基于3D打印制造技術(shù)的家電行業(yè)個性化定制關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用示范4個研究方向,共撥付不超過4000萬研究資金。
3D打印技術(shù)經(jīng)過20余年的發(fā)展,在全球范圍內(nèi)已形成一個規(guī)模16.8億美元的新興產(chǎn)業(yè),并以年均20%-30%的速度高速成長。如今,3D打印技術(shù)入選863計劃,特別是國家撥款經(jīng)費支持產(chǎn)業(yè)的研究和發(fā)展,體現(xiàn)了國家對3D打印的重視程度。3D打印是一場制造技術(shù)的革命,是中國制造業(yè)升級的重要一環(huán)。
中國3D打印產(chǎn)業(yè)化分析及發(fā)展的意義
近期,英國《經(jīng)濟學(xué)人》雜志在《第三次工業(yè)革命》一文中,將3D打印技術(shù)作為第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一,引發(fā)了世人對3D打印的關(guān)注。作為新生事物,3D打印究竟是什么含義?發(fā)展3D打印的意義又何在?
3D打印(3Dprinting)是制造業(yè)領(lǐng)域正在迅速發(fā)展的一項新興技術(shù),被稱為“具有工業(yè)革命意義的制造技術(shù)”。3D打印機依托多個學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù),在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用,發(fā)展前景廣泛。運用該技術(shù)進行生產(chǎn)的主要流程是:應(yīng)用計算機軟件,設(shè)計出立體的加工樣式,然后通過特定的成型設(shè)備(俗稱“3D打印機”),用液化、粉末化、絲化的固體材料逐層“打印”出產(chǎn)品。
3D打印是“增材制造”(AdditiveManufacturing)的主要實現(xiàn)形式。“增材制造”的理念區(qū)別于傳統(tǒng)的“去除型”制造。傳統(tǒng)數(shù)控制造一般是在原材料基礎(chǔ)上,使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法,去除多余部分,得到零部件,再以拼裝、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品。而“增材制造”與之截然不同,無需原胚和模具,就能直接根據(jù)計算機圖形數(shù)據(jù),通過增加材料的方法生成任何形狀的物體,簡化產(chǎn)品的制造程序,縮短產(chǎn)品的研制周期,提高效率并降低成本。
主要材料和關(guān)鍵配件是原材料(粉末、樹脂、線材等),激光發(fā)生器,控制系統(tǒng),這三部分是附加值最高的,國內(nèi)做的3D打印,更多的是在做組裝機器和成型軟件,用量較大的粉末材料,這可以顛覆傳統(tǒng)的鑄造、機械加工;國外的主要廠商是3DSystem,STRATASYS,eos,他們是全產(chǎn)業(yè)鏈,玩轉(zhuǎn)的基因是全產(chǎn)業(yè)鏈通。
中美差異在于,中國的市場潛力巨大,世界第一,但是創(chuàng)新和科技實力弱,材料、信息技術(shù)、理念這些不利于3D打印的上游技術(shù)發(fā)展。3D打印發(fā)展,工業(yè)、消費品并重,短期來看,工業(yè)市場更吸引人。3D打印工藝眾多,產(chǎn)成品率按照材料和質(zhì)量要求不同而不同,3D打印與傳統(tǒng)制造的比較更多應(yīng)在效率、復(fù)雜、難度上面。
目前3D打印工業(yè)機的價格在30萬美元-150萬美元,而國內(nèi)的機床價格普遍在10萬美元以下,3D打印機是機器,這個產(chǎn)業(yè)要替代傳統(tǒng)需要等到鋼材價格、人工成本、能源價格大幅上漲,信息化社會形成的時候才可以談競爭;目前來講,醫(yī)療、教育、航空航天、軍工、汽車等應(yīng)用發(fā)展趨勢較好。
一些中小企業(yè)成為國外3D打印設(shè)備的代理商,經(jīng)銷全套打印設(shè)備、成型軟件和特種材料。還有一些中小企業(yè)購買了國內(nèi)外各類3D打印設(shè)備,專門為相關(guān)企業(yè)的研發(fā)、生產(chǎn)提供服務(wù)。其中,廣東省工業(yè)設(shè)計中心、杭州先臨快速成型技術(shù)有限公司等企業(yè),設(shè)立了3D打印服務(wù)中心,發(fā)揮科技人才密集的優(yōu)勢,向國內(nèi)外客戶提供服務(wù),取得了良好的經(jīng)濟效益。
目前,我國已有部分技術(shù)處于世界先進水平。其中,激光直接加工金屬技術(shù)發(fā)展較快,已基本滿足特種零部件的機械性能要求,率先應(yīng)用于航天、航空裝備制造;同時,生物細(xì)胞3D打印技術(shù)取得顯著進展,已可以制造立體的模擬生物組織,為我國生物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尖端科學(xué)研究提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐。
專家方面,清華大學(xué)的顏永年,華科大的史玉升,西交大的盧秉恒,北航的王華明,湖南華曙的許小曙,技術(shù)不一樣,排名沒有價值。目前王華明、顏永年參與了上市公司產(chǎn)業(yè)化,華科大曾經(jīng)有深圳創(chuàng)投介入,西交大資本化較弱。
從國內(nèi)整個產(chǎn)業(yè)鏈來講,技術(shù)基本是看了國外的,在國內(nèi)高校研發(fā),進行產(chǎn)業(yè)化,SLMSLSSLAFDM技術(shù)在國外都有競爭力,但是材料、激光器需要進口,利潤較薄,高端機器和材料上還是國外壟斷,國內(nèi)市場在全球份額在8-10%。
一、3D打印需要依托多個學(xué)科領(lǐng)域的尖端技術(shù),至少包括以下方面:
信息技術(shù):要有先進的設(shè)計軟件及數(shù)字化工具,輔助設(shè)計人員制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型,并且根據(jù)模型自動分析出打印的工序,自動控制打印器材的走向。
精密機械:3D打印以“每層的疊加”為加工方式。要生產(chǎn)高精度的產(chǎn)品,必須對打印設(shè)備的精準(zhǔn)程度、穩(wěn)定性有較高的要求。
材料科學(xué):用于3D打印的原材料較為特殊,必須能夠液化、粉末化、絲化,在打印完成后又能重新結(jié)合起來,并具有合格的物理、化學(xué)性質(zhì)。
二、3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域:
1.工業(yè)制造:產(chǎn)品概念設(shè)計、原型制作、產(chǎn)品評審、功能驗證;制作模具原型或直接打印模具,直接打印產(chǎn)品。3D打印的小型無人飛機、小型汽車等概念產(chǎn)品已問世。3D打印的家用器具模型,也被用于企業(yè)的宣傳、營銷活動中。
2.文化創(chuàng)意和數(shù)碼娛樂:形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料特殊的藝術(shù)表達載體??苹妙愲娪啊栋⒎策_》運用3D打印塑造了部分角色和道具,3D打印的小提琴接近了手工藝的水平。
3.航空航天、國防軍工:復(fù)雜形狀、尺寸微細(xì)、特殊性能的零部件、機構(gòu)的直接制造。
4.生物醫(yī)療:人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等。
5.消費品:珠寶、服飾、鞋類、玩具、創(chuàng)意DIY作品的設(shè)計和制造。
6.建筑工程:建筑模型風(fēng)動試驗和效果展示,建筑工程和施工(AEC)模擬。
7.教育:模型驗證科學(xué)假設(shè),用于不同學(xué)科實驗、教學(xué)。在北美的一些中學(xué)、普通高校和軍事院校,3D打印機已經(jīng)被用于教學(xué)和科研。
8.個性化定制:基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)下載、電子商務(wù)的個性化打印定制服務(wù)。國內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及問題
三、3D打印機雖然發(fā)展迅速,但仍面臨一系列問題:
1.缺乏宏觀規(guī)劃和引導(dǎo)
3D打印產(chǎn)業(yè)上游包括材料技術(shù)、控制技術(shù)、光機電技術(shù)、軟件技術(shù),中游是立足于信息技術(shù)的數(shù)字化平臺,下游涉及國防科工、航空航天、汽車摩配、家電電子、醫(yī)療衛(wèi)生、文化創(chuàng)意等行業(yè),其發(fā)展將會深刻影響先進制造業(yè)、工業(yè)設(shè)計業(yè)、生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng)意業(yè)、電子商務(wù)業(yè)及制造業(yè)信息化工程。但在我國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、發(fā)展智能制造業(yè)的相關(guān)規(guī)劃中,此前對3D打印這一交叉學(xué)科的技術(shù)總體規(guī)劃與重視不夠。如今,將3D打印技術(shù)列入863計劃中,這種情況將逐步改善。
2.企業(yè)對技術(shù)研發(fā)投入不足
我國雖已有幾家企業(yè)能自主制造3D打印設(shè)備,但企業(yè)規(guī)模普遍較小,研發(fā)力量不足。在加工流程穩(wěn)定性、工件支撐材料生成和處理、部分特種材料的制備技術(shù)等諸多具體環(huán)節(jié),存在較大缺陷,難以完全滿足產(chǎn)品制造的需求。
而占據(jù)3D打印產(chǎn)業(yè)主導(dǎo)地位的美國3Dsystems、stratasys等公司,每年都投入1000多萬美元研發(fā)新技術(shù),研發(fā)投入占銷售收入的10%左右。兩家公司不僅研發(fā)設(shè)備、材料和軟件,而且以簽約開發(fā)、直接購買等方式,獲得大量來自企業(yè)外部的相關(guān)細(xì)分技術(shù)、專利,已掌握一批關(guān)鍵核心技術(shù)。
3.產(chǎn)業(yè)鏈缺乏統(tǒng)籌發(fā)展
3D打印行業(yè)的發(fā)展需要完善的供應(yīng)商和服務(wù)商體系、市場平臺。供應(yīng)商和服務(wù)商體系中,包含工業(yè)設(shè)計機構(gòu)、3D數(shù)字化技術(shù)提供商、3D打印機及耗材提供商、3D打印設(shè)備經(jīng)銷商、3D打印服務(wù)商。市場平臺包含第三方檢測驗證支持、金融支持、電子商務(wù)、知識產(chǎn)權(quán)保護等支持。而目前國內(nèi)的3D打印企業(yè)還處于“單打獨斗”的初步發(fā)展階段,產(chǎn)業(yè)整合度較低,主導(dǎo)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、開發(fā)平臺尚未確立,技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用還處于無序狀態(tài)。
4.缺乏教育培訓(xùn)和社會推廣
目前,企業(yè)購置3D打印設(shè)備的數(shù)量非常有限,應(yīng)用范圍狹窄。在機械、材料、信息技術(shù)等工程學(xué)科的教學(xué)課程體系中,缺乏與3D打印相關(guān)的必修環(huán)節(jié),3D打印停留在部分學(xué)生的課外興趣研究層面。
四、我國發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)的重要戰(zhàn)略意義:
發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè),可以在提升我國工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)水平的同時有助于攻克技術(shù)難關(guān),并且易形成新的經(jīng)濟增長點,促進就業(yè)。
當(dāng)前,全球正在興起新一輪數(shù)字化制造浪潮。發(fā)達國家面對近年來制造業(yè)競爭力的下降,大力倡導(dǎo)“再工業(yè)化、再制造化”戰(zhàn)略,提出智能機器人、人工智能、3D打印是實現(xiàn)數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù),并希望通過這三大數(shù)字化制造技術(shù)的突破,鞏固和提升制造業(yè)的主導(dǎo)權(quán),加快3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展,推動我國由“工業(yè)大國”向“工業(yè)強國”的轉(zhuǎn)變。
發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè),可以提升我國工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)水平,提高工業(yè)設(shè)計能力
傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)方法,往往是先開磨具,然后再做出樣品,而運用3D打印技術(shù),無需開磨具,可以把制造時間降低為以前的1/10到1/5,費用降低到1/3以下。一些好的設(shè)計理念,無論其結(jié)構(gòu)和工藝多么復(fù)雜,均可利用3D打印技術(shù),短時間內(nèi)制造出來,從而極大地促進了產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計,有效克服我國工業(yè)設(shè)計能力薄弱的問題。
發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè),可以生產(chǎn)出復(fù)雜、特殊、個性化產(chǎn)品,有助于攻克技術(shù)難關(guān)
3D打印可以為基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)的研究提供重要的技術(shù)支持。在航天、航空、大型武器等裝備制造業(yè),零部件種類多、性能要求高,需要進行反復(fù)測試。運用3D打印,除了在研制速度上具有優(yōu)勢外,還可以直接加工出特殊、復(fù)雜的形狀,簡化裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計,化解技術(shù)難題,實現(xiàn)關(guān)鍵性能的趕超。
發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè),可以形成新的經(jīng)濟增長點,促進就業(yè)
隨著3D打印的普及,“大批量的個性化定制”將成為重要的生產(chǎn)模式。3D打印與現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的緊密結(jié)合,將衍生出新的細(xì)分產(chǎn)業(yè)、新的商業(yè)模式,創(chuàng)造出新的經(jīng)濟增長點。
如自主創(chuàng)業(yè)者可以通過購置或者租賃低成本的3D打印設(shè)備(一些3D打印設(shè)備已低于1萬元),利用電子商務(wù)等平臺提供服務(wù),為大量消費者定制生活用品、文體器具、工藝裝飾品等各類中小產(chǎn)品,激發(fā)個性化需求,形成一個數(shù)百億甚至數(shù)千億元規(guī)模的文化創(chuàng)意制造產(chǎn)業(yè),并增加社會就業(yè)。
五、支持我國3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策建議:
采取財稅金融政策上積極支持、積極引導(dǎo)建立行業(yè)協(xié)會,鼓勵研發(fā),加強教育培訓(xùn)等措施,進一步促進3D打印社會化推廣。
制定數(shù)字化制造規(guī)劃,促進3D產(chǎn)業(yè)優(yōu)先發(fā)展
建議將3D打印技術(shù)定位為生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)、文化創(chuàng)意、工業(yè)設(shè)計、先進制造、電子商務(wù)及制造業(yè)信息化工程的關(guān)鍵技術(shù)和共性技術(shù),將該產(chǎn)業(yè)納入優(yōu)先發(fā)展產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)品目錄。在財稅金融政策上,鼓勵企業(yè)投資、研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用3D打印,支持3D打印設(shè)備的進出口。
加強產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、行業(yè)協(xié)會建設(shè),推動3D產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展
積極引導(dǎo)工業(yè)設(shè)計企業(yè)、3D數(shù)字化技術(shù)提供商、3D打印機及材料研發(fā)企業(yè)和機構(gòu)、3D打印服務(wù)應(yīng)用提供商組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,利用有關(guān)學(xué)會、協(xié)會的平臺加強研討和交流,共同推動3D打印技術(shù)研發(fā)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定。促進3D打印技術(shù)發(fā)展的市場平臺建設(shè),包括3D打印電子商務(wù)平臺、3D打印數(shù)據(jù)安全和產(chǎn)權(quán)保護機制、3D打印及周邊項目投融資機制等,促進產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
加大科技扶持力度,提升3D打印技術(shù)水平
設(shè)立專項基金,重點推進數(shù)字化技術(shù)、軟件控制、打印裝置、材料技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)。在研發(fā)扶持中,要注意建立公平、公正的研發(fā)績效評估體系,鼓勵各研發(fā)主體探索不同的技術(shù)路徑。加強對3D打印產(chǎn)學(xué)研合作的支持,特別對實施產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)在市場銷售、社會推廣上給予政策支持。
加強教育培訓(xùn),促進3D打印社會化推廣
將3D打印技術(shù)納入相關(guān)學(xué)科建設(shè)體系,培養(yǎng)3D打印技術(shù)人才。依靠行業(yè)協(xié)會、博覽會、論壇等組織形式進行3D打印技術(shù)和周邊應(yīng)用的培訓(xùn)。在科技館、文化藝術(shù)中心、青少年活動中心等公共機構(gòu)進行3D打印技術(shù)的展示、宣傳和推廣。發(fā)展3D打印服務(wù)中心,推廣3D打印技術(shù)應(yīng)用,為發(fā)展3D打印產(chǎn)業(yè)積累應(yīng)用經(jīng)驗。
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