【解析】3D打�。簭牧孔兊劫|變

文/財經周刊
什么都可以做，但是做什么都有一定問題——這是3D打印給人們的初步印象�！扒皫啄�3D打印概念很火爆，但國內3D打印整個行業(yè)的市值加起來，可能都沒有3D打印概念股一個漲停多�！敝袊�最早的3D打印機制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(fā)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打印，又名增材制造，正擺脫“中看不中用”的尷尬，已經在很多行業(yè)中登堂入室，替代傳統(tǒng)工藝制造的零部件，不僅在復雜性上進一步發(fā)揮其固有優(yōu)勢，在材料性能上已經可以媲美甚至超越傳統(tǒng)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打印制造的發(fā)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，制造速度更提高數(shù)倍。
　　
曾被稱為“第三次工業(yè)革命”的3D打印，曾經在許多業(yè)內人士看來只能是傳統(tǒng)制造業(yè)的補充，現(xiàn)在終于有了挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的底氣。3D打印這一技術早在上世紀80年代就已經出現(xiàn)，比日本佳能公司推出噴墨打印機的時間只晚了四年。1984年，美國發(fā)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打印的鼻祖。
　　
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(fā)出有別于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(fā)使用激光熔融技術的3D打印系統(tǒng)，這套系統(tǒng)將用于制造F-35戰(zhàn)機和其他武器系統(tǒng)。在美國空軍之前，波音和空客公司都已經開始嘗試使用3D打印機打印飛機機翼等配件。
　　
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“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術”獲得國家技術發(fā)明獎一等獎。
　　
相較于傳統(tǒng)的大型鈦合金結構件整體鍛造，激光直接制造是用高功率的激光束對粉末絲材進行熔化，實現(xiàn)材料逐層添加，直接根據(jù)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(yè)裝備、材料利用率高、生產周期短，加工設計靈活度高，大大降低了制造成本。
　　
這種技術已經被應用于制造飛機上的結構件。2010年，王華明團隊利用激光直接制造技術制造了國產大飛機C919的中央翼根肋，比傳統(tǒng)方法節(jié)省90%以上的材料，且性能更佳。不過，當時3D打印技術還只能用于試生產，因為質量的可重復性和穩(wěn)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打印最多是做一部分零部件，“如果說是第三次工業(yè)革命，目前還到不了這個層次”。
　　
這也是郭戈曾經的觀點——3D打印技術在各個行業(yè)，只要涉及實體開發(fā)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(yī)療及產品開發(fā)過程中應用較多，或者小批量的零件生產。
　　
不過，現(xiàn)在郭戈的看法有所改變，雖然在他所從事的塑料打印領域變化不大，但金屬的快速成形技術進步飛快，這跟航天軍工對于成本不夠敏感有關，而且打印的部件性能已經足夠滿足要求。
　　
主要從事3D打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(jiān)韋旭剛看來，其實這兩年3D打印行業(yè)發(fā)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�！彼�說，泡沫過去后，做產業(yè)的人沉淀下來才容易出成績，現(xiàn)在到了厚積薄發(fā)的時候。
　　
“3D打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�！彼�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，回國后四處收集資料，并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制造研究中心，從事產業(yè)化開發(fā)的太爾科技、西安瑞特、武漢濱湖等企業(yè)也先后成立。
　　
2012年4月，已經74歲的顏永年在江蘇昆山成立了昆山永年先進制造技術有限公司（下稱昆山永年），專門開發(fā)3D打印技術設備。五年多后的今天，他們生產的激光金屬3D打印設備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(yè)有所應用，3D打印義齒也是首批拿到衛(wèi)生部門認可的產品。
　　
“高技術的發(fā)展到一定的時候，提高的速度就比較快，現(xiàn)在的3D打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(xiàn)在更多是在用得起的地方，例如航天、軍工和高端模具�！鳖佊滥陮ω斝掠浾哒f。
　　
在他看來，3D打印零部件首先要耐高溫、耐疲勞，這是工業(yè)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打印部件作為承力件還是比較難，就是塑性不夠。
　　
目前金屬3D打印包括兩大類技術：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。
　　
昆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。

　　

華中科技大學快速制造中心蔡道生教授告訴財新記者，這幾年3D打印發(fā)展非�？�，因為嘗試得比較多了，就有了很多的經驗�，F(xiàn)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(xiàn)在出現(xiàn)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(xiàn)在快的達到幾秒鐘�！彼�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打印技術，就是結合金屬沉積（BMD）技術，該技術是美國Desktop Metal公司的發(fā)明專利，打印速度是傳統(tǒng)的選擇性激光熔融（SLM）等金屬設備的50-100倍，也為3D打印機進入大規(guī)模制造邁出了堅實的步伐。
　　
這家在2015年才成立的初創(chuàng)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打印領域的獨角獸企業(yè)。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(yōu)勢在于，普通3D打印機一天可以打印12個金屬零件，而它們一天可以打印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(fā)展前景的前30大技術先鋒之一，并入選《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(fā)出了兩款金屬3D打印機，采取與當前大多數(shù)3D打印機完全不同的機制，而且不會使用激光器，讓工業(yè)金屬3D打印更小、更快、更經濟，比現(xiàn)有的激光技術便宜10倍，速度則提升了100倍，公司承諾打印出來的金屬零件可以媲美傳統(tǒng)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(yè)到中國來上市，還有塑料3D打印獨角獸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(chuàng)立德國3D打印網絡聯(lián)盟3D Netzwerk，致力于3D打印在德國工業(yè)界的推廣和與傳統(tǒng)工業(yè)的結合。
　　
科赫曾經撰文指出，工業(yè)4.0不是革命，而3D打印才是。他認為，工業(yè)4.0只是所謂的第三次工業(yè)革命的繼續(xù)，在工業(yè)4.0中，批量化和個性化大量生產只能通過3D打印技術來實現(xiàn)，3D打印改變了生產產品的方式——何時何地由誰如何來生產�！笆褂眯碌母咝阅堋⒊�快速和低成本的3D打印工藝的工業(yè)革命正在進行中�！彼�說。

　　

2014年9月，首臺Zero-G Printer被送入國際空間站，同年12月，實現(xiàn)人類首次空間微重力環(huán)境下的增材制造。NASA指出，此舉有望將國際空間站轉變?yōu)橹圃旃�廠，緩解空間站的補給壓力。
　　
歐洲空間局的AMAZ戰(zhàn)略，也實現(xiàn)了多金屬增材制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打印月球基地的建造戰(zhàn)略，建造速度高達3.5米/小時，可實現(xiàn)鏈狀屋頂結構、胞狀墻體結構的優(yōu)化設計與直接成形。
　　
如果使用傳統(tǒng)的制造方法，一些發(fā)動機關鍵零件是由多個鑄件或鍛件通過焊接/釬焊或螺栓組裝而成，而3D打印技術可以讓這些復雜零件一次成形，使得發(fā)動機中子部件的數(shù)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(fā)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打印技術最為純熟的首款發(fā)動機，約35%發(fā)動機零部件采用了3D打印制造，將原先應用傳統(tǒng)制造技術制造的855個零件減少為12個3D打印零件，包括軸承座、發(fā)動機機匣、排氣管、燃燒室襯套、熱交換器和氣路靜子部件。依托于各種新技術，ATP發(fā)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(fā)動機GE9X——波音777X的核心動力源，也采用了3D打印技術打印其燃油噴嘴。2017年年中，GE宣布計劃建造世界上最大的激光粉末添加劑制造機atlas，該設備使用激光模制金屬粉末，并能夠構建測高達1立方米的零件。
　　
不僅GE，國際上另外兩家航空發(fā)動機巨頭也未缺席。羅羅公司的湍達XWB-97引擎，采用3D打印1.5米前軸承殼和葉片，實現(xiàn)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，采用3D打印構件后，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(tǒng)奧巴馬曾說，3D打印將為幾乎所有產品的制造方式帶來革命性變化。2017年12月，中國12個部委聯(lián)合發(fā)布《增材制造產業(yè)發(fā)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(yè)，打造2-3個具有國際影響力的知名品牌”。

2016年12月9日，美國舊金山的一家初創(chuàng)公司Apis嘗試用移動3D打印機建成一座房子，引起圍觀。

　　
也是在2017年12月，中國航空發(fā)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(yè)金屬3D打印協(xié)同創(chuàng)新合作框架協(xié)議》，三家央企將以市場化方式共同開展金屬3D打印協(xié)同創(chuàng)新合作，促進金屬3D打印技術的研發(fā)和產業(yè)化應用。

　　

2018年1月31日，證監(jiān)會發(fā)布了新一年的工作計劃，其中有一條與3D打印高度關聯(lián)：符合國家發(fā)展戰(zhàn)略的“智能制造”等產業(yè)的相關公司將得到特別的支持。毫無疑問，3D打印就是智能制造的典型代表。
　　
韋旭剛說，目前A股市場還沒有一個純粹的3D打印企業(yè)上市，也從側面說明業(yè)內龍頭企業(yè)的年扣非凈利潤還沒達到3000萬元以上。畢竟這個產業(yè)國內年產值才剛剛突破100億元，而公司數(shù)量則多達500家以上，可謂僧多粥少。


中國絕活
　　
3D打印技術目前至少有數(shù)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，如果說美國處于第一梯隊，那么德國、中國、瑞典等國處于第二梯隊。
　　
在金屬3D打印主流技術中，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(yè)；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(yè)；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打印設備龍頭之一，他們以西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室為技術依托，主要從事高性能致密金屬零件的激光立體成形制造，以及金屬零件的激光修復再制造，涵蓋各種鈦合金、高溫合金、不銹鋼、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(xiàn)的結合金屬沉積（BMD）技術上，美國Desktop Metal公司獨樹一幟，打印速度是傳統(tǒng)的SLM等金屬3D打印設備的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，然后將其擠壓出想要打印的形狀，再移動到燒結爐中定型。通過這種方式3D打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制造的金屬部件一樣穩(wěn)定。
　　
“結構易仿，制造不易，科學更難�！蹦暇┖娇蘸教齑髮W教授顧冬冬說，未來3D打印技術發(fā)展的創(chuàng)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、精準可控的增材制造工藝、實現(xiàn)復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(zhàn)。
　　
雖然很多3D打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(shù)字制造裝備與技術國家重點實驗室工藝方向學術帶頭人、武漢天昱智能制造有限公司首席科學家張海鷗教授的研發(fā)重點在應用于航空領域的高端金屬鍛件。1998年回國后，他和妻子張桂蘭帶領團隊用了15年終于破解了困擾金屬3D打印的世界級技術難題，實現(xiàn)了國際首創(chuàng)的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng)新。
　　
他們首先在金屬3D打印中復合了銑削，邊打印邊銑削加工，解決了金屬3D打印出的制件表面粗糙的問題；而后，通過在3D打印中復合鍛打的方式，打印出飛機用鈦合金、高溫合金、海洋深潛器、核電用鋼等高端金屬鍛件，其穩(wěn)定性能均超過傳統(tǒng)制件。

2016年7月，張海鷗團隊研發(fā)出微鑄鍛同步復合設備，并打印出全球第一批鍛件：鐵路關鍵部件轍叉和航空發(fā)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(xié)議。
　　
目前由“智能微鑄鍛”打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打印出來的高端金屬件的4倍，也是世界上惟一可以打印出大型高可靠性能金屬鍛件的增材制造技術裝備。
　　
“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(fā)動機承力的關鍵零部件。在他看來，3D打印不光是在性能上要超過傳統(tǒng)零部件，也是數(shù)字化智能制造的方向。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(yè)上的應用大大推進一步。
　　
張海鷗認為，單純的3D打印不可能與傳統(tǒng)制造業(yè)形成有效競爭，一定要和傳統(tǒng)技術結合，并且要低成本高效率的結合，實現(xiàn)數(shù)字化。他們的戰(zhàn)略是，先能夠制造國防工業(yè)上的關鍵零部件，形成造血功能后向工業(yè)界滲透，逐步鋪開。
　　
鑫精合激光科技發(fā)展有限公司（下稱鑫精合激光）執(zhí)行董事李廣生告訴財新記者，現(xiàn)在3D打印技術的成熟度讓從業(yè)者對技術的理解更深了，不光是激光技術、粉末技術的進步，關鍵是軟件的進步，掃描策略越來越成熟。在他看來，實現(xiàn)3D打印件達到鍛造水平其實不難，但工業(yè)界對此還沒有標準，隨著成本降低，推廣力度加大，工業(yè)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(yè)，其技術在國際上也屬領先。目前，大尺寸3D打印機主要采用同軸送粉及撲粉兩種方式，方法屬于激光直接沉積技術（LDM），屬于送粉技術，結合擠壓的工序，可以達到鍛造水平。
　　
鑫精合激光在遼寧省沈陽市有一個11臺3D打印機的生產基地，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打印設備來看，還有很多差距，核心算法的缺失是最大的短板。

　　

據(jù)李廣生介紹，目前3D打印的核心算法都掌握在比利時Materialise公司手中�！耙慌_兩三百萬元的3D打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盤。這和數(shù)控機床領域的情況是一樣的，一臺數(shù)控車床8萬-10萬，操作系統(tǒng)就要給西門子一兩萬，最后我們只有幾千塊的利潤�！�
　　
“我們硬件的一致性越來越好，但軟件還是很難突破�！痹诶顝V生看來，3D打印的突破比數(shù)控機床要容易，因為運動比較簡單，“如果說數(shù)控系統(tǒng)要落后30年，在3D打印系統(tǒng)上我們落后三到五年”。

來源：財經周刊