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3D打印:前景可观 梦想照亮现实

未知 2019-07-11 10:53

  武汉有着领先全球的3D打印技术,当下最重要的是及时重点布局,积极发展完善产业链,否则在激烈的竞争下,先天优势将会磨灭

  衣服、鞋子、瓷器、桌子、汽车、飞机,只要你看到的,甚至只要你想到的,都能通过它变成现实。它不是童话故事里的阿拉丁神灯,也不是机器猫的百宝袋,而是一台3D打印机。

  它的工作原理是这样的:先在电脑里建立所需物体的模型,然后把模型分成很多层的结构,用一个机器取一些原材料现在来说一般是金属和塑料机器把材料融化,再和喷墨打印机一样,将融化的材料用喷嘴喷出,打印出结构的第一层。然后是第二层、第三层每一层逐渐叠加,当所有层都打完时,你需要的物体就出现了。

  与传统的制造物体的方式相比,没有冗长而又昂贵的模具制造过程,也不需要规模化的生产场地,甚至在家里就能够轻松完成。

  这些更像是出现在科幻片中的场景,虽然还不是现实,但是正在逐渐进入我们的视野,这样一种新的制造物体的方式,有可能会改变我们的生活。

仍未长大

  当3D打印机能够打印飞机、汽车、鞋子和衣服的新闻开始频频出现在网络、报纸、电视等媒体上时,这个看起来高深莫测的技术也被越来越多的人所了解和熟知。

  严格来讲,3D打印不算是新兴行业,最初的技术可以追溯到上世纪80年代,它发端于美国军方的快速成形技术,与传统成形方法截然不同,它通过电脑创建的三维设计图将材料分层打印叠加,最终整体成形,因而也被称为增材制造技术。

  在国内,3D打印技术多少都与清华大学存在渊源。早年清华机械系颜永年教授在日本开会时了解到快速成型技术,回国后便四处搜集资料,组织研讨会。之后清华大学、华中科技大学(时称华中理工)、西安交大等高校便开始这方面的研究,并催生相关企业。

  这就如同投下了一颗颗种子,许多年之后快速成型技术能在中国生根发芽也得益于此,从而也就决定了中国3D打印企业的基因高校背景。

  1992年清华大学研制出了国内第一台快速成型设备,并在1993年成立产学研项目北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司(下称殷华)。同年成立的北京隆源自动成型系统有限公司(下称隆源)则是独立于高校体系外不多的行业先驱。

  事实上,在中国3D打印产业版图中,殷华代表最主要的一类企业:由从事3D打印相关技术研究的高校老师主导成立,研发费用主要来自国家科研项目,市场选择等。

  进入21世纪,国家将快速成型制造列入高职教育的培养方案,拉开了教育界对这类设备的采购热潮,殷华等企业获得了成长空间。

  虽然已经过20多年的发展,但3D打印似乎仍没长大。据媒体报道,截至目前,隆源已实现的销售收入不过1900万元,其中机器销售不足1100万元。

  从全球市场范围看,据美国消费者电子协会发布的报告称,2011年全球3D打印市场规模为17亿美元,而2012年英国螺丝机械市场规模就超过10.57亿美元。

  另有数据显示,目前已在纳斯达克上市的两大3D打印机制造巨头Stratasys和3D Systems2011年营收分别仅为1.7亿美元和2.9亿美元。而同年苹果CEO蒂姆库克的薪资福利就高达3.8亿美元。

  国际巨头尚且如此,国内的中小企业可见一斑。

3D打印在武汉

  1986年,美国3D Systems公司成功研发了世界上第一台3D打印机。

  1991年,湖北武汉,由著名机械制造专家黄树槐牵头成立了华中理工大学(现为华中科技大学)快速制造中心(下称中心),研发基于纸材料的立体打印机。

  1994年,我国首台具有自主知识产权的立体打印机诞生于该中心。次年,该中心成立武汉滨湖机电技术产业有限公司(下称武汉滨湖),转化3D打印技术。

  4年后,史玉升来到中心工作,负责研发基于固态粉末材料的快速制造技术与装备。原材料研发成为了他工作中的第一个难题。

  几经周折,最后是通过朋友的介绍,他了解到一种名为聚苯乙烯的材料,用聚苯乙烯做测试的结果显示,这种材料正好符合要求。

  要知道,3D打印是一个多学科交叉的技术。史玉升回忆:虽然研究上取得了进展,但中心学科背景单一成为研究的最大掣肘。为破解该难题,在学校的支持下,中心开始引进机械、信息、光学、计算机、自动控制、力学、新型材料等领域的人才,并开展交叉学科研究。

  目前,快速制造中心已从最初的不到10人发展到100多人,成为华中科技大学最大的研发团队之一,史玉升就是中心现在的负责人。

  在过去的22年里,中心先后研制出多款3D打印机。2000年,该中心研发出0.4米0.4米工作面的基于粉末床的快速制造装备;2003年,扩大到0.5米0.5米,超过了当时代表国际先进水平的美国3D Systems公司;2005年以后,工作面达到1米1米以上;2011年,工作面达到1.2米1.2米,被誉为全球最大3D打印机。

  从2000年至今,武汉滨湖共卖出200多台3D打印设备,单价在100万左右,提供了上万次打印服务,每年销售额增长约为15%。

  将研发的成果迅速商业化,进而实行产业化生产,让3D Systems公司得到快速发展,一跃成为业界巨头,现已先后在美国的纳斯达克和纽约证券交易所上市。与国内情况不一样,他们的研究经费都由股东来出。

  而在国内,大学实验室似乎只负责研发,他们的研究费用很大部分来自于国家的拨款,对于研发的成果能否产业化,没有太多人关心。这也成为制约我国3D打印行业发展的一大障碍。

  研发新型工艺与装备需要较大的经费支持,周期也长。光靠国家的经费支持是远远不够的。对此,史玉升深有感触。

  几年前他在山东济南宣传立体打印机技术时,被认为是在忽悠。尽管他卖力吆喝,声称不需要模具即能直接制作出蜡模,可别人就是不买账。

  正是这件事让史玉升下定决心,要走自己的创业之路,走与企业合作之路,走国际合作之路。史玉升的另外一个身份就是武汉滨湖的董事长。

  这三条路都是为了尽快提高学术水平、搞好学科建设、将科研成果转化为生产力。在他看来,企业技术水平的提高,也可以促进研发团队的良性发展。生产一代、研发一代、预研一代、探索一代,是他们要坚持的产学研合作之路。

  事实上,华中科技大学快速成型机制造中心相对于其他研发中心算是走在前列,其所属的武汉滨湖机电,早期就曾吸纳过创投资金。

  现在想来投资的人太多了,我们不缺钱,缺乏管理体制。史玉升介绍,2012年,武汉滨湖启动了股改,并开始了经理层的职业化。

  虽然已经很前卫了,但是在史玉升看来,产业化的步子还可以迈得更大。作为一家校办企业,武汉滨湖有科研场所,缺生产空间。天天在外面打游击,今天被涨租子的赶出来,明天去借一下别人的场地,非常艰难。

  产能不够在一定程度上限制了新技术推广。加工服务没有主动去做,连生产的3D打印材料也只能满足自用。史玉升笑谈,很多客户都是守来的兔子。于是他开始琢磨,该找个稳定的生产基地了。

  近日有消息传出,中国首个3D打印工业园将落户武汉东湖高新区。该项目由华中科技大学主导,规划首期用地500亩。

  据史玉升透露,我们正在光谷选址,准备建一个大型快速制造中心,集打印设备制造、产品加工服务和材料制造于一体,以适应市场需求。

  与此同时,武汉市发改委等部门正针对3D打印产业,进行摸底调查,拟着手编制规划并予以扶持培育。

不止基因局限

  作为早期投资者,深创投最近从武汉滨湖实现了股权退出。之所以退出,深创投的一位负责人表示,对市场前景和教授们的经营能力均不太认可。作为华中科技大学的前校办企业,武汉滨湖在管理体制上存在种种约束。

  这种高校背景的基因,在3D打印产业发展的初期有至关重要的影响。国家提供的技术经费在一定程度上能够保证研发的持续,但是发展到一定阶段后,基因就开始制约企业发展,使其不能充分适应市场规律。

  因为国内的商业环境,产品价格被拉下来了。隆源总经理冯涛在接受媒体采访时抱怨。在冯涛看来,没有高校背景的隆源不赚钱的原因比较复杂,这是其主要原因。他表示,隆源在一些公开招标中,经常遇到高校背景的同行,而他们(报价)总是比我们便宜。

  个中原因不难理解,高校企业很容易获得从中央到地方的各项政策支持,如科研资金、土地使用等,这些是市场化程度较高的隆源无法获得的。

  校办化特色鲜明,给中国3D产业发展带来的影响还不仅于此。另有业内人士评价中美3D打印产业表现出来的差异:在美国搞3D,一个项目出来,一定要有经济效益,所以在选题各方面非常谨慎。国内依托于高校形成的公司有一个缺点,很多东西都尝试过,但是没有最后形成一个真正能够商业化、产生效益的结果,最后可能就是做了一台样机,发表一篇文章,得了一个什么奖,然后就停在那里,没有往下走的东西了。

  除了基因的原因外,3D打印的材料供给也是阻碍产业发展的一个瓶颈。目前3D打印耗材有限,多为石膏、塑料、可粘结的粉末颗粒、树脂等。由于制造精度、复杂性、强度等难以达到较高要求,国内有能力生产3D打印材料的企业并不多,它们主要依赖进口。

  此外,使用3D打印机制造商品,其成本要远高于大型企业规模化生产后均摊到每一件商品的成本。而批量生产也比3D打印产品制造速度要快得多。据报道,一个飞机小零件的3D打印品,价格高达2万元。

  还有制造速度。华中科技大蔡道生教授介绍,如果新研发一个新产品,单件小批量生产,用3D打印肯定比传统开模具生产要快,但如果批量生产,3D打印速度要慢得多。这和普通打印一样,打印几张纸用打印机很快,但如果印书,到印刷厂做成模板再印,快得多。

  最后是性能。业内人士坦言,由于3D打印采用层层叠加工艺,层和层之间的粘结再紧密,也无法和传统模具整体浇铸的零件相媲美;同时,每一层的厚度再薄,也是一层一个坎,外表面仍需打磨才能满足精度要求。

  这样的现状表明,3D打印距大规模商用,仍有漫漫路途。

前途可观

  过程漫长,但应用前景却很可观。

  从美国消费者电子协会发布的年度报告来看,当今3D打印的市场中消费品和电子领域约占20.3%,机动车领域占19.5%,医疗和牙科领域占15.1%。他们预计随着汽车、航空航天、医疗保健等市场需求的持续增长,市场规模到2017年可达50亿美元。

  其中在医学上的应用最引人注目,因为这方面的材料最难做,费用最高。在实验室测试中,新的骨骼替代打印材料已经被证明可以支持人体骨骼细胞在其中生长,并且其有效性也已经在老鼠和兔子身上得到了验证。未来数年内,打印出的质量更好的骨骼替代品将帮助外科大夫用于临床使用。

  3D打印机可以做的事远不只这些。在高级航空业和汽车制造业,3D打印已经变得越来越流行;通过3D打印机,可以用激光烧结直接制造复杂的塑料、金属和合金元件,而不再需要工序麻烦地制作很多不同的元件去组装它。

  正因3D打印的广泛应用和前景,政府也开始关注这个产业,并积极参与其中。

  2012年12月16日,在武汉举行的2012年增材制造技术国际论坛暨第六届全国增材制造技术(即3D打印)学术会议上,工信部副部长苏波表示,近期要加强顶层设计和统筹规划。组织研究制定增材制造技术路线图、增材制造业中长期发展战略,推动完善增材制造技术规范与标准制订,促进产业健康可持续发展。

  政策的推动让业界很亢奋,其市场规模预期也在不断刷新,在A股市场3D打印概念股重现井喷行情,纷纷强势涨停。同时,海外市场热度不减。据安信证券近期公布的研报显示,2012年以来,全球两家3D打印机制造巨头,Stratasys股价翻番,3D Systems股价增加了近2倍。

  已经有越来越多的人预言,3D打印技术将会是掀起第三次工业革命最重要的技术之一。日益受到热捧的3D打印机或许仍将享受一段时间的风光,但究竟其能否及何时真正改变世界,仍是未知数。

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