3D打印制造业

　　虽然对第三次工业革命何时到来，国内各界仍普遍持谨慎态度。然而，3D打印、人工智能、新材料、新一代信息技术等一系列关键技术的成熟和产业化，都透露出新一轮工业革命并非空穴来风。

　　传统制造业的国际分工格局，正逐渐被新技术带来的分散化生产以及消费者多元化的需求打破。特别是2008年金融危机之后，那些走向产业空心化的国家深刻认识到制造业对于国民经济的重要性，遂寄望于新技术将制造业拉回。

　　如果未来在以3D打印为代表的数字化制造技术上失去话语权，中国制造业将遭遇残酷的打击：传统的制造手段和生产模式将被取代；人力成本低廉等比较优势必然丧失；中国企业踯躅于产业链低端的现实将进一步恶化。

　　而中国是否能抓住这一轮技术创新的机遇，很大程度上是在逼问中国是否有能力改革现有的创新体系。

　　颜永年决心最后一搏。74岁的他，在2012年创立了昆山永年先进制造技术有限公司，并出任董事长，为此，他把家从北京搬到了昆山阳澄湖边。

　　相比创办企业，颜永年在学术上的成就已有定论，正是他在清华大学任教时把3D打印的概念和早期技术引入国内。在颜永年看来，制造科学如果脱离了产业化，含金量就大打折扣，因此退休五年后，他仍打算实现在校任教时未能完成的心愿——办一家完全市场化的公司，将研究成果产业化，3D打印就是那项昭示未来的研究成果。

　　3D打印，是增材制造的俗称，其核心是数字化、智能化制造与材料科学的结合。与传统上对原材料进行切削的减材制造方法正相反，3D打印的过程好比用砖头砌墙，逐层增加材料，最终形成物件。

　　以3D打印为代表的数字化制造技术，被《经济学人》杂志认为是引发第三次工业革命的关键因素，“其将改写制造业的生产方式，进而改变产业链的运作模式”。

　　首先，数字化制造技术将大大减少直接从事生产的操作工人，劳动力所占生产成本比例随之下降。此外，数字化制造的个性化、快捷性和低成本能够更快地适应本地市场需求的变化，包括满足小批量产品的生产需求。这些都促使发达国家鼓励厂商把部分制造业迁回本国，对中国这样的传统制造业大国无疑敲响了警钟。

　　不过，中国在3D打印方面的理论研究和尝试并不算晚。富庶而开放的江浙一带已有不少企业在运用这项技术，仅昆山一地，就有20余家企业利用3D打印为周边发达的产业集群提供设计打样服务。

　　而距昆山1.4万多公里的美国纽约，有着3D云打印之称的Shapeways正忙着搬家，将其运营重心从荷兰移至纽约。Shapeways在皇后区占地2.5万平方米的工厂取名为“未来工厂”，这是全世界规模最大的3D打印工厂。2012年10月18日，在工厂开业仪式上，纽约市长迈克尔·布隆伯格(Michael Bloomberg)手中那把剪彩的剪刀，就是3D打印制造。隔河相望的曼哈顿区，聚集了众多年轻的3D打印企业。中国科学院自动化研究所研究员王飞跃观察，即使在2008年金融危机后，这些企业仍保持快速发展。

　　自从工厂出现以来，产品与消费者之间的距离从未如此接近过。3D打印给消费者带来了在大规模生产和个性化制造之间进行选择的自由。如果你想要一个与自己相貌一样的玩偶，用3D打印机制作，成本可能只要100元；如果委托工厂，也许要花1万元。

　　业内人士将2012年的3D打印机视为像1977年个人计算机和1990年网页浏览器一样，是一个崭新的市场从萌芽期进入成长期的转折点。虽然3D打印技术目前尚未颠覆传统制造业——传统制造业的规模效应依然占据优势，但前者正慢慢抢走市场份额。

　　工信部已经嗅出了危机的味道。2012年12月14日，工信部副部长苏波在增材制造技术国际论坛上透露，中国将提速3D打印技术的研发和产业化。这一信息标志着3D打印正式纳入了中国工业主管部门的视野。

　　革新的号角

　　美国3D打印设备巨头3D Systems(DDD.NYSE)的创始人，查尔斯·胡尔(Charles W. Hull)比颜永年小1岁，他至今仍管理着公司，担任执行副主席一职，还是公司的首席技术官。

　　1982年，在一家紫外线设备生产企业任职的胡尔，尝试把光学技术应用于快速成型领域。他将一种液态光敏树脂倒入大容器中，在容器里放置一个升降平台，容器上方的紫外激光器根据计算机指令照射液面，所到之处，材料会发生光聚合反应，迅速从液态转变为固态，当一层打印完成后，未被照射的地方仍保持液态，此时在液面以下0.05毫米-0.15毫米的升降平台会下降一层，激光器开始打印第二层。这个过程不断重复，直到整个物件制造完毕。这项立体光刻(SLA)技术就是最早的3D打印。

　　胡尔于1986年申请了专利，并成立3D Systems公司。“30年前发明这项技术时，我们觉得这对制造业来说是一个机会。”胡尔的合伙人、3D Systems公司总裁亚伯拉罕·雷切特勒(Abraham Reichental)对《财经》记者说，“现在，客户比我们还要积极，推动我们进行适用性研究。五年前，大部分客户购买设备用于设计；从两年前开始，有一半的客户用在了直接制造上。”

　　3D打印不需要模具，可以直接进行样品原型制造，因而大大缩短了从图纸到实物的时间。任何形状复杂的零件，都可以被分解为一系列二维制造的叠加。

　　这种快速制造的理念还衍生出多种不同的技术类型，除了SLA，常见的有熔融沉积造型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、三维打印(3DP)等，其基本工作原理都是逐层增加材料，最终形成物件，因此，这些技术都被通俗地称作3D打印。

　　许多种“耗材”都可使用3D打印：沙子、人造橡胶(26075,-435.00,-1.64%)、塑料(10930,50.00,0.46%)、金属，甚至生物材料；3D打印的应用范围已经渗入生物医疗、航空、汽车、工业设计等多个行业，且仍在不断拓宽。“就连美国海军都购买了90台机器用于航空领域的研发。”雷切特勒说。

　　全世界的实验室里，正在实践一些更具雄心的想法：澳大利亚的研究人员加快了制造金属零件的速度，试制出打印汽车金属零部件的设备；意大利的一个研究团队正开发用于特种建筑的3D打印机，计划使用月球尘埃为材料，在月球上快速建造人类基地。

　　除了省去制造模具的成本以外，相比传统制造工艺，3D打印对材料的利用率也惊人。美国F-22猛禽战斗机大量使用钛合金结构件，如使用传统的整体锻造方法，最大的钛合金整体加强框材料利用率不到4.9%，使用3D打印利用率接近100%。

　　3D打印技术通过对金属材料的烧结或熔化，直接生成出金属零部件的发展趋势，让传统制造业感受到巨大压力。“如果在金属材料上得到广泛应用，3D打印就可能引领新一轮工业革命。”华中科技大学机械科学与工程学院教授张海鸥预测说。

　　中国研发曲折

　　颜永年的遗憾是，1988年错过了芝加哥的一次工业展览会，没能亲睹胡尔推出的世界第一台的商用3D打印设备SLA250。同事带回来一张SLA250宣传页，已令他唏嘘不已。

　　与材料成型打了半辈子交道的颜永年，发现固有的知识被彻底颠覆，当时在美国做访问学者的他，迫切想一睹这台机器的真容，无奈展览已经结束。

　　回国后，颜永年对3D打印念念不忘，相信这是未来制造业的重要趋势。他安排学生开始做分层软件的研究——进行3D打印时，必须先用分层软件将物件的数字三维模型进行均等切分，然后分层输出，分层打印。与此同时，颜永年发出很多封电子邮件，终于在1991年将美国德雷克赛尔大学教授杰克·卡布雷(Jack keverian)邀请到清华大学讲学，随后又到西安交通大学和上海交通大学[微博]等多所高校传播“快速制造”的理念和技术。

　　中国3D打印研究的序幕由此拉开，像许多科研领域一样，大学和科研院所比企业对技术创新的潮流更为敏感，因而最先启动：清华大学、西安交通大学、华中科技大学与北京隆源自动成型系统有限公司，以技术引进为主，迅速形成了国内“三校一企”的3D打印研究阵营。

　　这一格局也映射出了中国科技创新的普遍现象：原发性的创新缺失，仍处于以跟踪模仿和消化吸收引进技术为主的阶段。

　　上世纪90年代初，一台3D打印设备价格100多万元，在清华任教的颜永年拿不出这笔钱。

　　在国内，启动像3D打印这样从零开始的技术研究难度很大，研究者必须给出充分的预期成果和应用前景论证，更重要的是，要具备一定的前期研究基础，否则，科技主管部门一般不会为之立项并给予相应经费。

　　由于项目面临诸多的不确定性，当时颜永年也没有说服学校领导，将3D打印作为一个重点项目来支持。而国内企业大部分还在忙于追赶传统制造业工艺和技术，亦难以顾及如此前沿的领域。

　　在这种情况下，课题组只好自己组建实验室。1992年，颜永年发动课题组，截流了原本可作奖金发放的经费，耗尽以前“科研收益的积蓄”，兴建了一座简易的3D打印实验室。

　　幸运的是，一家代理3D Systems产品的香港公司正期望获得核心控制软件的经验，双方各取所需，成立了中国第一家快速成型设备公司——北京殷华激光快速成型与模具技术有限公司(下称北京殷华)。清华提供智力支持，香港公司提供一台SLA250设备。与胡尔的机器失之交臂三年后，颜永年见到了真东西。

　　在取得初步研究成果后，课题组终于陆续获得了国家自然科学基金、国家“863”计划、国家攻关计划项目的经费支持。

　　然而，彼时这一产业在国外正经历低潮期，全球总产值在10亿美元水平徘徊多年。经过一段时间后，部委机构的热情渐冷，投入3D打印领域的研究经费大减，中国3D打印基础研究放缓。2003年左右，颜永年也将研究重点转向了国家当时大力推动的重型压机领域，仅留下小部分研究力量继续开发3D打印技术。

　　经费的减少，亦让华中科技大学和西安交通大学的3D打印科研团队感到了寒意，好在其分别成立了校办企业，经营收入反哺科研，研究得以延续。

　　九年之后，3D打印悄然成为2012年全球最热门的科技名词。

　　怠误市场转机

　　3D打印市场徘徊多年的主要原因在于：在工业级应用上，这项技术仍欠缺强度和精度，而且，工业级设备和原材料比较昂贵，因此，在产业化初期，这项技术更为适合新产品的开发和小批量零件的生产。

　　摸索到这一方向的国外企业，开始将定位从高端、工业级客户群体，扩宽到那些追赶潮流的消费者。正是对精度要求不高，但追求快捷、低成本的客户群，促进了其商业化的蓬勃发展。

　　近五年，全球有多家小型创业公司利用开源的计算机软件，制造出可放在个人电脑桌上的3D打印机，并将价格降低至2000美元以下。利用这些开源技术，技术发烧友也能DIY出个性化的3D打印机。

　　胡尔和他的公司3D Systems在2012年5月就研发出一款新型打印机“立方体”(Cube)，打开了日常消费市场。顾客无须学习复杂的3D设计软件，便可直接打印如棋子、首饰、厨具等物品。这些日常用品本来多是在中国等发展中国家加工生产。

　　然而，这一市场的风向转机，并没有被中国的3D打印企业准确把握。多数院校体系的企业仍专注于工业设计领域。而“三校一企”中的企业——北京隆源自动成型系统有限公司则致力于为军工和少量发动机领域提供服务。

　　具有清华大学背景的北京太尔时代科技有限公司(下称太尔时代)是调整了产品技术方向的极少数企业，“通过与市场接触，发现小型设备在当前更具有市场推力”。其副总经理颜旭涛介绍，2011年，太尔时代售出小型机3000多台，2012年增长更快。

　　而在江浙一带勇于尝试新鲜事物的企业，大多数属于并不具备研发实力的中小企业。它们能做的，不过是购置几台工业级3D打印机，像提供复印服务的便利店一样，为客户提供打样等服务。也有一些有野心的企业会从国外进口核心部件，做几款样机，或者模仿进口的3D样机做逆向研发。

　　小型3D打印机已激增为一块“看得见的”市场，同时，也带动工业级3D打印机市场逐渐有了起色。快速制造领域国际权威报告《沃勒斯报告2012》显示，截至2011年，全球累计销售4.9万台工业级3D打印机，其中近四分之三由美国制造，以色列和欧洲各国的份额分别为9.3%和10.2%，中国生产的设备仅占3.6%，与日本相当。而全球领先的六家3D打印设备制造公司，2008年销售收入达6.96亿美元，占行业总收入近60%。

[时间：2013-01-07  来源：《财经》]