3D打印：社会化制造的新时代

　　过往的人类制造史是以等材制造、减材制造为主。3D打印又称增材制造，是基于近年来自动化控制、材料、激光等多领域科技进步基础上诞生的制造理念创新，从这个角度可更深刻的理解为何3D打印得到各国政府与诸多企业的广泛关注。

　　从概念上看，3D打印确实可以“无所不能”；但从经济性和技术角度看，其定位是对现有制造工艺的补充与完善，而不是对传统制造工艺的颠覆，未来等材制造、减材制造和增材制造三者将长期共存。

　　3D打印（3DPrinting）技术作为快速成型领域的一种新兴技术，目前正成为一股迅猛发展的潮流。3D打印起源于已有较长时间工业应用历史的“快速成型技术”，是在计算机控制下，基于“增材制造”的原理，采用各种方法堆积离散材料，最终完成零件的成形与制造的技术。3D打印与传统的加工工艺通过切削、打磨、冲压来实现产品成型的过程具有本质区别，其分层制造的特性能够便捷地实现数字模型向产品实物的转化，且无需模具，产生极少的废料，在非批量化生产中具有明显的成本和效率优势。随着互联网在人类生活中的应用不断深化，以及物质文化消费需求逐渐凸显出个性化的特征，3D打印作为一种制造技术得以迅速崛起。

　　1、3D打印催生新一轮工业革命

　　3D打印具备颠覆现有制造业生产模式的巨大潜力。

　　由于3D打印无需模具，单个生产与批量生产的成本差别不大，使3D打印在非批量生产中极具优势。同时，节省材料、成本与形状复杂度无关的特性，也使得3D打印在很多场景成为比传统工艺更优的选择。基于人们对个性化产品需求的不断增强，以及研发设计环节在整个制造产业链中愈发重要的判断，我们认为，3D打印存在巨大的市场前景，在多个领域具备颠覆传统生产模式的可能。业界普遍认为，在消费级3D打印市场，基于工程塑料的热塑挤压技术将成为主流；在模型、设计领域，光敏树脂固化将成为主要技术；在金属、合金构建直接制造领域，激光烧结具有巨大的发展前景；生物材料同样具备巨大的发展潜力，在医疗、美容、保健等领域具有颠覆性。另外，由于3D打印使得产品的制造环节可以实现由数字模型到产品实物的“一键实现”，使得制造过程完全可以在用户处进行，对集约生产下的物流模式也会产生巨大冲击。

　　技术不断突破和应用持续拓宽给人们带来极大的想象空间。由于3D打印技术极易将商品的流通转化为数字模型的传播，因此，业界很多研究者认为，3D打印将成为催生新一轮工业革命的新兴技术。目前，3D打印比较成功的应用包括设计过程中的原型制造，冲模、手板等模具相关物品的制造，以及在航空和军工领域的飞行器结构件制造等。在线的3D打印服务在全球范围内也迅速兴起，成为获得个性化个人消费品、工艺品的重要途径。上述领域主要受益于3D打印无需模具的特性，在非批量制造中取得成本和效率优势。我们认为，结合社交网络对产品模型的分享传播和众包模式下大众对设计过程的广泛参与，3D打印将成为一种颠覆性的制造技术，和满足人类个性化需求的重要途径。美国Shapeways公司和Quirky公司的案例已经很好的验证了上述观点。同时，我们可以想象，随着3D打印材料类型的日益扩充、对产品性能控制能力的增强以及打印精度和体积的提升，Shapeways和Quirky这类公司的业务范围将不再局限于“中看不中用”的塑料工艺品和结构件。

　　2、3D打印在全球迅猛发展

　　在2008年开始的本轮全球金融危机当中，欧美国家普遍意识到以服务业作为主导产业的空心经济在面对经济周期波动时的脆弱性。同时，新兴国家的成本优势又使得发达国家在传统制造业上不再有竞争力。因此，结合自身技术领先的优势，发达国家普遍将目光投向以ICT技术、新材料技术、高精密机电技术和高端装备技术为代表的先进制造业，希望以前瞻布局和技术先发优势占领未来制造业的高端环节，继续保持在全球经济的主导地位。而3D打印作为一种具有全新禀赋的制造技术，被各国政府寄予厚望，成为发达国家振兴本国制造业的“救命稻草”之一。

　　“重振美国制造业计划”将3D打印作为首个振兴美国制造业的支撑技术。2012年8月，美国总统奥巴马拨款3000万美元，在俄亥俄州建立了国家级3D打印研究中心，并计划第一步投入5亿美元用于3D打印，以确保美国制造业不继续转移到中国和印度。该计划是3D打印第一次得到国家层面的重视和支持。

　　美国率先拉开制造业变革序幕。2012年10月，全球3D打印服务的代表企业Shapeways进行业务扩充，位于纽约皇后区的“未来工厂”投入运营。“未来工厂”里的机器，就是50台工业3D打印机，通过Facebook和Twitter等社会媒体，接受客户的各种产品的三维设计方案，并在数天内完成产品的打印生产，然后寄送给客户。同时，该公司还为商家和设计者设立平台，使他们可以利用公司的3D打印机生产并销售自己设计或收集的产品，目前该公司已有近15万个平台会员，6000余名设计者，至2012年6月20日，已打印了100多万个3D产品。成为以3D打印机作为生产设备的运营典范。

　　欧洲借助重点应用引导3D打印产业发展。欧洲的3D打印产业发展在尖端领域，主要由航空航天项目引领突破，如欧盟第六框架项目航空航天组件快速制造等；而在普及应用环节则借助每年一度的法兰克福模具展这一平台，聚集全球领先的快速成型技术，达到了很高的技术专业性和经济性。

　　欧洲的产业组织力度较强。著名的大型合作项目包括英国的增材制造创新中心、欧盟第六框架项目大航空航天组件快速生产Rapo-lac（Rapid Production of Large Aerospace Compo-nents）、全程专注航空航天的SMD（Shaped?MetalDeposition）技术等。同时，欧洲工业界也主动组织形成3D打印产业群，开发3D打印的市场。一度形成原始创新技术源于美国，但其后的研发和应用及商业化却是由欧盟等国家完成的局面。

　　我国3D打印技术研发起步较早，但早期投入力度不足。最先进行3D打印技术研究的是清华大学的颜永年教授，并在20世纪90年代初将3D打印的理念积极引入我国。随后，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。随后，由于受到科研经费短缺，以及产业化规模提升乏力的制约，我国3D打印技术的研发进入低潮期。

　　目前，我国3D打印企业在消费级市场、军工市场和企业市场均有所建树。与颜永年教授有着紧密关系的北京太尔时代目前在全球消费级3D打印市场占有一席之地，其产品UP！获得美国《MAKE》杂志的“年度最佳3D打印机”称号；北京航空航天大学的王华明教授及其团队研发的钛合金激光成型技术达到全球先进水平，在我国航空及军工领域获得应用；而湖南华曙高科的许小曙博士将源自于3D?Systems公司的成套技术和理念引入国内，在企业级市场占有统治地位。

　　3、3D打印与第三次工业革命

　　由于传统制造业面临自然资源、化石能源和生态环境的多方面制约，发展前景屡遭唱衰。互联网普及和物质丰富在持续推动人类物质文化消费由同质化向多样化、个性化转变。传统集约生产、批量制造的工业模式已经逐渐达到发展极限。以新一代信息技术为引领，新能源、新材料、新机械技术为支撑的第三次工业革命正在开始萌芽，未来分布式的制造业和众包式的服务业将成为人类社会化生产的主要形态，而3D打印正在此时拉开了制造业变革的序幕。

　　传统工业模式的极限已经来临。第二次工业革命是以石油和其他化石能源为基础逐步发展起来，业界预计石油能源在2010～2020年全球石油产量将达到峰值，然后在100～200年内逐步退出主要能源的舞台。近200年来，燃烧煤炭、石油、天然气推动了人类的工业化进程，向地球大气中排放了大量的二氧化碳，使地球生态系统找到极大破坏。各类有机物、金属污染更是使得地球环境变的对生物愈发的不友好。因此，我们预计以化石能源为基础的工业运行体系将逐渐崩塌。

　　新能源成为未来全球经济发展的必然选择，分布式生产将取代集约生产。在上述背景之下，可再生、清洁的新能源就成为了传统能源的必然替代品。2009年以来，各国均大力发展新能源产业，风电、光伏装机量大幅上扬，同时上网电价与火电也在不断接近，展现出巨大的发展潜力和发展前景。而新能源分布式产出的特点，决定其无法像化石能源那样支撑传统制造业的集约生产方式。因此，未来的制造业将必然是分布式的。在3D打印技术作为支撑的基础上，全球化的分工协作将从制造环节转移到研发设计环节——最终形成设计模型后，转化为产品将是任何一处工厂皆可完成的任务，向规模求效益的模式将不复存在。

　　批量生产模式难以满足日益个性化的用户需求，需求导向的社会化生产将更具优势。从新经济角度，3D打印的“制造+服务”模式会改变人类现有的生活方式。在新经济的发展过程中，通过持续的科技创新和劳动力水平提升，面向人们基本生存需要的农业和制造业的占比日益降低，以满足人类更高层次需求为目的的服务业愈发重要。随着生产力水平的提升，人们开始在集约生产带来的同质化消费之上追求更高层次的个性化、定制化。新媒体、社交网络满足了人类在精神层面的个性化需求，而3D打印正是实现物质个性化的最佳解决方案。

　　4、3D打印给中国制造业带来的机遇与挑战

　　3D打印机是未来制造业的重要组成部分，正如PC之于信息行业。对比信息行业的发展历程，工业用快速成型机相当于20世纪60年代的专用和大型计算机，而民用3D打印机则是20世纪70年代的个人PC和苹果台型计算机。目前，3D打印产业刚进入成长期不久，全球竞争刚刚拉开序幕。我国在技术水平与国外相比落后不多，具有极大的赶超可能。同时，智能软件、新材料、智能机器人、新的制造方法将形成合力，产生足以改变经济社会进程的巨大力量。

　　3D打印将颠覆我国传统制造业。目前，传统制造业已经成为我国经济的核心之一。面对第三次工业革命的冲击，任何试图以传统生产方式与新技术竞争的行为都将是徒劳的。我国制造业企业必须加深对即将到来的产业革命的认识，积极应对新技术的挑战。包括认识到3D打印对产品研发的重要提升作用、对产品性能的优化作用、开放式设计、定制化生产等的可能性。应当指出，在第三次工业革命逐渐渗透的过程中，企业核心竞争力的构建重心将发生转移。人力资源和自然资源的价格对企业竞争力的影响将大幅减弱，商业模式和业态创新能力、对市场需求的理解和产业组织能力更应被着重强调。

　　3D打印技术将在我国若干领域的深入应用中形成原创产业。3D打印作为一种颠覆性的技术，其颠覆性不仅体现在对传统制造业的提升中，并且在一些新兴领域中将形成一批全新的原创产业。如目前一些机构正在研发的皮肤打印技术，由于皮肤相比于人体其它器官，其结构更为简单，可再生性更强，因此，预计将更早走向广泛应用。如果该技术能够普及，那么传统的抗衰老、植皮技术和美容技术将被完全颠覆，其它还包括3D打印服务和设计平台，如个人消费品的个性化定制等领域也将完全重构，形成一批新的原创产业。