3D打印產業面臨的挑戰

劉洋

（河南財經政法大學現代教育技術中心，河南 鄭州 450046）

3D打印產業面臨的挑戰

劉洋

（河南財經政法大學現代教育技術中心，河南 鄭州 450046）

3D打印作為具有工業革命意義的制造技術，得到了社會各個層面的廣泛關注，并迅速市場化和產業化。然而，當前3D打印的產業環境尚未成熟。本文討論了3D打印技術的內在優勢，并對當前3D打印產業發展過程中面臨的挑戰進行歸納和梳理，旨在打破瓶頸，促進該行業取得健康長遠的發展。

3D打印；數字化制造；產業發展

1 3D打印概述

3D打印技術是一種用材料以逐層或逐點方式堆積出制件的制造方法。它的基本原理是根據“分層堆積”的成型方法，利用三維計算機輔助設計軟件，或用實體反求工程收集到相關制件的三維結構相關信息，通過三維設計軟件（如UG、PRO/E等），在此基礎上建立數字化CAD模型，之后通過特定軟件進行轉換，將三維數字化CAD模型轉換為一系列三角面片表面，生成STL文件，再利用相關的切片軟件將數字化CAD模型進行切片分層，分解成多個具有一定層厚的薄片文件，也就是將三維數字化CAD模型就轉換成為了一系列的二維層片數據；然后根據不同的快速成型工藝對文件進行處理，對薄片文件進行驗正，同時生成加工路徑；最后，通過計算機輔助制造系統（CAM）控制成形材料按照預定的加工路徑進行堆砌，逐層堆積形成一個三維實體模型[1]。3D打印快速成型主要包括離散過程和堆積過程，零件的三維數字模型先進行離散化，然后按照數字積分的思路進行逐層堆積，其具體過程如圖1所示。

2 3D打印的優勢

2.1 打破設計和生產之間的技術和時間瓶頸

傳統的零件制造過程，需要接受過專業技能培訓的人員熟練地對機器進行調試和校準。3D打印機令設計師無需了解制造技術。這樣設計人員可以直接通過3D打印機得到零件的實體，進而對原有設計進一步完善。這種方法能夠簡化產品的制造程序，縮短產品的研制周期，提高效率并降低成本。

2.2 減少廢棄材料

3D打印是增材制造技術，而傳統的數控制造一般是在原材料基礎上，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品[2]。因此，3D打印這種不會浪費材料的凈成型制造方式是更加環保的加工方式。

圖 1 3D打印機快速成型的基本過程

2.3 數字化程度高

3D打印產業是信息消費的載體，能夠提高實體世界和數字世界之間形態的轉換。只要有數字三維模型或者通過掃描技術，可以快速得到精確的實體副本。

2.4 降低復雜零件的成本

就傳統制造而言，物體形狀越復雜，制造成本就越高。對于3D打印機來說，增加復雜的零件不產生額外的成本。自然界存在的形狀，都可以打印出來[3]。

3 3D打印產業面臨的挑戰

3.1 不具備成本優勢

3D打印設備的成本居高不下。當前，3D打印機主要有三大類，分別是桌面級、工業級和生物醫學級。工業級的激光3D打印機，售價多在幾十萬美元以上。居高不下的3D打印設備價格讓大部分工業設計師和生產企業望而卻步。即使如一汽大眾、上海大眾這樣資金雄厚的企業，也選擇將3D打印的業務外包給3D打印企業做，從而避免高投入和高風險。桌面級3D打印機是3D打印技術里面最簡單、科技含量最低的產品，是未來最有可能在大眾中得到普及的3D打印機，但其價格依然高昂。據調查，Stratasys公司生產的最新型的桌面打印機MakerBot replicator的售價為3 000美元左右，這對大多數中產家庭來說是絕對是一筆不菲的開銷。

其次，耗材的成本依然很高，即使是最廉價的ABS塑料，單卷600克裝的售價也在200元左右。例如，鄭州面向大眾的三維造像服務是以重量來計費的，金屬類為30～50元/克，最便宜的是塑料類為3～5元/克，打印一個縮微版的3D人像需要花費兩三千元。

3.2 原材料的局限性

3D打印產業是軟件開發、設備制造、材料科學和市場營銷多個學科的交叉。當前，我國3D打印產業受到了原材料的制約。舉例來說，3D打印最適合個人定制的醫療領域，牙齒、骨骼的制造正契合3D打印的優勢。但材料的問題制約了3D打印技術在該領域的發展，國內目前研發出的能適用3D打印的材料有限，比如現在可以打印出一個塑料假牙模型，但不能給病人直接使用，因為塑料材料不適合作為生物材料。

3D打印的另外一個致命傷在于：不支持硅基電子元件打印。富士康總裁郭臺銘曾放言，3D打印絕不等于第三次工業革命，只是噱頭而已。他推斷，3D打印受材料的限制，此項技術無法大量用于商業用途。例如，3D打印可以制造出電話，但只能看不能用；3D打印商品不能加入電子元件，無法形成電子產品的量產。

此外，3D打印效率與打印質量也呈現負相關關系，如果需要非常高的打印精度，打印速度就會變慢，效率則會很低。

3.3 難以抗衡大規模生產

3D打印適合時間敏感的原型系統或初創產品的開發，對數量小于50的小批量生產或者個性化定制的單件產品生產具有成本優勢。但是，它無法取代或抗衡大規模生產模式。原因在于，對大規模生產而言，單件產品的生產和10萬件產品的生產，其產品成本會大幅降低。而對于3D打印而言，即使生產規模再大，單件生產成本恒定不變。

3.4 缺乏統籌管理

3D打印產業涵蓋了工業設計、數字化技術、打印機制造、耗材制造、設備經銷、打印服務、金融支持、電子商務、知識產權等諸多方面。而目前國內的3D打印企業還處于各自為戰的初級發展階段，產業整合度較低，主導的技術標準、開發平臺尚未確立，技術研發和推廣應用還處于無序狀態[2]。在高等教育層面，相關專業的教學課程體系中，缺乏與3D打印技術相關的環節，還停留在部分學生的課外興趣研究層面。

4 結語

總之，3D打印的產業環境尚未成熟。正如其他新興技術的發展進程一樣，3D打印產業的發展只是暫時遇到一些困難，只要市場對3D打印的認識進一步深入，這些困難都會迎刃而解。

[1]黃兵，三維打印職稱材料及其形成工藝的研究[D].華中科技大學，2009.

[2]王忠宏，李揚帆，張曼茵.中國3D打印產業的現狀及發展思路[J]，經濟縱橫，2013.

[3]胡迪·利普森，梅爾芭·庫曼，3D打印：從想象到現實[M].北京：中信出版社，2013.

F49

A

1671-0037（2014）09-18-2

河南省軟科學研究計劃項目《數字化制造背景下河南省3D打印產業發展戰略研究》（項目編號：142400410123）。

劉洋（1980-），男，博士，講師，研究方向：網絡存儲，大數據等。