3D打印产业面临的挑战

刘洋

（河南财经政法大学现代教育技术中心，河南 郑州 450046）

3D打印产业面临的挑战

刘洋

（河南财经政法大学现代教育技术中心，河南 郑州 450046）

3D打印作为具有工业革命意义的制造技术，得到了社会各个层面的广泛关注，并迅速市场化和产业化。然而，当前3D打印的产业环境尚未成熟。本文讨论了3D打印技术的内在优势，并对当前3D打印产业发展过程中面临的挑战进行归纳和梳理，旨在打破瓶颈，促进该行业取得健康长远的发展。

3D打印；数字化制造；产业发展

1 3D打印概述

3D打印技术是一种用材料以逐层或逐点方式堆积出制件的制造方法。它的基本原理是根据“分层堆积”的成型方法，利用三维计算机辅助设计软件，或用实体反求工程收集到相关制件的三维结构相关信息，通过三维设计软件（如UG、PRO/E等），在此基础上建立数字化CAD模型，之后通过特定软件进行转换，将三维数字化CAD模型转换为一系列三角面片表面，生成STL文件，再利用相关的切片软件将数字化CAD模型进行切片分层，分解成多个具有一定层厚的薄片文件，也就是将三维数字化CAD模型就转换成为了一系列的二维层片数据；然后根据不同的快速成型工艺对文件进行处理，对薄片文件进行验正，同时生成加工路径；最后，通过计算机辅助制造系统（CAM）控制成形材料按照预定的加工路径进行堆砌，逐层堆积形成一个三维实体模型[1]。3D打印快速成型主要包括离散过程和堆积过程，零件的三维数字模型先进行离散化，然后按照数字积分的思路进行逐层堆积，其具体过程如图1所示。

2 3D打印的优势

2.1 打破设计和生产之间的技术和时间瓶颈

传统的零件制造过程，需要接受过专业技能培训的人员熟练地对机器进行调试和校准。3D打印机令设计师无需了解制造技术。这样设计人员可以直接通过3D打印机得到零件的实体，进而对原有设计进一步完善。这种方法能够简化产品的制造程序，缩短产品的研制周期，提高效率并降低成本。

2.2 减少废弃材料

3D打印是增材制造技术，而传统的数控制造一般是在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品[2]。因此，3D打印这种不会浪费材料的净成型制造方式是更加环保的加工方式。

图 1 3D打印机快速成型的基本过程

2.3 数字化程度高

3D打印产业是信息消费的载体，能够提高实体世界和数字世界之间形态的转换。只要有数字三维模型或者通过扫描技术，可以快速得到精确的实体副本。

2.4 降低复杂零件的成本

就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本就越高。对于3D打印机来说，增加复杂的零件不产生额外的成本。自然界存在的形状，都可以打印出来[3]。

3 3D打印产业面临的挑战

3.1 不具备成本优势

3D打印设备的成本居高不下。当前，3D打印机主要有三大类，分别是桌面级、工业级和生物医学级。工业级的激光3D打印机，售价多在几十万美元以上。居高不下的3D打印设备价格让大部分工业设计师和生产企业望而却步。即使如一汽大众、上海大众这样资金雄厚的企业，也选择将3D打印的业务外包给3D打印企业做，从而避免高投入和高风险。桌面级3D打印机是3D打印技术里面最简单、科技含量最低的产品，是未来最有可能在大众中得到普及的3D打印机，但其价格依然高昂。据调查，Stratasys公司生产的最新型的桌面打印机MakerBot replicator的售价为3 000美元左右，这对大多数中产家庭来说是绝对是一笔不菲的开销。

其次，耗材的成本依然很高，即使是最廉价的ABS塑料，单卷600克装的售价也在200元左右。例如，郑州面向大众的三维造像服务是以重量来计费的，金属类为30～50元/克，最便宜的是塑料类为3～5元/克，打印一个缩微版的3D人像需要花费两三千元。

3.2 原材料的局限性

3D打印产业是软件开发、设备制造、材料科学和市场营销多个学科的交叉。当前，我国3D打印产业受到了原材料的制约。举例来说，3D打印最适合个人定制的医疗领域，牙齿、骨骼的制造正契合3D打印的优势。但材料的问题制约了3D打印技术在该领域的发展，国内目前研发出的能适用3D打印的材料有限，比如现在可以打印出一个塑料假牙模型，但不能给病人直接使用，因为塑料材料不适合作为生物材料。

3D打印的另外一个致命伤在于：不支持硅基电子元件打印。富士康总裁郭台铭曾放言，3D打印绝不等于第三次工业革命，只是噱头而已。他推断，3D打印受材料的限制，此项技术无法大量用于商业用途。例如，3D打印可以制造出电话，但只能看不能用；3D打印商品不能加入电子元件，无法形成电子产品的量产。

此外，3D打印效率与打印质量也呈现负相关关系，如果需要非常高的打印精度，打印速度就会变慢，效率则会很低。

3.3 难以抗衡大规模生产

3D打印适合时间敏感的原型系统或初创产品的开发，对数量小于50的小批量生产或者个性化定制的单件产品生产具有成本优势。但是，它无法取代或抗衡大规模生产模式。原因在于，对大规模生产而言，单件产品的生产和10万件产品的生产，其产品成本会大幅降低。而对于3D打印而言，即使生产规模再大，单件生产成本恒定不变。

3.4 缺乏统筹管理

3D打印产业涵盖了工业设计、数字化技术、打印机制造、耗材制造、设备经销、打印服务、金融支持、电子商务、知识产权等诸多方面。而目前国内的3D打印企业还处于各自为战的初级发展阶段，产业整合度较低，主导的技术标准、开发平台尚未确立，技术研发和推广应用还处于无序状态[2]。在高等教育层面，相关专业的教学课程体系中，缺乏与3D打印技术相关的环节，还停留在部分学生的课外兴趣研究层面。

4 结语

总之，3D打印的产业环境尚未成熟。正如其他新兴技术的发展进程一样，3D打印产业的发展只是暂时遇到一些困难，只要市场对3D打印的认识进一步深入，这些困难都会迎刃而解。

[1]黄兵，三维打印职称材料及其形成工艺的研究[D].华中科技大学，2009.

[2]王忠宏，李扬帆，张曼茵.中国3D打印产业的现状及发展思路[J]，经济纵横，2013.

[3]胡迪·利普森，梅尔芭·库曼，3D打印：从想象到现实[M].北京：中信出版社，2013.

F49

A

1671-0037（2014）09-18-2

河南省软科学研究计划项目《数字化制造背景下河南省3D打印产业发展战略研究》（项目编号：142400410123）。

刘洋（1980-），男，博士，讲师，研究方向：网络存储，大数据等。