3D打印产业的实际态势、困境摆脱与可能走向，本文主要内容关键词为：态势论文,困境论文,走向论文,产业论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
“3D打印”是“增材制造”的通俗说法，经过20多年的研发和应用，已在汽车家电、航空航天、兵器工业、特种装备等行业，得到有效的应用。近年来3D打印在生物医疗、文化艺术、科学研究和教育培训等领域的快速推广，表明其应用领域已超越生产制造范围。目前，3D打印技术还存在许多局限，但一些专家指出，3D打印技术再过10年左右就会发展比较成熟。未来5到10年，是3D打印产业化的关键时期。密切关注3D打印发展的未来趋势，探索和把握新形势下3D打印产业的发展规律，有助于在新一轮产业革命的关键技术竞争中把握先机。
一、3D打印产业与新产业革命
现阶段，以信息网络世界与实体世界深度融合为重要特征的新产业革命正在兴起中。3D打印作为机械、材料、信息等技术发展到一定阶段、相互融合的产物，实现了“数字模型直接驱动的成型制造”，催生了新的设计理念、商业模式和生产消费方式，成为新产业革命的标志性技术之一。
(一)以信息网络世界与实体世界深度融合、信息技术广泛渗透和深度应用为重要特征的新产业革命正悄然来临
近年来，“第三次工业革命”成为各界讨论热点。其中代表性的观点包括：英国《经济学人》杂志编辑保罗·麦基里提出第三次工业革命的重要特征是“数字化、智能化制造”[1]。英国《金融时报》编辑彼得·马什提出新工业革命的重要特点是“大规模制造的终结，个性化制造的兴起”[2]。美国《连线》杂志原主编克里斯·安德森认为新工业革命的重要特征是“数字化制造使得人成为创客，能够利用互联网将自己的各种创意转变为实际产品”[3]。美国学者杰里米·里夫金认为第三次工业革命是互联网与可再生能源的结合。[4]而近期德国产业界提出了“工业4.0”计划，强调信息网络世界与物理世界的结合将引发第四次工业革命，德国要积极参与第四次工业革命，巩固和提升其工业优势。由于该计划得到德国经济部认可，已上升为德国国家战略。
目前，关于“第三次工业革命”还存在较大争议，对发生的时间、内容和是否存在都有不同的认识。其实，不管它叫什么名字，其本质上反映了国际金融危机以来，全球技术创新渐趋活跃，经济社会结构正在发生新的深刻变革，蕴含着新的重大机遇。如果能够抓住机遇，可以克服传统发展模式的弊端，实现人类健康可持续发展(冯飞、王忠宏，2012)。由于其变革不限于工业领域，而且现在许多发达国家的经济结构以服务业为主、工业不能完全概括各国的产业状况，为更全面地反映这一重大变化，可称之为“新产业革命”。
在讨论中，有人提出当前没有出现重大技术突破，所以不能叫“革命”。这里认为，“产业革命”不同于“技术革命”，技术革命需要有重大技术突破，而“产业革命”则是由于革命性技术经过多年的发展，逐步成熟，在大规模产业化后成为经济增长的主导产业，并引发生产、消费、组织、管理方式和竞争格局等的重大变化。当前出现的“新产业革命”是伴随着信息技术的兴起、成熟，以信息网络世界与实体世界深度融合、信息技术广泛渗透和深度应用为重要特征，催生出大量新技术、新产业、新业态、新模式，引发人类生产、消费、组织、管理方式和竞争格局的革命性变化(王忠宏，2013)。
新产业革命正在欧洲兴起，建立在信息网络技术深度应用基础上的智慧城市、智能工厂、智能电网、智能楼宇建设已在推进中，并显示出广阔的发展前景。数字化智能化制造、绿色制造和消费、分散式生产和个性化定制、电子商务、平台经济的兴起，制造服务融合、系统解决方案型企业涌现，物联网、云计算、大数据等新一代信息技术的发展，都是新产业革命的重要内容。
(二)3D打印是信息网络技术改造实体世界的重要工具和方法，可望引发众多产业领域的深刻变化
随着计算机运算和存储能力的飞速增长，人们得以在计算机中构建各种各样的“虚拟世界”，分别用于科学研究、技术研发和文化娱乐等不同目的。在3D打印技术成熟以前，人们虽可采用各种手段感知虚拟世界，但面对虚拟世界中大量由数学公式、物理定律生成的物体，却难以将它们“带回”现实。使用3D打印，虚拟世界的物体信息可以几乎不经过专业技术人员的再处理，就直接转化为现实世界存在的物体。这样，虚拟世界就和现实世界更加紧密地联系起来，更好地服务于人们对现实世界的改造(见图一，下页)。
3D打印打通了虚拟、现实和人之间的“信息回路”，其直接意义至少包括：第一，“数字设计+3D打印”的产品设计和测试过程，要比仿真模拟测试更可靠，同时比传统的样品制造和试验更快捷。第二，人们可以直接制造出很多形状奇异、结构精细，具有工程学或美学意义，而这之前只存在于“虚拟世界”的特殊形体，因而大幅度扩展了工业设计的可行性边界。第三，人们可以借助3D扫描成像、逆向工程等技术手段，加快从现实世界中(特别是生物体中)借鉴某些物理结构，直接转化为产品设计和3D打印制造方案。
从生产方式看，相比于大规模生产，3D打印在个性化、小批量、特殊产品生产上，具有明显的成本低、能耗少、流程短、时间快的优势，同时能够生产出大规模生产方式不能生产出的复杂特殊结构的产品。
目前，3D打印已由一种制造领域的技术，向文化、教育、卫生、科技等非制造领域渗透拓展。3D打印在各个领域的推广应用，将会推动设计理念和生产消费方式的变革，使我们进入到一个全新的领域，引发众多产业的深刻变革(见图二)。
对3D打印产业规模的认识，不能局限于3D打印设备和服务收入，而要更多地关注其对各个产业的拉动和带动作用。
图二 3D打印带动新兴产业并催生产业变革
二、3D打印产业的发展态势
近年来，3D打印引发了全球产业界的高度重视，主要国家加大了研发和技术转移的支持力度，产业规模快速增长，企业数量明显增加，产品价格进一步下降，产品类型增多，软件平台建设和专业领域应用成为关注的焦点。
(一)3D打印技术逐步分化，出现更多的专门技术和应用市场
目前，3D打印机已经出现至少三类截然不同的技术路线：工业、家用和生物3D打印。工业3D打印机的特点是：加工尺寸大，产品质量高，加工材料种类丰富，主要是以激光烧结、固化、重熔等方式，打印各种金属、非金属和高性能合成材料。家用3D打印机的特点是：价格低、耗能小、便于搬运，使用相对专门化的材料(如特种塑料、树脂等)，进行快捷、安全、可视的加工。生物3D打印是以活细胞、生物活性因子及生物材料的基本成形单元，设计制造具有生物活性的人工器官、植入物或细胞三维结构，在个性化诊断与治疗、定制式医疗器械、再生医学治疗、病理/药理研究、药物开发和生物制药等领域将会发挥十分重要的作用。
随着3D打印技术趋于成熟，打印机价格也在不断下降。可以预测，在不远的未来，工业3D打印机的价格将不高于同等规模的数控机床，而家用3D打印机的价格则有可能接近一般的平面打印机。未来随着3D打印应用范围的不断推广，3D打印机的种类还会更加细分，新的产品概念和商业模式层出不穷，带来诸多商业机遇。例如，适用于中小学教学的“简易打印机”，适用于建筑设计的“建模打印机”，适用于办公室使用的“商务打印机”，专门用于贵金属精细加工的“首饰打印机”，专门用于高档酒店烹饪的“糕点打印机”，等等。[5]
(二)3D打印将进一步提高生产制造的自动化程度，提升人的劳动层次
3D打印等智能制造方式，与历史上出现的蒸汽动力工厂、电气化生产线等重要生产方式一样，能够极大地提升生产制造的自动化程度，解放大量的劳动力。这种机器对人的简单劳动的替代，符合人类文明演进的基本规律。
相对于数控机床等机械加工手段，3D打印的全过程具有更高的自动化程度。只要有正确、合理的产品数字设计，有合格的3D打印机和原材料，加工过程就基本不需要人的监控和管理。工程技术人员可以远离生产一线，免除噪声、光热、粉尘和有害气体对人体的损害。如果辅以智能机器人、传感监控装置等设备，则完全有可能建成“3D打印工厂”，实现类似于“云计算”理念的“云制造”——工程技术人员集中在控制中心，对分布在各地的工厂实行远程控制。
3D打印可以直接生成一些特殊的形状，从而简化复杂产品的结构，减少零部件数目，甚至减少材料的种类，从事机械制造的资金门槛、技术门槛也将显著下降。其重要意义在于，人们可以从重复的、机械的劳动中解脱出来，更多地参与发明创造。即使没有从事机械制造的经验，也可以成为“创客”，将自己的设计创意付诸实践，获得精神上的满足，甚至取得经济上的收益。
(三)3D打印“数字化制造、短流程”的特征加速了“服务型制造”的发展
3D打印改变了制造业的要素分配格局。传统制造业的“产业链集聚”优势十分明显：需要多种相互配合的加工流程，需要特定的加工设备，需要较高技艺的制造工人(手工或操作机器)，以及零部件配套供应等要素。3D打印则使得这些要素的重要性大为降低，只要有好的设计方案，3D打印机可以放置在任何加工区域，完成加工生产。这种新型制造方式，使制造业的运营模式更加接近于服务业：个性化设计、按需定制，本地化、分散化生产。由于制造流程的简化和缩短，生产的物流密度将显著降低(运输物流占用的空间、消耗的能源，以及生产过程浪费的原材料均可减少)，而信息流密度则将明显升高(产品设计以数字文件形式在网络传播)，产品附加值更加集中于设计、品牌等软要素。
虽然传统的大批量标准化生产模式不会因为3D打印的出现而消亡，但3D打印、机器人、数字化制造等智能制造方式可望在制造业的未来增量中扮演主力角色。制造业中的大型企业(如通用电气、西门子)将改变其生产和商业模式，通过本地化制造(在服务对象的当地)转型成为“综合制造服务”提供者。国家间、企业间的全球化合作关系也将发生深刻变化。
(四)3D打印企业加紧调整规模和产品覆盖面，以适应产业高速发展需要
由于3D打印蕴含着重大的商业机会，越来越多的企业开始关注3D打印，谋求进入3D打印产业。一些在激光、材料、数控等领域具备技术优势的企业，已经开始涉足3D打印。一些拥有技术专长或研发能力的创业者，也将业务方向锁定为3D打印。全球范围内能够独立生产3D打印机的企业将会迅速增多，并努力形成核心竞争力。
同时，3D打印企业之间的并购活动也将更加活跃。3D打印企业并购的背后，不仅仅是品牌和资本的结合，更重要的是研发能力的优势互补、技术路线的优化选择，特别是系统平台的竞争与整合。目前，专业的3D设计软件在机械、建筑、动漫等领域已经应用较长时间，而普通消费者可以使用的“傻瓜型”3D设计软件和3D设计共享平台还不成熟，如果一家企业未来能够提供像网购世界中的“淘宝”、“京东”一样的3D设计交换平台，则将在3D打印领域取得重要的优势地位。
(五)3D打印的全球竞争格局尚未完全确立，各主要经济体都有各自的优势和机遇
美国是3D打印技术的主要发源地，在3D打印技术研发和产业应用方面，长期处于领先水平。美国两家最重要的3D打印机生产商——3D Systems和Stratasys各自通过一系列并购，以及持续的高比例研发投入，不断巩固其行业主导地位，未来可能成为3D打印领域的“全能选手”。美国政府高度重视3D打印，2012年设立了“国家增材制造创新研究院”(NAMII)，专门负责推动3D打印的基础研发、教育培训、技术转移。该机构由五个联邦政府部门(机构)联合出资支持，由美国国防制造与加工中心(NCDMM)主管，为美国传统制造业区域(俗称“铁锈地带”)附近数十所高校和企业提供合作平台。
德国主要围绕工业生产的需求发展3D打印技术。其3D打印机的发展路线与德国制造业的高质量标准、精细加工特点相吻合。德国FOS等3D打印企业在金属激光烧结、微纳米级快速成型等方面，占有一定的优势，未来可能继续专注于高端3D打印机和特种打印材料的生产。
此外，英国、瑞典、意大利等国也有企业独立研发和生产3D打印机，未来可能获得国家层面的更大支持，突出低碳环保以及文化艺术等方面的优势，谋求更大的市场份额。
中国和日本都是较早开展3D打印研究、具有自主生产3D打印机能力的国家。亚洲现已成为全球制造业中心，推广运用3D打印的潜力巨大，且从事相关技术研发的高层次人才基础雄厚。近年来，3D打印服务企业的业务规模增长较快。如能确立较好的商业模式，形成完善的服务体系，加强技术创新，完善国产配套体系，将有望在国际市场取得更大的话语权。
三、3D打印产业化面临的挑战和制约因素
虽然3D打印产业的发展前景十分广阔，但在技术和产业层面，还存在不少挑战和制约因素。3D打印未来的国际竞争和企业间竞争，都将围绕这些重点问题展开。谁能率先攻克难关，谁就能获取产业发展的主导权。
图三 3D打印和标准化大批量生产的市场分层
注：3DS(3DMC/3DAC)：3D打印产品供给曲线(3D打印产品的边际成本/平均成本)；DP(3DMR)：用户对个性化产品的需求曲线(采取订单式生产和差异化定价的边际收益)；D1：用户对大众化产品的需求曲线；D2：个性化需求被满足后，大众化产品剩余的需求曲线；MC：标准化大批量生产的边际成本；AC：标准化大批量生产的平均成本：MR：标准化大批量生产的边际收益。
(一)时间、能源等方面的边际成本，制约3D打印的产业规模
未来人们的需求是“大批量个性化”，需要在充足数量的产品前提下，尽可能地丰富产品种类，满足多样化、个性化需求。如果将目前的3D打印技术用于大批量产品的制造，消耗的时间、能源成本将明显高于传统制造方式。因此，3D打印将和传统制造方式分别占据两个不同层面的市场。
在未来相当长的时间内，3D打印主要适用于“订单式”的个性化定制生产，满足多样化、个性化需求以及某些时效性强、门类特殊的细分市场需求，其优势在于单位产品的附加值较高(图三左上方阴影部分)。传统的批量生产模式，虽然利润率十分有限，但仍然在规模化生产方面占据优势地位，市场份额较大(图三下方阴影部分)。
(二)3D打印现有加工质量的不稳定性和精度不足，阻碍其在制造业中的广泛应用
现阶段，用金属材料进行3D打印面临的最大挑战是质量稳定性和工艺过程的一致性。外部电压不稳、环境温度变化、材料成分变化、数字设计方案不合理、装备精密程度不够等因素，都有可能导致产品的内部组织和结构缺陷。组织和结构的缺陷一旦形成，往往难以检测和修复，会降低零部件的机械性能、影响使用寿命，甚至造成安全隐患。正因为在质量稳定性方面缺乏可靠的监测手段和实用经验，3D打印目前还不适用于高端装备核心零部件的直接生产。
使用非金属材料进行3D打印，遇到的主要问题是产品尺寸精度和表面粗糙度不足。特别是采用熔融沉积制造、粉末喷射等原理的3D打印机，加工精度相对较低。产品加工完成后，还需要手工打磨、清洗等步骤。另外，在加工一些特殊结构时，需要生成辅助支撑结构，加工完成后还需手工去除并打磨，保持表面干净整洁。
(三)可用材料种类的有限性，影响3D打印技术的推广
虽然3D打印是一种先进的生产方式，已在多个领域成功运用，但应用的范围仍然较为有限，尚不能成为主要的生产技术。其原因主要是：材料、工艺和设备一体化的技术特点，使得3D打印材料的改变需要开发相应的工艺和装备，而现阶段市场提供的3D打印设备种类较少，能够加工的材料种类因而受到限制，许多工业用材料还没有相应的3D打印工艺设备提供，影响了3D打印技术的推广。另外，在成型过程中，往往会产生较大的热应力，对于一些脆性材料易出现开裂和翘曲，需开发特殊的3D打印技术。
(四)知识产权保护机制尚未建立，影响3D打印的创新发展
3D打印是一种数字模型直接驱动的成型制造方式，产品的数字模型是3D打印技术普及应用的关键因素。而产品数字模型的构建需要设计人员大量的创造性活动，代表了设计者的创新及其知识贡献，因而建立合理的产品数字模型的知识产权保护机制至关重要。通过建立产品数字模型的知识产权保护机制，为产品的数字设计提供相应回报渠道，将有力推动3D打印产业发展。然而，现阶段3D打印软件和硬件的技术都没有纳入知识产权保护。为此，要建立知识产权保护机制，制订业内普遍认可和遵守的标准协议，构成一定的强制约束力。目前在全球范围内，此方面尚处于空白。
四、我国3D打印产业发展策略
当前，各国3D打印产业总体上处于起步阶段，发展差距不大。我国应主动把握新一轮产业革命的发展潮流，积极探索符合新产业、新技术发展规律的新路径，改变传统的政府直接干预产业发展模式，着力营造良好的产业生态系统，增强市场机制作用，激发企业的积极性和企业家精神，以应用需求为导向，以技术研发为支撑，以企业为主体，以市场为评判，发挥3D打印对现有产业转型升级的推动作用，考虑其可能带来的正反两方面影响，形成几家具有一流国际竞争力的3D打印企业和品牌，促进3D打印产业的健康持续发展。
(一)正确处理好政府与市场关系，激发3D打印企业发展活力
企业充沛的活力和创新动力是3D打印产业发展的根本保证。我国原有的产业发展模式在调动资源、集中力量办大事的同时，也存在市场机制作用发挥不够、企业积极性调动不足的问题。尤其是国际金融危机以来，政府替代市场配置资源的现象更加突出，部分企业把过多的精力放在获取扶持政策上，影响了自身竞争能力的提高。
发展3D打印产业，应处理好政府与市场的关系，进一步发挥市场机制的作用。在调控范围方面，政府主要作用于市场失灵领域，不能替代市场。在调控手段上，在提高行政手段科学性的同时，更加重视经济手段和法律手段。在调控方式上，政府直接作用于3D打印产业发展的外部环境，对3D打印产业的影响主要通过环境发挥间接影响作用，减少对“冠军企业”的选拔，减少对企业的直接补贴。通过营造公平公正公开的准入、竞争和退出环境，以及健全的创新机制，充分调动企业的积极性和激发企业家的创新精神。
(二)以应用为导向，形成我国3D打印产业特色和优势
强调应用是这一轮产业革命的重要特征。在3D打印产业发展中，应立足我国的产业特色和优势，加强推广应用，创新商业模式，发挥其在产业结构优化升级中的提升作用，开拓3D打印产业更多更广的发展空间。
一是推动3D打印在传统产业中的应用。针对我国产业大而不强、设计能力薄弱、以量取胜的问题，通过发展3D打印，提升设计研发能力，丰富产品种类，满足个性化需求，促进产业由大变强。积极搭建3D打印公共服务平台，为中小企业提供公共设计服务，提高中小企业的发展能力。可以在老工业基地和东部沿海产业集群发展比较发达的地区率先开展试点。
二是在新兴产业发展中，通过运用3D打印技术，提升创新创意能力，抢占制高点，拓展新增长点。如在生物医疗和航空航天领域，进一步形成自身的竞争优势。在文化产业领域，依靠3D打印技术提升文化产品的感官冲击力、吸引力，充实文化产品的内在价值，扩大中国文化在全球的影响。
三是适应创新型国家建设的要求，通过发展3D打印产业，推动形成创新、创业、创造的社会文化氛围。如鼓励高校毕业生运用3D打印技术进行创业，设立小微企业，通过电子商务平台，面向消费者和企业客户提供丰富多样的数字设计服务、3D打印服务。又如在中小学劳动技能教育、专业技术培训中，借助3D打印技术，增强学生的创新意识和能力。
此外，可依托我国庞大的市场需求，积极引导发展家庭用、桌面用3D打印产业，满足消费者文化创意、娱乐消费等需求，使之成为类似个人电脑一样的大众化产品，走入家庭。
(三)加强3D打印技术研发，突破薄弱环节
针对3D打印关键技术和我国存在的薄弱环节，加大研发投入，提升设备的质量和可靠性，抓紧开发关键功能部件，扩大新材料种类，拓宽专业应用范围，提升应用能力，推动数字模型设计软件及开放平台的研发。面对新技术的不确定性和3D打印技术应用的广泛性，采取中立态度，鼓励不同技术路线共同发展。
制定国家“3D打印技术发展指导意见”，设立若干重点研究项目，鼓励高校、企业组建合作研发团队，攻克技术难关、加快产业转化。遵循技术发展规律，制定合理的技术创新及产业发展政策，发挥产业创新联盟的作用，鼓励原始创新，限制低水平重复研究和价格恶性竞争，保证企业获得足够利润，并投入到技术创新当中，形成自我完善提高的良性循环。对作出重要贡献的个人或单位，给予科技、产业化成果奖励。
要以开放和包容的心态，鼓励3D打印企业以并购重组、跨境联盟、代理销售等形式开展国内外合作。通过不断引进先进技术和加强原始创新等方式，占领技术和产业发展前沿，切实提升我国的技术研发软实力。
(四)趋利避害，积极引导3D打印产业健康发展
未雨绸缪，加强3D打印发展对知识产权保护、人身健康、武器制造、公共安全、质量监督、社会监管以及产业发展等方面影响的前瞻性研究，努力克服3D打印发展带来的负面影响和冲击，增强政府管理的科学性、有效性，促进3D打印产业健康发展。
此外，为促进3D打印产业健康发展，可通过数字模型数据与3D打印设备的ID号绑定和时效性控制，形成模型数据的付费使用机制。一方面在保护3D模型数据的知识产权基础上，促进3D模型设计的共享和价值回馈；另一方面也可以通过降低获得高质量3D模型数据的成本，促进3D打印设备的市场销售。同时，利用这一绑定机制，可以对危险产品的3D打印直接制造进行监控。若能尽快在我国实施这一数据绑定机制，将在全球率先建立一个3D打印设备销售与普及应用相互促进的良性生态系统，并可对国外3D打印设备构成技术屏障。
(五)创造条件，鼓励国产3D打印设备和软件的使用
鼓励大企业购置国产3D打印设备和软件，加强设计能力建设，并通过具体领域的应用研发，来提升国产3D打印水平。各级政府可通过支持本地区的企业应用3D打印技术进行产品升级或技术改造，支持中小学将3D打印技术应用到教学、培训和课外活动中，促进当地的3D打印技术发展，鼓励企业选用国产3D打印机和软件，对购买国产设备和软件的，采取购置补贴、贴息等措施。
(六)优化产业生态系统，引导要素向3D打印产业集聚
大力支持3D打印人才培养，组织设立跨学科的、校企合作共建的3D打印研发人才培训基地，为各行业培养一批具备数字设计能力、掌握新型设计理念的工程技术人才；同时，鼓励有条件的中小学，进行3D打印科普教育和基本技能训练，增强科技素养。搭建多元化融资渠道，强化对3D打印产业的资金支持。深化政府、银行、企业等合作，建立稳定的政银和银企合作机制。发挥政府引导作用，吸引社会资本投向3D打印。增强资本市场融资的功能，大力发展风险投资。
在3D打印产业投资上，不仅重视设备、厂房、水、电、煤等有形资产的投资，更要重视知识产权、品牌、软件、数据等无形资产的投资，加强信息网络基础设施建设，扩大信息网络的覆盖面和渗透领域，提高智能化水平。进一步提高政府服务水平和能力，科学规划、统筹布局，有效发挥中介机构和行业协会的作用，促进3D打印产业健康、协调、持续发展。
该标题为《改革》编辑部改定标题，作者原标题为《3D打印产业的发展态势、制约因素及发展思路》。清华大学机械系林峰教授给予了重要指导，并参与了本文写作。