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危岩:分析3D打印产业发展现状及我国3D打印产业发展方向

文章出处:admin 人气:发表时间:2017-09-14 18:02

近日,《千人》对话国家“千人计划”专家、清华大学教授危岩,期望透过他的视野了解3D打印产业发展现状,为我国3D打印产业发展提供思路。在采访中,危岩用了“老技术,新生命”来形容3D打印的发展。他认为,我国3D打印基础研究起步并不晚,但在经历长达10年的“中空时期”之后,目前原创性不高,仍然处于跟随地位;放眼全球,各国3D打印交火于设备制造,但受制于利润空间,材料研究将3D打印实现“四十不惑”的关键。

 

 

《千人》:3D打印技术并非是新兴技术,但是近几年3D打印产业发展如火如荼。3D打印的定义有何新发展?

 

危岩:3D打印已有30年的发展历史,又被称为增材制造,指的是将数字化处理后的模型通过逐层打印的方法制造三维实体。这样的定义实际上受制于现有技术发展水平,对于3D打印而言,制造方式并不一定局限于增材这一种,减材或者等材制造也可能被应用于3D打印;同时,打印方式也不一定是逐层,将来技术发展会带来更多的打印方式。综上所述,我认为3D打印的定义应当是通过计算机构建数字模型,快速智能可控精确打印出有各种功能的三维物件。

 

《千人》:中国3D打印的发展经历了哪几个阶段?

 

危岩:我国3D打印从90年代开始经历了4个阶段的发展:

 

国内最早的系统化研究可以追溯到上个世纪80-90年代清华机械系的相关研究,但是局限在基础研究工作,并未得到社会的认知和认可;从90年代到最近10年前,由于缺乏社会关注和资金支持,3D打印一直处于中空阶段,虽然也有相关研究,但并未取得长足发展;近5-10年3D打印经历了井喷式的发展,数字化尤其是计算机与打印技术结合引爆了3D打印,另外2013年奥巴马发表国情咨文演讲力挺3D打印成为标志3D打印正式受到全国的瞩目的时间节点,关注度的提升带来的是精力和资金的倾斜,3D打印产业正式进度快速发展阶段;近5年,3D打印企业数量庞杂,产业初具规模,但是目前企业发展3D打印只是趁着这股热潮吸引眼球,真正落地的并可创造利润的项目很少。

 

《千人》:历经30年的发展,我国3D打印产业现状如何?存在哪些问题?

 

危岩:个性化批量化生产,将大规模的工业厂房变成“小作坊”——现在已经初现端倪,淘宝上已经开始贩卖由3D打印制造出来的个性化的小工艺品。但是实现个性化批量化生产的过程中,有一个哲学问题需要解决,即工业获取利润的方式是大规模的批量生产,降低成本以获取最大化的利润;但是3D打印个性化制造的特性,正好是与批量生产相反,怎样调和个性化要求、产品价格控制、利润最大化的矛盾是3D打印进入生产领域亟需解决的问题。

 

《千人》:目前3D打印产业全球竞争格局如何?中外差距怎样?

 

危岩:从3D打印企业规模或者技术发展来看,走在最前沿的依然是美国。目前全球的竞争主要集中在硬件和软件,美国在这两方面都占有技术和规模优势。

 

目前全球竞争主要交火于设备制造——硬件竞争的核心是激光器、喷头等机器部件。美国在硬件市场占据40%的份额,几乎抢占了半个硬件市场;同时日本、德国凭借着掌握的核心技术占有了10%的市场。反观中国,虽然有很大的市场上升空间,并且前期研究的起步并不晚,但是由于依靠本国技术无法自主实现关键打印硬件的生产,只能依赖进口,所以只占有小于8%的市场份额。在控制软件方面,我国目前仍处于空白阶段,没有形成一个可投放市场的商品软件,主要也是依赖进口。

 

技术层面,我国3D打印产业缺乏原创性,3D打印更多的是作为一种噱头,只是在企业中小打小闹,并未提升到国家性的战略高度,与国际巨头抗衡时缺乏资金等支撑。

 

参照近年来全球3D打印产业的发展态势,美国由于前期技术积累,3D打印产业目前处于快速上升阶段。我国在全球范围内3D打印技术起步并不晚,并且产业规模比较大,但是受限于缺乏原创性,所以仍然落后于美国。

 

从企业规模看,国外已形成多家3D打印领域的龙头企业,产品的大规模销售带来的是全球市场的垄断。一旦市场形成垄断,中国在3D打印产业将会成为弱势,只能“跟在屁股后面跑”。所以突围国外巨头的市场垄断,增强原创性、形成行业内的领军企业尤为重要。

 

《千人》:您曾提到过中国跟全世界竞争,一定要有科学高度、技术高度。您所理解的科学高度、技术高度指什么?

 

危岩:目前从事3D打印产业的企业很多,但是由于缺乏创新性,目前仍然处于跟风和填补空白的阶段。跟风表现在德国等发达国家如果制造出新的3D打印机器,那么我们就一定也要造出一模一样的,甚至是在性能上好一些的机器出来,但与美欧日技术差距不很大,几年内甚至有可能赶超。

 

技术层面上,3D打印目前技术存在着速度太慢、精度不够、成品尺寸限制的问题,新的打印方法的出现将会突破3D打印技术的瓶颈。例如北卡大学运用高分子结合原理与3D打印融合创造出阵面光源的打印技术,这个新技术一出可谓是轰动世界;另外目前3D打印原理多为喷墨、激光,我们需要在原理上多做突破,例如运用离子体、微型爆炸的方法创造新的打印原理。

 

以材料为突破点,迎接第二次3D打印潮流来袭

 

《千人》:您曾说过“如何‘玩好’3D打印这个新玩具,材料是关键”,材料是否一定程度制约了3D打印的发展?新材料的研发对于3D打印有怎样的意义?

 

危岩:机器硬件设计在不断发展,但是更新换代的速度很快,新一代机器的诞生就代表着利润空间的压缩,最终盈利的关键就在于“耗材”。比如传统的打印机,经历从点阵喷墨到激光的发展,价格也呈大幅度的下降趋势,现在购买一台打印机并不需要花多少钱,但是后期需要持续的购买油墨等材料;另外家用糖尿病治疗仪器现在价格很低,但是利润点在于配套使用的测试纸。

 

目前我们集中主要的精力在硬件设备的升级——提高打印精度、提升打印速度、延长机器使用寿命等方面,同时也关注到软件——如何快速高效的将图像转换成三维建模。机器的发展推动3D打印第一次高潮的到来,但是正如上文定义,3D打印是能快速智能可控精确打印出有各种功能甚至智能的三维物件。这里说到的功能包含观赏功能、实用功能、使用功能,但是这些功能在实现过程中都取决于材料。目前产业已察觉到材料逐渐成为3D打印发展的瓶颈,很多物件可以进行打印,但是由于材料硬度、光滑度等数值的制约造成许多物件不能具备实用或使用功能。

 

虽然3D打印发展的第一波浪潮是机器,但是3D打印产业可持续发展的关键则在于材料,配合功能的需求,金属材料、陶瓷材料、生物材料尤其是高分子材料的发展会持续推动3D打印产业面向生产需求。

 

《千人》:为了追赶技术差距,成为第二波浪潮的领导者,从宏观层面,您认为该如何布局3D打印产业?

 

危岩:要宏观布局我国3D打印产业,首先需要思考三个问题:怎样占领科学高度、技术高度、3D打印市场在哪里?3D打印企业能不能实现真正的利润?

 

中国的企业几乎原创性和研发性为0,几乎没有研发机构。从事3D打印这样的新型工业,如果没有原创性,将无法生存,所以企业的原创性必须是关键。但从另一方面这也许是个机遇,李克强总理曾说过:“在中国制造向中国创造的过程中,如果没有企业的参与那么注定会失败”。3D打印产业的发展,将会倒逼中国企业提升创新能力。

 

要占领科学制高点,高校、研究所与企业一定要联合起来,目前双方信任度较低,阻碍基础研究与市场化相结合,受急功好利风气和社会诚信度很低的负面影响,高校、研究所与企业与投资商的互信合作关系,这是个社会性的问题。另外,应该特别注重科学的原创性。在科学层面上,我们提出了“多维打印”的新概念并已经在此方面做了一些先期工作。多维打印概念建立在目前三维打印的基础上,结合智能材料,在打印中或打印后增加时间、温度、光、电、磁响应变化、化学、生物刺激等响应因素,将三维打印扩充至多维,从而得到有特种或多种功能的三维物体。如果能在多维打印领域的研究获得成功,那么我们有可能占据国际科学制高点,随之而来的创新点将会无穷无尽。

 

市场方面,中国市场规模巨大,除了现在模具行业发展较为成熟之外,可以优先考虑向军工、医疗、化妆品(包括美容)、儿童产品等高利润领域发展。但未来市场发展的脚步远不止于此,将来技术的探索会找到更多更好的产品,开拓更宽阔的市场。

 

另一方面,3D打印技术虽然先进,但是缺少市场价值,企业是否可以从中获利将会是持续发展3D产业的一个至关重要的问题。比如利用3D打印技术打印出一双鞋,可能需要一天的时间,但是根据传统制造的效率,一个劳工一天至少可以制造出6—10双鞋,制造效率的限制直接影响了制造成本,压缩了企业盈利的空间。同时现在许多企业打着3D打印的名头,谋取国家扶持资金但无可创利润的产品,这种情况是被明令禁止的,但是又无法管制。

 

针对此问题,希望国家有更深层次的计划(超出工信部增材制造文件)。国家政策、资金、技术结合,鼓励原创性,基础研究与企业并重,良好市场背景的产品研究,避免资金变成“胡椒面”,深入研究产业现状。同时目前社会风气过于浮躁,投资商风险投资心态不健康,应该摆正心态,公司的倒台将会成为常态,100个公司中成功一个就是3D打印产业的成功。

 

《千人》:知识产权保护对于保持创新能力至关重要,有专家认为,知识产权不应成为3D打印企业各自为政的挡箭牌。您怎样看待?知识产权共享是否可行?在解决知识产权保护问题上,您有何切实的建议?

 

危岩:国家一定要保护知识产权,90年代中国政府致力于解决国民温饱问题,一直忽视了知识产权的保护问题,但是随着时代变迁,放眼长远,保护知识产权的原则绝不可动摇。但是在执行上,可以依法协商后知识产权共享。如果不注重知识产权的保护,中国的光伏产业将会是前车之鉴——由于技术的同质化和产能的饱和,产品就由技术较量变为了价格战,急剧压缩利润空间,将产业推向死亡的边缘。

 

根据我的肤浅了解,印度在医药知识产权保护的经验可供借鉴。印度的知识产权保护是通过“立法作保障,司法、行政、民间三方积极互动、紧密配合”来完成的。完善而不断更新的知识产权法律体系是印度实现知识产权保护的基本保障,而司法部门、行政管理部门以及民间团体积极互动、密切配合是印度实现知识产权保护的基本手段。

 

首先,印度制药界侧重于利用一系列能够促使医药变得更具创新力的政策、机构来完善知识产权的保护;第二,印度制药界知识产权的保护始终建立在一种普惠的理念上,即适应社会基本需求,维护公共利益,最终为用药者和制药企业取得双赢的局面;第三,印度面对国外先进医药企业寻求技术合作的同时,始终没有忘记本土特色,并以此推动本国特色医药的开发;最后,印度政府在保护知识产权的前提下,大力注入资金,开展研发,同时鼓励民间学术机构和政府机构交流,促进医药科技成果商业化进程。在这些方面,希望我国3D打印领域的专家们深入讨论。

 

《千人》:目前3D打印发展迅速,人才培养怎样才能跟上发展潮流?大学教育方面,3D打印能否成为专业?社会培养方面,创客能否促进创新力的提升?

 

危岩:目前谈到建立3D打印学科为时尚早,但是可以参照清华正在进行的交叉学科的建设。大学现在专业的设置是独立的,缺乏专业之间的交流,但是目前世界主要的前沿科学都是领域交叉,3D打印便是融合机械、材料、计算机、美术设计、化学、物理、生物、人文等多种学科的交叉成果,需要鼓励跨专业、跨学科的交叉学科的诞生。具体执行上,如果只是在某个学科中增设“3D打印”的课程,范围太过狭窄,可以先有“科普”和几门关键课程,培养出对3D打印具有强烈兴趣的学生,再建设专业和学科,由浅入深、循序渐进。

 

另一个创新主体便是创客——创客是一个很时髦的词,也是一个新兴的群体。虽然由于缺乏经验,成功的创意凤毛菱角,但是鼓励一批创客动手进行创造,有利于“万众创新”局面的影响。人口的基数决定了创意的多少,即使万里挑一的创意得到了验证,那也胜过科学家在实验室里面埋头苦“研”。

 

为了提升民众对3D打印的兴趣,形成“万众创新”的局面,科普工作是前提,科普就依靠媒体的宣传,现在媒体对3D打印概念的推广还是比较成功的,但是缺乏深层次的剖析,所以媒体应当更深挖3D产业,而不是仅仅止于泛泛而谈。另外在产业层面,现阶段需要成立多种产业联盟,进一步扩大3D打印的产业影响力并建立行业标准和规则。通过竞争和合作,最后形成一或两个为3D打印产业发展的权威和服务组织。

 

《千人》:您对3D打印产业的未来如何期待?

 

危岩:现在有观点认为军工制造、模具设计、某些民用市场是拉动3D打印发展的3架马车,目前这三个领域有些产品确实可以获取高额利润,但是将来不会仅仅是这三个领域的天下,拉动3D打印产业和经济的马车会发展成N辆,形成万马奔腾之势。如果国家能制定一个深层次协同计划,加上高校、所实质性的参与和健康的企业竞争,中国一定能在几年内能产生至少几个世界级的有自主产权/品牌、市场和高利润的企业或产品。

 

——————————————

 

危岩,国家“千人计划”专家,清华大学化学讲席教授、清华前沿高分子研究中心主任、973专项首席科学家。国家“千人计划”专家联谊会“3D打印协同创新小组”组长。

 

此文关键字:3D打印

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