南極熊解析“中國(guó)制造2025”下的3D打印

2015年5月8日，國(guó)務(wù)院正式印發(fā)了《中國(guó)制造2025》。這份被認(rèn)為是中國(guó)版的“工業(yè)4.0”發(fā)展規(guī)劃，明確了在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的大背景下，中國(guó)主動(dòng)應(yīng)對(duì)全球產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新格局和未來(lái)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)新挑戰(zhàn)的發(fā)展戰(zhàn)略。為實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造由大到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變，提出了9大戰(zhàn)略任務(wù)、5項(xiàng)重點(diǎn)工程、10大戰(zhàn)略領(lǐng)域和若干重大政策舉措，描繪了中國(guó)制造梯次推進(jìn)的路線圖和未來(lái)30年建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的宏偉藍(lán)圖。在該規(guī)劃中，3D打�。ㄔ霾闹圃欤┳鳛榇�表性的新興技術(shù)占有重要位置，在全文中共出現(xiàn)6次，貫穿于背景介紹、國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新能力提升、信息化與工業(yè)化深度融合、重點(diǎn)領(lǐng)域突破發(fā)展等重要段落，并融入于推動(dòng)智能制造的主線。這一方面體現(xiàn)出我國(guó)對(duì)3D打印的重視程度，另一方面也彰顯了在戰(zhàn)略層面我國(guó)對(duì)制造業(yè)發(fā)展面臨的形勢(shì)和環(huán)境的深刻理解。

3D打印首次出現(xiàn)在規(guī)劃的第一部分。在全球制造業(yè)格局分析中，制造業(yè)被認(rèn)為正面臨重大調(diào)整。隨著新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，以3D打印、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)將重構(gòu)現(xiàn)有的制造業(yè)技術(shù)體系，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)制造生產(chǎn)方式的變革，智能制造將代替重復(fù)和一般技能勞動(dòng)成為大勢(shì)所趨。
在隨后的首個(gè)戰(zhàn)略任務(wù)“提高國(guó)家制作業(yè)創(chuàng)新能力”中，規(guī)劃提出興建增材制造等一批制造業(yè)創(chuàng)新中心（工業(yè)技術(shù)研究基地），支撐完善國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)體系構(gòu)建。這些國(guó)家創(chuàng)新中心將重點(diǎn)開(kāi)展行業(yè)基礎(chǔ)和共性關(guān)鍵重大技術(shù)研發(fā)、成果產(chǎn)業(yè)化、人才培訓(xùn)等工作。在“推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合”戰(zhàn)略任務(wù)中，3D打印又被提到2次。在加快發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品方面，提出組織研發(fā)增材制造等智能制造裝備以及智能化生產(chǎn)線；在推進(jìn)制造過(guò)程智能化方面，提出加快增材制造等技術(shù)和裝備在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用。

最后2次出現(xiàn)是在10大重點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)展布局中。在高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人領(lǐng)域，提出要加快增材制造等前沿技術(shù)和裝備的研發(fā)；在生物醫(yī)藥及高性能醫(yī)療器械領(lǐng)域中，提出要實(shí)現(xiàn)生 物3D打印等新技術(shù)的突破和應(yīng)用。 實(shí)際上，在《中國(guó)制造2025》出臺(tái)以前，2015年我國(guó)已有多個(gè)3D打印相關(guān)利好政策出爐。

2015年2月份工業(yè)和信息化部（以下簡(jiǎn)稱“工信部”）、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱“發(fā)改委”）、財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布了《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》，這份經(jīng)過(guò)2年精心打造的推進(jìn)計(jì)劃將3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面。

3月份“兩會(huì)”期間，李克強(qiáng)總理政府報(bào)告提出了“中國(guó)制造2025”，“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，“大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”3項(xiàng)具體措施，形成了新常態(tài)下推動(dòng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新思路，這3項(xiàng)具體措施均和3D打印密切相關(guān)。

5月份國(guó)務(wù)院正式對(duì)外公布《中國(guó)制造2025》規(guī)劃，其中3D打印成為加快實(shí)現(xiàn)智能制造的重要技術(shù)手段；6月份國(guó)務(wù)院印發(fā)《大力推進(jìn)大眾創(chuàng)業(yè)萬(wàn)眾創(chuàng)新若干政策措施的意見(jiàn)》，其中的第6大領(lǐng)域“建設(shè)創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新平臺(tái)，增強(qiáng)支撐作用”涉及3D打印。

該技術(shù)可使得社會(huì)大眾的創(chuàng)意和想法快速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，使其成為創(chuàng)業(yè)的熱門(mén)領(lǐng)域。目前，“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃也正在積極的制定當(dāng)中。由于3D打印具有的先天互聯(lián)網(wǎng)基因，預(yù)計(jì)其也將成為重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域。

一、生產(chǎn)模式迎來(lái)新變革
在過(guò)去的2個(gè)世紀(jì)中，人類的生產(chǎn)模式發(fā)生了多次的轉(zhuǎn)變，每一次轉(zhuǎn)變都極大地提高了生產(chǎn)力，改變了人類的生活。目前，新一輪的變革正在發(fā)生（見(jiàn)圖1）。在1850年前后，首先出現(xiàn)了“手工制造”時(shí)代。其主要標(biāo)志是技術(shù)嫻熟的工匠根據(jù)客戶的要求逐件的生產(chǎn)產(chǎn)品。這種作坊式的生產(chǎn)模式以小批量和定制化的生產(chǎn)形式為主。但是，生產(chǎn)效率較低，單件產(chǎn)品的質(zhì)量取決于個(gè)體工匠的技術(shù)水平和經(jīng)驗(yàn)智慧。隨著第一次工業(yè)革命的到來(lái)，以蒸汽機(jī)作為標(biāo)志的機(jī)器逐步代替了手工勞動(dòng)，極大的提高了生產(chǎn)力。隨后，福特汽車公司革命性的實(shí)現(xiàn)了流水線生產(chǎn)，人類開(kāi)始進(jìn)入到“大規(guī)模制造”時(shí)代，并在1955年前后達(dá)到頂峰。在這個(gè)階段，大規(guī)模生產(chǎn)降低了單個(gè)產(chǎn)品的制造成本，但產(chǎn)品的多樣性也隨之減少。

在20世紀(jì)80年代后，隨著社會(huì)大眾對(duì)消費(fèi)類產(chǎn)品多樣化的需求逐步提高，“大規(guī)模定制”開(kāi)始興起。這種模式通過(guò)組件模塊化和用戶參與，兼顧了低成本生產(chǎn)和客戶需求。這使得產(chǎn)品的種類增加，而單件產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模下降。 2000年以后，全球化進(jìn)程日益加快，制造業(yè)趨于更加復(fù)雜化和個(gè)性化。產(chǎn)品更新?lián)Q代的節(jié)奏加快，定制化需求日益旺盛，制造業(yè)的生產(chǎn)模式開(kāi)始步入到“個(gè)性化制造”階段。今天，互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)代制造業(yè)正在進(jìn)行深度融合，3D打印、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新技 術(shù)正在推動(dòng)制造業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的方向發(fā)展。數(shù)字技術(shù)、智能技術(shù)的融入，使得“物理”意義上的產(chǎn)品攜帶了更多的“信息”功能，其整體性能得到本質(zhì)的提升。

未來(lái)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)核心將不再是“物理”意義上的質(zhì) 量，而更多的是產(chǎn)品整體的功能性。這將導(dǎo)致制造業(yè)的生產(chǎn)模式從批量化、規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化制造轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄖ苹�、個(gè)性化、分布式。新的生產(chǎn)方式將更加靈活，滿足多品種小批量的產(chǎn)品需求，逐步取代大批量生產(chǎn)，成為未來(lái)制造的主要形式�？v觀制造業(yè)生產(chǎn)模式的發(fā)展歷程，它像畫(huà)了一個(gè)圓圈一樣又繞回了起始點(diǎn)。

機(jī)器的應(yīng)用使得制造業(yè)的生產(chǎn)模式實(shí)現(xiàn)了從手工生產(chǎn)到大規(guī)模制造的轉(zhuǎn)變，而以3D打印、機(jī)器人為代表的智能化制造技術(shù)將引領(lǐng)個(gè)性化定制時(shí)代的到來(lái)，使得全球制造業(yè)的格局發(fā)生重大革命。在生產(chǎn)模式發(fā)展變化的同時(shí)，制造業(yè)的設(shè)計(jì)理念，商業(yè)模式，價(jià)值鏈也正在隨之變化。產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的重心從生產(chǎn)環(huán)節(jié)逐步轉(zhuǎn)向研發(fā)設(shè)計(jì)和品牌營(yíng)銷等環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致制造業(yè)從生產(chǎn)型向服務(wù)型進(jìn)行轉(zhuǎn)變。網(wǎng)絡(luò)眾包、協(xié)同設(shè)計(jì)、互聯(lián)制造、大數(shù) 據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)也將改變制造業(yè)的價(jià)值鏈條，構(gòu)建新體系。


隨著新一代信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，未來(lái)的產(chǎn)品將不斷的智能化、網(wǎng)絡(luò)化。制造業(yè)企業(yè)不單單需要通過(guò)工廠內(nèi)部的智能化、信息化來(lái)采集大量的生產(chǎn)信息，來(lái)提高企業(yè)的運(yùn)行效率；另一反面還需要透過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)獲取產(chǎn)品的反饋信息和客戶需求的大數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析、處理，來(lái)快速動(dòng)態(tài)的配置資源和提供解決方案，形成全新的制造業(yè)企業(yè)管理決策方法。 由于3D打印自身的一些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使其成為推動(dòng)制造業(yè)新一輪生產(chǎn)模式變革的重要技術(shù)之一。首先，3D打印將生產(chǎn)環(huán)節(jié)和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)連接到一起，整合成為“精益設(shè)計(jì)”模式。作為一種“設(shè)計(jì)無(wú)限制”的數(shù)字化制造技術(shù)，3D打印可以直接制造出形狀高度復(fù)雜的產(chǎn)品。這將大大簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高零部件的集成度，加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。同時(shí)，也使得過(guò)去受到傳統(tǒng)加工方式約束而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造變?yōu)榭赡堋?br />
3D打印還使得制造業(yè)的門(mén)檻大幅度降低，“大規(guī)模制造”所需的大型廠房、眾多機(jī)器、大量專業(yè)人員等生產(chǎn)要素將不再能夠阻擋制造業(yè)的大眾化。借助互聯(lián)網(wǎng)，3D打印可以使任何人都可以通過(guò)數(shù)字設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)制造。因此，制造的重心將由生產(chǎn)向設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移，通過(guò)精益設(shè)計(jì)提高制造的靈活度將成為發(fā)展趨勢(shì)。這種變化恰恰迎合了互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)快速發(fā)展，產(chǎn)品微小創(chuàng)新和快速迭代成為新的發(fā)展模式。其次，3D打印還可大大壓縮供應(yīng)鏈，使得傳統(tǒng)的離岸經(jīng)濟(jì)模式得以改變。

數(shù)字化文件的共享和交易,將允許在靠近消費(fèi)區(qū)域的地點(diǎn)進(jìn)行生產(chǎn)。這將繞過(guò)傳統(tǒng)的供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn) 產(chǎn)品“分布式制造”，顛覆傳統(tǒng)供應(yīng)鏈中的企業(yè)(見(jiàn)圖2)。最后，3D打印與互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合將使得社會(huì)大眾有機(jī)會(huì)直接參與到產(chǎn)品整個(gè)生命周期當(dāng)中。從最初的設(shè)計(jì)、到制造、到后期維修，再到相關(guān)服務(wù)。這種模式將釋放整個(gè)社會(huì)的智慧，構(gòu)建兼具個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)，演化出更加靈活和富有活力的商業(yè)模式，重組產(chǎn)業(yè)鏈分工、創(chuàng)造新的盈利模式和價(jià)值鏈體系。通過(guò)將改變產(chǎn)品的制造方式，進(jìn)而改變世界的經(jīng)濟(jì)格局，最終改變?nèi)祟惖纳�活方式�?

二、3D打印興起的背景

自2008年國(guó)際金融危機(jī)以來(lái)，以美國(guó)、歐盟為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始重新審視制造業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用，紛紛提出“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，希望通過(guò)重振制造業(yè)來(lái)拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇。美國(guó)方面，于2012年發(fā)布《國(guó)家先進(jìn)制造業(yè)戰(zhàn)略計(jì)劃》，正式將先進(jìn)制造業(yè)提升為國(guó)家戰(zhàn)略。隨后，奧巴馬宣布實(shí)施 “國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計(jì)劃，篩選具有廣闊應(yīng)用價(jià)值的先進(jìn)制造技術(shù)設(shè)立創(chuàng)新中心，全面提升美國(guó)制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。首個(gè)被遴選出的技術(shù)即為3D打印，其創(chuàng)新中心的建設(shè)也同時(shí)被定位成樣板工程。

從美國(guó)設(shè)立國(guó)家創(chuàng)新中心的進(jìn)度來(lái)看，其對(duì)先進(jìn)技術(shù)的遴選較為嚴(yán)格。盡管數(shù)量從最初計(jì)劃的15家增加到最終的45家，但截至2014年底僅成立了8家，其中4家正在啟動(dòng)過(guò)程中。然而，美國(guó)“國(guó)家增材制造創(chuàng)新中心”的成立時(shí)間甚至早于美國(guó)白宮發(fā)布《國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)》的時(shí)間，也遠(yuǎn)早于后3家創(chuàng)新中心的成立時(shí)間，體現(xiàn)出美國(guó)政府對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的重視程度。同時(shí)，美國(guó)推動(dòng)3D打印的政策并不是孤立存在的，它和“材料基因組計(jì)劃”等美國(guó)政府其他重點(diǎn)工作存在著內(nèi)部聯(lián)系。美國(guó)希望這些工作的交叉可以激發(fā)跨學(xué)科、跨領(lǐng)域之間的相互合作，開(kāi)辟嶄新的創(chuàng)新途徑，支撐下一波“美國(guó)制造”的浪潮潛力，應(yīng)對(duì)未來(lái)的戰(zhàn)略需求和各種挑戰(zhàn)。

該動(dòng)作迅速得到了全球范圍的廣泛關(guān)注，英國(guó)、德國(guó)、加拿大、日本、澳大利亞、新加坡等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼跟進(jìn)，3D打印熱潮席卷全球。 表面上來(lái)看，美國(guó)政府是在積極推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)面向市場(chǎng)的生產(chǎn)制造。作為新興的先進(jìn)制造 業(yè)，3D打印產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)容量未來(lái)有可能匹敵航空業(yè)，達(dá)到數(shù)千億美元的規(guī)模，頗具吸引力。

但更深層次的是，該技術(shù)能夠與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式相結(jié)合，共同推動(dòng)實(shí)現(xiàn)新一輪工業(yè)革命。3D打印的一些獨(dú)有特征，未來(lái)能夠?qū)χ圃鞓I(yè)產(chǎn)生大范圍、深入的滲透和影響，具有其他一些先進(jìn)制造技術(shù)（如柔性混合電子、下一代電力電子等）所無(wú)法達(dá)到的作用（見(jiàn)圖3）。與此同時(shí)，3D打印在國(guó)防軍工領(lǐng)域也具有不同方面的應(yīng)用，對(duì)于保障美國(guó)國(guó)家安全具有重要的支撐作用。今天來(lái)看，美國(guó)對(duì)3D打印的戰(zhàn)略布局具有相當(dāng)?shù)那罢靶浴＿@一方面體現(xiàn)出美國(guó)戰(zhàn)略政策制定中高瞻遠(yuǎn)矚的預(yù)見(jiàn)能力，另一方面也解釋了為什么繼美國(guó)之后，歐洲及其他地區(qū)國(guó)家紛紛效仿積極推動(dòng)3D打印，爭(zhēng)搶該技術(shù)戰(zhàn)略高地。

我國(guó)也高度關(guān)注3D打印技術(shù)，自20世紀(jì)90年代初就通過(guò)國(guó)家自然基金、科技部、工信部等部委支持相關(guān)研究。在2012年美國(guó)大力推動(dòng)3D打印發(fā)展開(kāi)始之初，也密切跟蹤相關(guān)動(dòng)向。通過(guò)借鑒美國(guó)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我國(guó)制造業(yè)發(fā)展的處于2.0水平的實(shí)際情況，適時(shí)的推出了3D打印的相關(guān)政策。在《中國(guó)制造2025》規(guī)劃中，從宏觀和中觀的角度上點(diǎn)明了發(fā)展3D打印的原因、方向和路徑，為我國(guó)在3D打印領(lǐng)域搶占國(guó)際技術(shù)高地，在新一輪工業(yè)革命中打造制造強(qiáng)國(guó)提供了行動(dòng)綱領(lǐng)，也為應(yīng)對(duì)美國(guó)“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，德國(guó)“工業(yè)4.0”提出了中國(guó)發(fā)展制造業(yè)的戰(zhàn)略方針。

三、3D打印發(fā)展成熟度
3D打印技術(shù)始于20多年前，但最近幾年來(lái)才被公眾所注意，這主要?dú)w功于其在最近幾年的快速發(fā)展。根據(jù)美國(guó)高德納（Gartner）公司發(fā)布的 “新興技術(shù)炒作周期”報(bào)告，3D打印在2009年時(shí)還未被列入報(bào)告中。這項(xiàng)新興技術(shù)在2010年才在報(bào)告中首次出現(xiàn)，并被認(rèn)為需要5～10年才能成熟。但在2012年，這項(xiàng)技術(shù)就已經(jīng)從技術(shù)萌芽期發(fā)展到期望膨脹期的頂點(diǎn)，與大數(shù)據(jù)一起成為2012年最受市場(chǎng)關(guān)注的新技術(shù)之一。

到了2014年，3D打印已經(jīng)快速地渡過(guò)膨脹期，開(kāi)始進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用階段（見(jiàn)圖4）。由于該技術(shù)的快速發(fā)展，高德納公司在最新發(fā)布的炒作周期圖中將企業(yè)級(jí)3D打印和消費(fèi)級(jí)3D打印進(jìn)行了區(qū)分和單獨(dú)評(píng)價(jià)。企業(yè)級(jí)3D打印正在逐步走向成熟期，市場(chǎng)在迅速擴(kuò)大，幾乎已經(jīng)步入實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)階段。相比之下，消費(fèi)級(jí)3D打印仍處于炒作的高峰期，大約還需要5～10年才能進(jìn)入主流商業(yè)領(lǐng)域。

3D生物打印系統(tǒng)仍然于萌芽期，但成熟期從2012年所需的10年以上縮短到5～10年之間。 對(duì)于3D打印細(xì)分領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，樣品原型制造已經(jīng)步入成熟期，可使企業(yè)能夠減少在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中設(shè)計(jì)、成 型和功能設(shè)計(jì)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。在2～5年內(nèi)，3D掃描設(shè)備和3D打印軟件的成熟速度將會(huì)更快，同時(shí)會(huì)有更大比例的企業(yè)采用3D打印。3D打印的醫(yī)療器械將帶來(lái)巨大的好處，足以改變?nèi)藗兊纳�活，這將導(dǎo)致全球使用3D打印技術(shù)制作假肢和醫(yī)療植入物。

消費(fèi)級(jí)3D打印則和企業(yè)級(jí)3D打印完全不同，它將是一個(gè)包含各種軟件、硬件和材料的復(fù)雜系統(tǒng)，并不像2D紙打印機(jī)只需“點(diǎn)擊打印”那么簡(jiǎn)單，因此需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能走向主流。同樣，3D打印如果想成為主流的制造工藝，進(jìn)入到工業(yè)制造領(lǐng)域中，也需要較長(zhǎng)時(shí)間。面向大結(jié)構(gòu)的大型3D打印與教學(xué)用3D打印要進(jìn)入主流前景廣闊，但是目前才剛剛開(kāi)始，還需要10年以上的時(shí)間。 根據(jù)沃勒斯事務(wù)所（Wohlers Associates）公司發(fā)布的最新3D打印報(bào)告，2014年全球3D打印產(chǎn)值達(dá)到41億美元，年增長(zhǎng)率達(dá)到35%，增速達(dá)到了18年來(lái)的最高水平。

其中，產(chǎn)品（包括3D打印裝備和材料）和服務(wù)（包括軟件、制造和服務(wù)部分）的產(chǎn)值基本各占一半。從設(shè)備銷量來(lái)看，2014年企業(yè)級(jí)3D打印機(jī)（>5000美元/臺(tái)）銷量超過(guò)1.2萬(wàn)臺(tái)，增長(zhǎng)率超過(guò)30%。市場(chǎng)主要由美國(guó)Stratasys公司、美國(guó)3D systems公司和德國(guó)Envisiontec公司占據(jù)，3家占有率將近80%。消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)（<5000美元/臺(tái)）銷量超過(guò)14萬(wàn)臺(tái)，增長(zhǎng)率超過(guò)90%。

四、3D打印業(yè)態(tài)分析

3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈包括５個(gè)環(huán)節(jié)，分別為“軟件、材料、裝備、制造和應(yīng)用”。軟件開(kāi)發(fā)：通過(guò)實(shí)物掃描、逆向分析和計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)，構(gòu)建三維數(shù)據(jù)模型。材料研制和生產(chǎn)：開(kāi)發(fā)金屬、高分子、無(wú)機(jī)等3D打印專用材料，滿足不同類型產(chǎn)品的性能要求。裝備研制和生產(chǎn)：進(jìn)行激光、電子束等高能離子束加工部件，以及整機(jī)的開(kāi)發(fā)，滿足不同生產(chǎn)工藝要求。生產(chǎn)制造：基于三維數(shù)據(jù)模型，通過(guò)材料層層疊加的方式生產(chǎn)產(chǎn)品，并通過(guò)后處理和產(chǎn)品檢測(cè)，使產(chǎn)品性能及尺寸達(dá)標(biāo)。應(yīng)用推廣：進(jìn)行航空航天、生物醫(yī)療、創(chuàng)意產(chǎn)品等應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品推廣和使用（見(jiàn)圖5）。

５個(gè)環(huán)節(jié)中所涉及的重要技術(shù)需求包括開(kāi)發(fā)專用的3D打印材料，對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)工藝，以及相關(guān)的高端3D打印裝備。在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條當(dāng)中，還有另外3個(gè)非常重要的部分始終貫穿其中，分別為：數(shù)字鏈路、科技服務(wù)和可持續(xù)發(fā)展。不間斷的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)鏈路將可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、加工制造、到最終裝配、檢測(cè)全流程的自動(dòng)化、智能化，是“數(shù)字化制造”的核心�？萍挤�務(wù)將為3D打印相關(guān)企業(yè)提供所需的配套服務(wù)，包括教育培訓(xùn)、咨詢、售后、宣傳等等，促進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。材料的回收、能源高效利用、從源頭保護(hù)生 態(tài)環(huán)境等，將實(shí)現(xiàn)3D打印產(chǎn)品和系統(tǒng)全生命周期的綠色低碳、和諧協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。

雖然3D打印包括了５個(gè)環(huán)節(jié)，但產(chǎn)業(yè)的發(fā)展實(shí)際上是由裝備環(huán)節(jié)主導(dǎo)的，這些裝備制造廠商形成了3D打印產(chǎn)業(yè)的第１種主流企業(yè)類型。這是由于3D打印產(chǎn)品的好壞需要通過(guò)裝備將原材料加工成產(chǎn)品之后，才能檢查出來(lái)。因此，初期的3D打印企業(yè)都是 依靠裝備起家的。但另一方面，3D打印產(chǎn)品的性能又很大程度上取決于材 料的選擇和軟件的優(yōu)化。所以，這些裝備廠商為了提高用戶體驗(yàn)度，逐步將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到原材料制造環(huán)節(jié)，并進(jìn)一步在不同程度上向軟件、制造和應(yīng)用環(huán)節(jié)拓展。

目前，大部分3D打印企業(yè)的主營(yíng)業(yè)務(wù)都為裝備制造。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，這些企業(yè)占據(jù)了全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的半壁江山，2014年收入將近20億美元。預(yù)計(jì)這一特征在短期之內(nèi)不會(huì)有所改變，其他環(huán)節(jié)的3D打印企業(yè)很難脫穎而出，成為該行業(yè)的領(lǐng)軍廠商。和3D打印產(chǎn)業(yè)相關(guān)的另外一種企業(yè)為傳統(tǒng)制造業(yè)巨頭。這些企業(yè)并非處于3D打印產(chǎn)業(yè)鏈之中，而是與之存在橫向交叉。這些巨頭對(duì)制造本身具有深入的理解，并占有全球制造業(yè)龐大的市場(chǎng)和資源。它們?cè)噲D將3D打印這種先進(jìn)制造技術(shù)融入到現(xiàn)有的制造工藝體系中，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品的改進(jìn)和升級(jí)。

顯然，這是新興的專業(yè)3D打印企業(yè)無(wú)法做到的，但對(duì)于3D打印產(chǎn)業(yè)未來(lái)的發(fā)展來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。換句話說(shuō)，這些傳統(tǒng)制造業(yè)巨頭的介入程度將很大程度上影響3D打印在各應(yīng)用領(lǐng)域的滲透程度，因此它們成為該領(lǐng)域的另外一種企業(yè)類型。 還有一種類型的企業(yè)隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展興起——3D打印云平臺(tái)企業(yè)。這些平臺(tái)一方面是3D打印產(chǎn)品的電商交易平臺(tái)�？蛻敉ㄟ^(guò)“線上下單，線下制造”的方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的按需定制。另一方面，云平臺(tái)還匯聚了世界各地的3D打印從業(yè)人員。3D打印設(shè)計(jì)師可以將自己的創(chuàng)意設(shè)計(jì)上傳到云平臺(tái)，并打印生產(chǎn)，最后售賣給喜歡這些創(chuàng)意產(chǎn)品的普通用戶。這些3D打印云平臺(tái)借助互聯(lián)網(wǎng)匯集遍布全球的3D打印愛(ài)好者，構(gòu)建起極為龐大的社區(qū)。

網(wǎng)絡(luò)眾包、異地協(xié)同設(shè)計(jì)等新型商業(yè)模式在這里得到真實(shí)體現(xiàn)，推動(dòng)3D打印從生產(chǎn)向服務(wù)轉(zhuǎn)變。 最后一種類型的企業(yè)目前數(shù)量很少，在整個(gè)3D打印產(chǎn)業(yè)所占的份額也微乎其微，但卻潛力巨大，這些企業(yè)的主業(yè)為3D生物打印。如果說(shuō)3D打印屬于制造技術(shù)當(dāng)中的黑科技，那么3D生物打印則是3D打印技術(shù)當(dāng)中的黑科技。

未來(lái)3D打印人工器官將是解決移植器官短缺問(wèn)題的可行技術(shù)之一，并對(duì)醫(yī)學(xué)研究和藥物研發(fā)產(chǎn)生推進(jìn)作用。這將給目前的生物醫(yī)學(xué)行業(yè)帶來(lái)巨大的變革。 從某種意義上講，專業(yè)3D打印企業(yè)和傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)分別從技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)需求2個(gè)方向推動(dòng)了3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展。而3D打印云平臺(tái)企業(yè)是通過(guò)信息的互聯(lián)、人的互聯(lián)、機(jī)器的互聯(lián)構(gòu)建出全球的3D打印互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。3D生物打印企業(yè)則開(kāi)啟了制造活體組織的大門(mén)，成為“生物制造”的基石。這4種企業(yè)正從不同的方向改變著傳統(tǒng)制造業(yè)，推動(dòng)生產(chǎn)向智能化、服務(wù)化的方向發(fā)展。

1.3D打印裝備制造企業(yè)
國(guó)際方面，3D打印裝備制造企業(yè) 以美國(guó)3D Systems和Stratasys公司為代表。這2家3D打印巨頭均在納斯達(dá)克上市，占全球3D打印產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的1/3。2014年，3D Systems公司實(shí)現(xiàn)收入6.5億美元，比2012年增長(zhǎng)27%。該公司的創(chuàng)立者Charles Hull發(fā)明了著名的3D打印光固化工藝（SLA），并于2014年進(jìn)入美國(guó)發(fā)明家名人堂。

該公司向客戶提供“一站式”全套3D打印解決方案，包括裝備、材料、工藝、軟 件、教育培訓(xùn)和應(yīng)用支持，其解決方案涉及模具、醫(yī)療、教育、珠寶、建筑等行業(yè)。Stratasys公司2014年實(shí)現(xiàn)收入7.5 億美元，比2013年增長(zhǎng)55%。該公司是應(yīng)用最為廣泛的3D打印工藝技術(shù)——熔融沉積式工藝（FDM）的鼻祖，同時(shí)也是該工藝的最大生產(chǎn)制造商，至今還在引領(lǐng)該工藝的發(fā)展。同時(shí)，該公司擁有業(yè)界最為全面的材料組合，包括數(shù)百種光聚合物和熱塑性塑料。 排在第3位的德國(guó)EOS公司2014年收入約為2.2億美元。

該公司是選擇性激光燒結(jié)工藝的（SLS）領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，主要業(yè)務(wù)集中在航空航天、醫(yī)療和汽車行業(yè)高端精密零部件的制造�？蛻艉�蓋了空客、波音、保時(shí)捷、大眾等眾多頂尖制造商。其他的知名3D打印裝備公司還包括瑞典ArcamAB、德國(guó)ExOne、德國(guó)SLM solutions、德國(guó)Voxeljet等，這些公司2014年的收入都在2000萬(wàn)～4000萬(wàn)美元之間。國(guó)內(nèi)方面的情況基本上和國(guó)際情況一致，北京太爾時(shí)代科技有限公司、西安瑞特快速制造工程研究有限公司、西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司、北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司等3D打印裝備企業(yè)占據(jù)了行業(yè)主流位置。個(gè)別優(yōu)秀企業(yè)的產(chǎn)值達(dá)到億元規(guī)模，但大部分企業(yè)的產(chǎn)值仍處在千萬(wàn)量級(jí)或百萬(wàn)量級(jí)。

2.傳統(tǒng)制造業(yè)巨頭
布局3D打印的傳統(tǒng)制造業(yè)巨頭以美國(guó)通用、波音等公司為代表。通用公司早在2012年奧巴馬宣布實(shí)施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略之后，就提出了“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的概念，并開(kāi)展了一系列的布局�！肮�業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”是指通過(guò)智能機(jī)器間的連接并最終將人機(jī)連接，結(jié)合軟件和大數(shù)據(jù)分析，重構(gòu)全球工業(yè)、激發(fā)生產(chǎn)力，讓世界更清潔且更經(jīng)濟(jì)。這其中，3D打印成為智能工廠中重要的組成部分。

通用公司2011年就成立了增材制造實(shí)驗(yàn)室，并于2012年收購(gòu)了Morris Technologies和Rapid Quality Manufacturing２家專業(yè)3D打印公司。同時(shí)，對(duì)阿拉巴馬州的奧本工廠投入1.25億美元擴(kuò)大3D打印制造能力。目前，該廠已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)新一代LEAP噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)所需的3D打印燃料噴嘴，未來(lái)３年內(nèi)計(jì)劃累計(jì)產(chǎn)量將達(dá)到2萬(wàn)個(gè)。2014年，又投入3 200萬(wàn)美元在美國(guó)賓州匹茲堡再建一個(gè)新的3D打印工廠，主要用于開(kāi)發(fā)3D打印技術(shù)并將其用于實(shí)際制造。2015年，公司首款3D打印的商業(yè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)零部件--高壓壓氣機(jī)溫度傳感器（T25）外殼通過(guò)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）認(rèn)證。這種拳頭大小的3D打印零件將用于對(duì)400臺(tái)波音777的 GE90-94B噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行改造（見(jiàn)圖6）。

近期，市場(chǎng)傳言通用公司將有可能收購(gòu)3D Systems公司。對(duì)于市值將近3000億美元的通用公司來(lái)說(shuō)，收購(gòu)市值不到30億美元的3D systems公司將使其在該領(lǐng)域占據(jù)一個(gè)極其有利的位置，且不會(huì)對(duì)公司的資金流產(chǎn)生很大的影響。如果傳言成真，這次收購(gòu)將對(duì)整個(gè)3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。除了通用公司，其他制造業(yè)巨頭也紛紛布局3D打印。

例如，波音公司早 在90年代中期就開(kāi)始應(yīng)用3D打印組件，用作飛機(jī)的非結(jié)構(gòu)部件。目前，波音公司已在16種不同的商用和軍用飛機(jī)上使用了200多種，2萬(wàn)多個(gè)3D打印的飛機(jī)零部件。其中，787夢(mèng)想客機(jī)就包括32種3D打印部件�？湛凸�司則設(shè)立了近百個(gè)科研項(xiàng)目，研究3D打印在下一代商用飛機(jī)上的應(yīng)用，包括3D打印的減重起落架、機(jī)艙和冷卻系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)方面，介入3D打印領(lǐng)域的傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)巨頭較少。和3D打印概念相關(guān)的上市公司有30家左右，其中包括金運(yùn)激光、光韻達(dá)、中航精機(jī)、中海達(dá)、蘇大維格、銀邦股份、華中數(shù)控、華工科技、南風(fēng)化工等。

3.3D打印云平臺(tái)企業(yè)
Shapeways平臺(tái)是全球頭號(hào)在線3D打印市場(chǎng)和社區(qū)，主要為客戶定制他們?cè)O(shè)計(jì)的各種產(chǎn)品，還幫助設(shè)計(jì)人員和3D打印愛(ài)好者銷售自己的3D設(shè)計(jì)和產(chǎn)品。目前，該平臺(tái)云集了來(lái)自全球超過(guò)130個(gè)國(guó)家，數(shù)量超過(guò)50萬(wàn)的會(huì)員，擁有超過(guò)2萬(wàn)家3D店鋪，充斥著各種各樣新奇、有趣的原創(chuàng)3D設(shè)計(jì)作品，月均3D打印產(chǎn)品數(shù)量已經(jīng)高達(dá)18萬(wàn)件。亞馬遜等其他電商也推出了 3D打印商場(chǎng)。

亞馬遜提供超過(guò)200種可以進(jìn)行定制3D打印的物品。用戶下單以后，亞馬遜將通過(guò)第三方的3D打印服務(wù)提供商，包括Sculpteo、Mixee Labs以及3DLT完成生產(chǎn)。3D Hubs則是另外一種3D打印云平臺(tái)的代表。Shapeways平臺(tái)利用自己的3D打印機(jī)為客戶提供B2C的服務(wù)。但由于使用自己的機(jī)器向全球各地區(qū)用戶提供服務(wù)，盡管打印質(zhì)量比較有保障，用戶需要等待較長(zhǎng)的時(shí)間。3D Hubs平臺(tái)并不擁有3D打印機(jī)，而是建立了一個(gè)全球的3D打印機(jī)分布式網(wǎng)絡(luò)，形成一種C2C的服務(wù)模式。

僅僅2年多的時(shí)間，該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有超過(guò)1.7臺(tái)的3D打印機(jī)，遍布150多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，占到全球3D打印機(jī)總量的近5%，處理了超過(guò)3萬(wàn)件3D打印訂單（見(jiàn)圖7）。該平臺(tái)可以根據(jù)客戶的位置，將任務(wù)分配給分布式網(wǎng)絡(luò)中的最近的3D打印機(jī)，完成制造。因此，其發(fā)貨速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于Shapeways。3D Hubs可以做到2天內(nèi)發(fā)貨，而Shapeways則需要一周。此外，通過(guò)對(duì)這1.7萬(wàn)臺(tái)3D打印機(jī)信息的匯集和整理，形成了權(quán)威的3D打印大數(shù)據(jù)分析，內(nèi)容包括3D打印機(jī)型號(hào)、質(zhì)量、廠商排行榜，3D打印產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域、顏色排行榜，3D打印城市排行榜等等。

還有一類3D打印平臺(tái)主要是3D打印社區(qū)。其中的佼佼者當(dāng)屬Thingiverse，它是Stratasys子公司MakerBot所擁有的全球最大的3D打印文件分享平臺(tái)，該網(wǎng)站已經(jīng)擁有超過(guò)50萬(wàn)個(gè)3D打印模型可供免費(fèi)下載。其訪問(wèn)量和Shapeways平臺(tái)相當(dāng)，年訪問(wèn)量都達(dá)到了千萬(wàn)次量級(jí)。其他活躍的相關(guān)社區(qū)還包括Reddit、3D Hubs Talk、TinkerCAD, MyMiniFactory 和GrabCAD等。國(guó)內(nèi)也在涌現(xiàn)出多個(gè)3D打印云平臺(tái)企業(yè)，比如三迪時(shí)空、叁迪網(wǎng)、紫晶立方、南極熊3D打印網(wǎng)、美匠網(wǎng)、中國(guó)3D打印網(wǎng)、天工社等等。一部分為3D打印裝備制造企業(yè)布局的業(yè)務(wù)延伸，另一部分為獨(dú)立的3D打印服務(wù)平臺(tái)，還有一些網(wǎng)站從事3D打印相關(guān)的周邊服務(wù)。

4.3D生物打印企業(yè)
寬泛的3D生物打印包括４個(gè)層次，分別是體外模型器械、體內(nèi)假體植入物、可降解組織支架、以及活體組織打印。前３個(gè)層次基本屬于傳統(tǒng)制造業(yè)的范疇，而第４個(gè)層次則是開(kāi)創(chuàng)性、革命性的，將根本性的解決器官移植所存在的供體短缺與免疫排斥的問(wèn)題。我們這里所說(shuō)的3D生物打印企業(yè)特指那些從事活體組織打印的企業(yè)。美國(guó)Organovo公司當(dāng)屬這其中的領(lǐng)軍企業(yè)，公司于2013年在納斯達(dá)克上市。該公司開(kāi)發(fā)出了活體組織3D打印機(jī)，并于2014年推出了世界上首款商用3D打印“活體組織”——微型肝臟。

該產(chǎn)品具有精確、可復(fù)制的生物結(jié)構(gòu)，其功能性和穩(wěn)定性可保持42天之久，遠(yuǎn)超當(dāng)下標(biāo)準(zhǔn)的二維肝細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng)，將用于醫(yī)學(xué)研究和藥物開(kāi)發(fā)。 近期，該公司又公布了另一款3D打印“活體組織”-微型腎臟，該組織可以存活至少２個(gè)星期，其商用產(chǎn)品將于2016年下半年正式發(fā)布。與此同時(shí)，Organovo公司與默沙東、強(qiáng)生、歐萊雅等公司合作，開(kāi)展活體組織3D打印的相關(guān)應(yīng)用。國(guó)內(nèi)方面，活體組織3D打印還處于研發(fā)階段，尚未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。

五、結(jié)語(yǔ)
借用世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟創(chuàng)始人羅軍秘書(shū)長(zhǎng)所提出的“時(shí)代”的概念，筆者認(rèn)為3D打印可劃分為5個(gè)時(shí)代�！�1.0時(shí)代”是以3D打印裝備制造企業(yè)為主導(dǎo)，在1984年3D打印出現(xiàn)之后，使得該技術(shù)和產(chǎn)業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展；“2.0時(shí)代”則是以傳統(tǒng)制造業(yè)巨頭開(kāi)始介入為標(biāo)志，在2000年后逐步的將3D打印融入到傳統(tǒng)的制造技術(shù)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)3D打印產(chǎn)品的實(shí)質(zhì)性應(yīng)用；“3.0時(shí)代”則以美國(guó)政府布局3D打印為起點(diǎn)，推動(dòng)全球興起新一輪工業(yè)革命的浪潮，3D打印與大數(shù)據(jù)、機(jī)器人、云計(jì)算的深度融合迎來(lái)智能制造時(shí)代；“4.0”時(shí)代則是以活體組 織3D打印的商業(yè)化為開(kāi)端，逐步實(shí)現(xiàn)人體活體器官的生物制造；展望未來(lái)“5.0”時(shí)代，將有可能是活體組織和電子部件的集成化，以賦予生命體更多的信息化功能。

實(shí)際上，這5個(gè)時(shí)代存在著相互重疊關(guān)系，但其中所涉及的4種3D打印企業(yè)并不存在著相互更替、同質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系。相反的是，即使進(jìn)入到3D打印“5.0”時(shí)代，這4種類型 的企業(yè)預(yù)計(jì)也將有獨(dú)自的市場(chǎng)，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，協(xié)同發(fā)展的態(tài)勢(shì)。因此，為了促進(jìn)我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，這4種類型的3D打印企業(yè)都需要重點(diǎn)關(guān)注。相信這也從側(cè)面說(shuō)明了國(guó)家關(guān)注發(fā)展3D打印裝備，3D打印生產(chǎn)工藝，3D打印平臺(tái)，生物3D打印的原因。作為《中國(guó)制造2025》規(guī)劃當(dāng)中的重點(diǎn)布局內(nèi)容，加快我國(guó)3D打印技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)3D打印產(chǎn)業(yè)做強(qiáng)做大，不單單是培育了一個(gè)具有廣闊市場(chǎng)的先進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)，也同時(shí)對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的夢(mèng)想起到積極的推進(jìn)意義。

編輯：南極熊
作者：于  灝   北京新材料發(fā)展中心
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