《財經(jīng)》：3D打印挑戰(zhàn)中國

編者按：本文來自《財經(jīng)》雜志。近日《財經(jīng)》雜志頗為關(guān)注3D打印，不論是科普介紹，還是分析評論，都非常專業(yè)，游刃有余，又入木三分，也令加速Do頗受鼓舞。現(xiàn)將《財經(jīng)》王宇 賀濤兩位記者的原文轉(zhuǎn)載至此，供大家隨時查閱。另，他們最新一期的時間線雜志用了半本雜志的篇幅介紹了3D打印行業(yè)形勢，值得一讀。

3D打印，是增材制造的俗稱，其核心是數(shù)字化、智能化制造與材料科學(xué)的結(jié)合。與傳統(tǒng)上對原材料進行切削的減材制造方法正相反，3D打印的過程好比用磚頭砌墻，逐層增加材料，最終形成物件。
雖然對第三次工業(yè)革命何時到來，國內(nèi)各界仍普遍持謹慎態(tài)度。然而，3D打印、人工智能、新材料、新一代信息技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)的成熟和產(chǎn)業(yè)化，都透露出新一輪工業(yè)革命并非空穴來風(fēng)。
傳統(tǒng)制造業(yè)的國際分工格局，正逐漸被新技術(shù)帶來的分散化生產(chǎn)以及消費者多元化的需求打破。特別是2008年金融危機之后，那些走向產(chǎn)業(yè)空心化的國家深刻認識到制造業(yè)對于國民經(jīng)濟的重要性，遂寄望于新技術(shù)將制造業(yè)拉回。
如果未來在以3D打印為代表的數(shù)字化制造技術(shù)上失去話語權(quán)，中國制造業(yè)將遭遇殘酷的打擊：傳統(tǒng)的制造手段和生產(chǎn)模式將被取代；人力成本低廉等比較優(yōu)勢必然喪失；中國企業(yè)躑躅于產(chǎn)業(yè)鏈低端的現(xiàn)實將進一步惡化。
而中國是否能抓住這一輪技術(shù)創(chuàng)新的機遇，很大程度上是在逼問中國是否有能力改革現(xiàn)有的創(chuàng)新體系。
顏永年決心最后一搏。74歲的他，在2012年創(chuàng)立了昆山永年先進制造技術(shù)有限公司，并出任董事長，為此，他把家從北京搬到了昆山陽澄湖邊。
相比創(chuàng)辦企業(yè)，顏永年在學(xué)術(shù)上的成就已有定論，正是他在清華大學(xué)任教時把3D打印的概念和早期技術(shù)引入國內(nèi)。在顏永年看來，制造科學(xué)如果脫離了產(chǎn)業(yè)化，含金量就大打折扣，因此退休五年后，他仍打算實現(xiàn)在校任教時未能完成的心愿——辦一家完全市場化的公司，將研究成果產(chǎn)業(yè)化，3D打印就是那項昭示未來的研究成果。
3D打印，是增材制造的俗稱，其核心是數(shù)字化、智能化制造與材料科學(xué)的結(jié)合。與傳統(tǒng)上對原材料進行切削的減材制造方法正相反，3D打印的過程好比用磚頭砌墻，逐層增加材料，最終形成物件。
以3D打印為代表的數(shù)字化制造技術(shù)，被《經(jīng)濟學(xué)人》雜志認為是引發(fā)第三次工業(yè)革命的關(guān)鍵因素，“其將改寫制造業(yè)的生產(chǎn)方式，進而改變產(chǎn)業(yè)鏈的運作模式”。
首先，數(shù)字化制造技術(shù)將大大減少直接從事生產(chǎn)的操作工人，勞動力所占生產(chǎn)成本比例隨之下降。此外，數(shù)字化制造的個性化、快捷性和低成本能夠更快地適應(yīng)本地市場需求的變化，包括滿足小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)需求。這些都促使發(fā)達國家鼓勵廠商把部分制造業(yè)遷回本國，對中國這樣的傳統(tǒng)制造業(yè)大國無疑敲響了警鐘。
不過，中國在3D打印方面的理論研究和嘗試并不算晚。富庶而開放的江浙一帶已有不少企業(yè)在運用這項技術(shù)，僅昆山一地，就有20余家企業(yè)利用3D打印為周邊發(fā)達的產(chǎn)業(yè)集群提供設(shè)計打樣服務(wù)。
而距昆山1.4萬多公里的美國紐約，有著3D云打印之稱的Shapeways正忙著搬家，將其運營重心從荷蘭移至紐約。Shapeways在皇后區(qū)占地2.5萬平方米的工廠取名為“未來工廠”，這是全世界規(guī)模最大的3D打印工廠。2012年10月18日，在工廠開業(yè)儀式上，紐約市長邁克爾·布隆伯格（Michael Bloomberg）手中那把剪彩的剪刀，就是3D打印制造。隔河相望的曼哈頓區(qū)，聚集了眾多年輕的3D打印企業(yè)。中國科學(xué)院自動化研究所研究員王飛躍觀察，即使在2008年金融危機后，這些企業(yè)仍保持快速發(fā)展。
自從工廠出現(xiàn)以來，產(chǎn)品與消費者之間的距離從未如此接近過。3D打印給消費者帶來了在大規(guī)模生產(chǎn)和個性化制造之間進行選擇的自由。如果你想要一個與自己相貌一樣的玩偶，用3D打印機制作，成本可能只要100元；如果委托工廠，也許要花1萬元。
業(yè)內(nèi)人士將2012年的3D打印機視為像1977年個人計算機和1990年網(wǎng)頁瀏覽器一樣，是一個嶄新的市場從萌芽期進入成長期的轉(zhuǎn)折點。雖然3D打印技術(shù)目前尚未顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)——傳統(tǒng)制造業(yè)的規(guī)模效應(yīng)依然占據(jù)優(yōu)勢，但前者正慢慢搶走市場份額。
工信部已經(jīng)嗅出了危機的味道。2012年12月14日，工信部副部長蘇波在增材制造技術(shù)國際論壇上透露，中國將提速3D打印技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。這一信息標志著3D打印正式納入了中國工業(yè)主管部門的視野。
革新的號角
美國3D打印設(shè)備巨頭3D Systems（DDD.NYSE）的創(chuàng)始人，查爾斯·胡爾（Charles W. Hull）比顏永年小1歲，他至今仍管理著公司，擔(dān)任執(zhí)行副主席一職，還是公司的首席技術(shù)官。
1982年，在一家紫外線設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)任職的胡爾，嘗試把光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于快速成型領(lǐng)域。他將一種液態(tài)光敏樹脂倒入大容器中，在容器里放置一個升降平臺，容器上方的紫外激光器根據(jù)計算機指令照射液面，所到之處，材料會發(fā)生光聚合反應(yīng)，迅速從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，當一層打印完成后，未被照射的地方仍保持液態(tài)，此時在液面以下0.05毫米-0.15毫米的升降平臺會下降一層，激光器開始打印第二層。這個過程不斷重復(fù)，直到整個物件制造完畢（參見圖1）。這項立體光刻（SLA）技術(shù)就是最早的3D打印。
胡爾于1986年申請了專利，并成立3D Systems公司。“30年前發(fā)明這項技術(shù)時，我們覺得這對制造業(yè)來說是一個機會�！焙鸂柕暮匣锶�、3D Systems公司總裁亞伯拉罕·雷切特勒（Abraham Reichental）對《財經(jīng)》記者說，“現(xiàn)在，客戶比我們還要積極，推動我們進行適用性研究。五年前，大部分客戶購買設(shè)備用于設(shè)計；從兩年前開始，有一半的客戶用在了直接制造上�！�
3D打印不需要模具，可以直接進行樣品原型制造，因而大大縮短了從圖紙到實物的時間。任何形狀復(fù)雜的零件，都可以被分解為一系列二維制造的疊加。
這種快速制造的理念還衍生出多種不同的技術(shù)類型，除了SLA，常見的有熔融沉積造型（FDM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、三維打�。�3DP）等，其基本工作原理都是逐層增加材料，最終形成物件，因此，這些技術(shù)都被通俗地稱作3D打印。
許多種“耗材”都可使用3D打印：沙子、人造橡膠、塑料、金屬，甚至生物材料；3D打印的應(yīng)用范圍已經(jīng)滲入生物醫(yī)療、航空、汽車、工業(yè)設(shè)計等多個行業(yè)，且仍在不斷拓寬�！熬瓦B美國海軍都購買了90臺機器用于航空領(lǐng)域的研發(fā)�！崩浊刑乩照f。
全世界的實驗室里，正在實踐一些更具雄心的想法：澳大利亞的研究人員加快了制造金屬零件的速度，試制出打印汽車金屬零部件的設(shè)備；意大利的一個研究團隊正開發(fā)用于特種建筑的3D打印機，計劃使用月球塵埃為材料，在月球上快速建造人類基地。
除了省去制造模具的成本以外，相比傳統(tǒng)制造工藝，3D打印對材料的利用率也驚人。美國F-22猛禽戰(zhàn)斗機大量使用鈦合金結(jié)構(gòu)件，如使用傳統(tǒng)的整體鍛造方法，最大的鈦合金整體加強框材料利用率不到4.9％，使用3D打印利用率接近100％。
3D打印技術(shù)通過對金屬材料的燒結(jié)或熔化，直接生成出金屬零部件的發(fā)展趨勢，讓傳統(tǒng)制造業(yè)感受到巨大壓力�！叭绻�在金屬材料上得到廣泛應(yīng)用，3D打印就可能引領(lǐng)新一輪工業(yè)革命�！比A中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院教授張海鷗預(yù)測說。
　中國研發(fā)曲折
顏永年的遺憾是，1988年錯過了芝加哥的一次工業(yè)展覽會，沒能親睹胡爾推出的世界第一臺的商用3D打印設(shè)備SLA250。同事帶回來一張SLA250宣傳頁，已令他唏噓不已。
與材料成型打了半輩子交道的顏永年，發(fā)現(xiàn)固有的知識被徹底顛覆，當時在美國做訪問學(xué)者的他，迫切想一睹這臺機器的真容，無奈展覽已經(jīng)結(jié)束。
回國后，顏永年對3D打印念念不忘，相信這是未來制造業(yè)的重要趨勢。他安排學(xué)生開始做分層軟件的研究——進行3D打印時，必須先用分層軟件將物件的數(shù)字三維模型進行均等切分，然后分層輸出，分層打印。與此同時，顏永年發(fā)出很多封電子郵件，終于在1991年將美國德雷克賽爾大學(xué)教授杰克·卡布雷（Jack keverian）邀請到清華大學(xué)講學(xué)，隨后又到西安交通大學(xué)和上海交通大學(xué)等多所高校傳播“快速制造”的理念和技術(shù)。
中國3D打印研究的序幕由此拉開，像許多科研領(lǐng)域一樣，大學(xué)和科研院所比企業(yè)對技術(shù)創(chuàng)新的潮流更為敏感，因而最先啟動：清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)與北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司，以技術(shù)引進為主，迅速形成了國內(nèi)“三校一企”的3D打印研究陣營。
這一格局也映射出了中國科技創(chuàng)新的普遍現(xiàn)象：原發(fā)性的創(chuàng)新缺失，仍處于以跟蹤模仿和消化吸收引進技術(shù)為主的階段。
上世紀90年代初，一臺3D打印設(shè)備價格100多萬元，在清華任教的顏永年拿不出這筆錢。
在國內(nèi)，啟動像3D打印這樣從零開始的技術(shù)研究難度很大，研究者必須給出充分的預(yù)期成果和應(yīng)用前景論證，更重要的是，要具備一定的前期研究基礎(chǔ)，否則，科技主管部門一般不會為之立項并給予相應(yīng)經(jīng)費。
由于項目面臨諸多的不確定性，當時顏永年也沒有說服學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)，將3D打印作為一個重點項目來支持。而國內(nèi)企業(yè)大部分還在忙于追趕傳統(tǒng)制造業(yè)工藝和技術(shù)，亦難以顧及如此前沿的領(lǐng)域。
在這種情況下，課題組只好自己組建實驗室。1992年，顏永年發(fā)動課題組，截流了原本可作獎金發(fā)放的經(jīng)費，耗盡以前“科研收益的積蓄”，興建了一座簡易的3D打印實驗室。
幸運的是，一家代理3D Systems產(chǎn)品的香港公司正期望獲得核心控制軟件的經(jīng)驗，雙方各取所需，成立了中國第一家快速成型設(shè)備公司——北京殷華激光快速成型與模具技術(shù)有限公司（下稱北京殷華）。清華提供智力支持，香港公司提供一臺SLA250設(shè)備。與胡爾的機器失之交臂三年后，顏永年見到了真東西。
在取得初步研究成果后，課題組終于陸續(xù)獲得了國家自然科學(xué)基金、國家“863”計劃、國家攻關(guān)計劃項目的經(jīng)費支持。
然而，彼時這一產(chǎn)業(yè)在國外正經(jīng)歷低潮期，全球總產(chǎn)值在10億美元水平徘徊多年。經(jīng)過一段時間后，部委機構(gòu)的熱情漸冷，投入3D打印領(lǐng)域的研究經(jīng)費大減，中國3D打印基礎(chǔ)研究放緩。2003年左右，顏永年也將研究重點轉(zhuǎn)向了國家當時大力推動的重型壓機領(lǐng)域，僅留下小部分研究力量繼續(xù)開發(fā)3D打印技術(shù)。
經(jīng)費的減少，亦讓華中科技大學(xué)和西安交通大學(xué)的3D打印科研團隊感到了寒意，好在其分別成立了校辦企業(yè)，經(jīng)營收入反哺科研，研究得以延續(xù)。
九年之后，3D打印悄然成為2012年全球最熱門的科技名詞。

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