专家探讨：3D打印产业现状和亟需解决的问题

随着3D打印机的普及，中国在产业上的应用将拓宽到航空、汽车、医疗等多个领域。据预测，到2016年中国将超越美国成为全球最大的3D打印机市场。日本媒体表示，3D打印对于中国企业在金属模具的制作技术上有很大的帮助和提升，这也将促进中国企业在国际市场上的竞争力越来越强并追赶世界先进水平。中国3D打印技术产业联盟表示，到2016年，中国3D打印机市场规模将扩大到100亿元，是2012年的10倍，中国将超越美国成为全球最大的市场。

制造装备经历了三个阶段的发展：第一阶段是电气化，第二阶段是数控化，第三阶段及今后的发展方向是智能化。根据工程专家的构想，智能机床拥有许多传感器，具有全面采集信息，“感知”外界变化的本领。智能机床还拥有强大的软件系统，能根据加工状态的监测信息实时改进各项参数，达到制造的最优化。

目前，在中国市场上熟悉可见的3D打印机绝大多数系欧美产品。近来不断涌现出的国产3D打印机成为推动产业应用迅速扩大的主要原因，但3D打印的产业的发展同时也会引发一些问题。

3D打印制造知识产权引发担忧

最近，一家英国游戏公司给某3D打印机商家发出了停业“命令”，原因是该商家打印出了该公司的流行桌面游戏“战锤”中人物的实体模型。还有，一位荷兰设计者给Thingivers发送了“下线通知”，作为3D打印机设计编码的在线信息库，Thingivers可以让任何人在线免费下载并分享这位设计师的设计。

另外，备受争议的瑞典文件共享网站“海盗湾”一直是世界各地的诉讼目标，今年该网站也对外宣布，要开始着手一项共享3D印刷设计新服务的消息。美国有线电视网络媒体公司HBO发给费尔南多·索萨一封“停止和终止函”，要求他停止销售由3D打印出来的模仿HBO剧集《权力的游戏》中铁王座的iPhone底座。

3D打印本身实质上是一种复制，而著作权所要禁止的恰恰就是非法复制。当然，著作权法保护具有“独创性”的作品，像小说、油画、音乐等都属于著作权法保护的作品，但这些与3D打印关系不大，3D打印主要涉及“产品的外型与结构”的版权保护问题。

3D打印可以视为对“实用艺术作品”的复制，如果这种复制未经作者授权，便可能被视为侵权。然而，在判断3D打印侵权问题时，还需要关注3D打印的方式。目前3D打印主要通过以下三种方式进行：第一，从立体到立体，即通过电脑中的3D立体模型，打印出立体物品；第二，从文字到立体，即通过在电脑中输入一段文字描述，如长方形，高18公分，宽20公分，颜色为红色等，进而打印出对应的物品。第三，从平面到立体，即电脑中是一个平面图形，通过3D打印程序，打印出立体图形。

我国著作权法对此问题避而未谈，实践中争议颇大。在2006年的“复旦开圆案”中，被告在未经合法授权的情形下，将平面的生肖卡通形象转换成立体的储蓄罐，被法院认定为侵犯了原告的复制权。然而在“摩托罗拉著作权案”中，法院却认定，摩托罗拉公司按照印刷线路板设计图生产印刷线路板的行为是生产工业产品的行为，不属于著作权法意义上的复制行为。显然，同为“平面到立体”的方式，法院在是否构成复制问题上的判断却完全不同。参考《伯尔尼公约》对“复制”的规定，它包括“任何方式”、“任何形式”的复制，这种开放性的措辞显然对著作权保护提出了较高的要求。更为重要的是，在3D打印时代，此种“复制”方式必将泛滥，有必要在立法中明确此种“复制”方式，以便保护著作权人的合法权益。

3D打印可能对健康有害

普通的商用3D打印机却很少或几乎没有考虑过排放物方面的问题。在一项针对家用3D打印机颗粒物的排放研究当中，美国伊利诺理工大学的研究人员发现这类设备在不通风的区域工作时可能会对人体健康产生潜在危害。

研究人员们共进行了三项实验。第一个实验，开启两台打印机，使用聚乳酸做低温打印，结果最低每分钟释放200亿个超微颗粒。第二个实验中，两台打印机使用聚乳酸，另三台使用ABS，结果每分钟释放的超微颗粒骤增。第三个试验中，三台打印机使用ABS进行打印，每分钟释放的超微颗粒也同样令人吃惊。

测试结果表明，仅开启聚乳酸为原料的两台打印机时，空气中的超微颗粒会增加三倍。当5台机器同时工作时，超微颗粒增加近15倍。超细颗粒能沉积在肺部，并直接被摄入血液当中，浓度较高时，可能会引发肺病、血液以及神经系统疾病甚至会导致死亡。

研究人员建议，由于目前大多这些设备是作为独立的产品出售，没有任何排气通风或过滤配件，在通风不足或未经过滤的室内环境中操作时，应谨慎使用该类产品。同时，他们还建议进行更多的对照实验，从根本上评估更广范围的桌面3D打印机颗粒物的排放。

另外，目前供3D打印机使用的材料无外乎石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等。有业内人士称，其中一些3D打印材料本身就具有潜在的危害性：塑料、树脂等大多难以降解，一旦大规模运用恐怕会给人体带来致癌危险。所以，在选择3D打印材料上，也需要考虑其是否环保以及是否具有可持续性。

3D打印对传统制造业的影响

从应用的领域来看，目前3D打印主要应用于原型制造、模具制造和直接制造三大领域。其中，原型制造主要是指应用3D打印技术制造用于产品设计、测试和评估的模型。模具制造主要是指应用3D打印技术制作蜡模或砂型。直接制造包括两类：一是应用3D打印技术制造玩具、饰品、鞋类、陶瓷制品、简单服装与教育器材等消费品；二是制造金属、塑料、生物构料块等复杂难加工、小批量的功能部件。

随着近年来3D打印设备价格的降低，3D打印正从实验室和工厂走向办公室甚至是家庭，在包括玩具、饰品、鞋类、陶瓷制品和简单服装在内的特定消费品领域将产生深远影响，3D打印技术制作这些产品相对容易，而且可以实现充分的定制化。从2007年到2011年，个人消费用3D打印设备的销售量实现了200%以上的年均增长速度。

对于用户来说，3D打印最吸引人的就是可以以最快的速度实现其创意，这在过去是不可能的。过去，设计师设计一款产品要考虑到生产制造过程中的各种问题，有些设计由于无法生产被设计师舍弃，非常的可惜。有了3D打印，设计师可以发挥他的想象力，专注于产品形态创意和功能创新，而无需担心产品的生产制造。这不仅降低了产品的研发成本、缩短了产品的开发周期，而且可以实现更多的创新。

由于3D打印简化或省略了工艺准备、试验等环节，产品数字化设计、制造、分析高度一体化，因而可以显著缩短新产品开发定型的周期。过去，汽车厂商试制一台六缸发动机，采用传统砂型铸造方式，模具设计制造周期长达5个月，如果采用3D打印，则只需一周便可制成。

随着直接从事制造行业的人数减少，劳动力成本在整个生产成本中的比例也将随之下降。这将鼓励制造商将一部分制造行业迁回发达国家。上世纪八十年代，底特律人展望以“熄灯式”生产打垮日本竞争者，意思是工厂高度自动化，灯关着，机器人自己在制造汽车。第三次工业革命，将使底特律人的梦想成真。

哈佛商学院教授克莱顿·克里斯坦森(ClaytonChristensen)所提出的颠覆式创新理论也表明，新进入者如果抓住市场的特殊需求，进入边缘应用领域，当它的技术不断改进直至被主流市场所接受时，便会替代传统技术轨迹晋升为主流技术。

3D打印本身几乎不可能解决的问题

“多元材料的任意分布同时打印”技术成果还同时解决了原有3D打印技术固有的，被认为几乎不可能解决的几个重大缺陷，如：

打印精度和打印速度的瓶颈问题

“多元材料的任意分布同时打印”技术的打印精度可达到0.001mm，而且在此精度的条件下，无论单层切片面积多大，其加工时间不超过一分钟，这个打印速度与原有的3D打印速度相比是天壤之别。

打印材料问题

目前所有3D打印设备对打印材料的要求是非常严格的，它甚至是3D打印不能迅速普及以及不能规模化生产的主要障碍。而“多元材料的任意分布同时打印”技术对材料几乎没有任何特殊要求，只要是粒度相差不大的粉体即可，这就完全解决了3d打印的材料问题。

批量化生产问题

既然“多元材料的任意分布同时打印”在打印材料和打印速度问题上得到完全解决，批量化生产问题自然迎刃而解了，甚至可以说，像集成电路这样的微加工领域里的大批量规模生产，其加工成本远远低于传统加工方式。

彩色打印问题

现有所谓的彩色3D打印是通过粘接剂（不是打印材料本身）的颜色来实现的，因此它不是严格意义上的彩色3D打印，而“多元材料的任意分布同时打印”技术是通过直接控制材料本身的颜色的方法进行打印，实现了真正意义上的彩色3D打印。

3D打印应用的三大“舞台”

“如果真的是（有用），那我的‘郭’字倒过来写。”制造业大佬、鸿海董事长郭台铭在去年6月底如是评价3D打印技术。当然此言本质上并不是否定该技术，其企业30年前就在使用3D打印机，只是至今这项技术都无法帮助其大量生产工业产品——现代汽车或家电都是在流水线上诞生，目前我们还不能指望打印机取代流水线。

3D打印当然有着大显身手的舞台，首先是复杂结构的快速制造，理论上只要能设计出三维结构模型，我们就可以在无需刀具、模具及复杂工艺条件下快速地将设计变为实物；二是个性化定制，3D打印非常适合个性化定制生产、小批量生产以及产品定型之前的验证性产品制造；三是3D打印技术目前主要适用于高附加值产品制造、个性化产品以及产品大规模生产前的研发与设计验证等环节的制造。

应用领域扩大 从高端走向普及

上世纪90年代是3D打印技术蓬勃发展时期，至少有十几种新工艺和新系统设备先后面世，但其大红大紫还是在奥巴马提出振兴制造业的战略之后。

这一速度的发展之快，受关注之高，从频频见诸媒体就可感受到。它的发展也是体现在这一行业的各个环节和层面。

首先是从快速原型、工艺辅助等间接制造向零部件直接制造转变。近年来，利用粉末材料的3D打印技术成为零部件直接制造领域的研究热点和前沿。其中，利用小功率激光器和粉床工艺的选择性激光熔化技术（SLM技术）设备才出现两三年，但已经在钛合金、镍基高温合金等特种合金零件的快速制造方面显示出了强大的技术优势。美国AeroMet公司使用LENS技术制造的次承力结构件在F-18战斗机上实现了装机应用。

接下来是多学科交叉融合发展，3D打印应用领域不断扩大。3D打印与生物学科、信息学科、材料学科交叉融合为3D打印技术提供了更为广阔的发展空间。3D打印技术与生物工程的结合已成功应用于人体器官的再制造。

三是3D打印装备向产品化、系列化和专业化方向发展。制件成形精度和效率提高是产品化、系列化和专业化发展的目标。

第四是形成了相对完整的3D打印制造产业链，并形成了一定的产业规模和市场销售。欧美国家已经形成了包含材料制备、相关软件、工艺、装备、管理、创意服务和应用等相对完整的产业链。据《Wohlers Report 2010》统计，3D打印应用领域包括消费产品/电子产品行业、汽车行业、医疗/牙科行业以及航空航天、建筑等行业。据预测，到2025年，3D打印技术潜在的经济影响将达到2300—2500亿美元。

与我们生活最相关的是，3D打印装备从高端型走向普及型。低端3D打印装备销量的急剧增加促使了3D打印装备总销量的快速增长，也说明了3D打印制造装备从高端型向普及型快速转变。现在在淘宝网上，最便宜几千元就可以买到一部3D打印机。如果你迫不及待想试试打印出自己设计的模型，可以考虑购买一台。

我国与国外基本同步

我国自上世纪90年代初，便在国家自然科学基金委和国家科技部的支持下开始研究该项技术，相比较其他制造领域，我国3D打印技术与国外基本上同步启动、同步发展。

特别是在科技部多个五年计划的持续支持下，华中科技大学、西安交通大学、清华大学、北京航空航天大学、西北工业大学等一批科研院所开展了几乎所有主流的3D打印技术研究，研发出一批3D打印装备，建立了两个国家重点实验室、1个国家工程中心，以及若干生产力促进中心，在航空、汽车、生物、电子等行业进行应用验证，为持续研究与应用推广打下了良好的基础。

另外，神龙汽车、长安福特、奇瑞汽车、广西玉柴机器有限公司、东风汽车公司等一批企业则利用3D打印技术于多种零部件和产品的设计开发和生产应用中。

未来5年，我国可重点围绕高端工业产品和大众个性化消费产品两大类对象，加强3D打印有关的基础理论与成形微观机理、设计方法、关键工艺技术研究，高性能高精度高效率工艺装备研制，以及相关标准规范制定。

专家视点

卢秉恒

中国工程院院士、西安交通大学机械学院院长、教授

我国的3D打印技术进步很快，但仍然落后于欧美，而落后的原因并不是研发时间晚了几年。国内企业在研发上投入少、底子薄、资金少，制约了研发投入。此外，政府的支持力度也不够。

国内3D打印技术虽然科研水平已位居世界前列，但在工艺装备、工程应用方面还有很大的发展空间。为此，我国3D打印技术需要制定技术发展路线图，规划基础研究、产业化、工程应用的发展路线，从而使其真正产业化。

宋天虎

中国机械工业联合会副会长、教授级高工

3D打印存在五个问题有待解决。

第一个，怎么检测。要作为产业，没有一个通用的检测方法可能不行；第二个，性能的稳定性也需要检测；第三个，尺寸精度也有待提高；第四个，组织结构需要研究；第五个，效率问题。

未来的增材制造要向着成形过程的仿真，过程监控与问题智能处理方向的发展很有必要，国外也在这方面开始着手了。

杨海成

中国航天科技集团总工程师、北京神舟航天软件技术有限公司董事长

3D打印制造应该是一个典型的数字化制造技术，当然包括材料，当然也包括装备，也包括工艺，但是的的确确为什么国外叫3D打印，因为突出了数字制造的体系和概念。以3D打印制造技术为代表的数字化制造技术将对产品设计、制造工艺、制造装备及生产线、材料制备、相关工业标准、制造企业形态乃至整个传统制造体系产生全面、深刻的变革。

王华明

北京航空航天大学材料加工工程及自动化系教授

增材制造技术最近很“热”，需要科学地、理性地对待。增材制造只是制造技术大家庭一个成员而已，实际上装备制造不可能依赖一种技术。制造技术体系完整，减材制造不是说传统制造，其实传统制造技术非常地多。增材制造与减材制造并不是对立的事情，增材制造产品需要后续少量的减材加工。增材制造不可能颠覆或取代减材制造。

史玉升

华中科大材料科学与工程学院副院长、教授

我们认为3D打印存在以下瓶颈问题。粉末材料，材料已经成为增材制造的主要瓶颈问题，如何制备这样的材料有很多困难。第二，装备的精度和效率。第三是，成本，现在装备一买几百万，上千万，成本太高了。再者是成形工艺，除了本身的增材制造成形工艺，也要考虑和传统的工艺相结合，结合后将发挥传统和增材制造的优点。表面质量、微观结构和宏观性能控制都是3D打印技术亟待解决的关键问题，特别是标准制定。

张正文

英国埃克塞特大学教授、重庆大学特聘教授

3D打印是个交叉学科，也就是设备难以提高的原因可能跟工艺有关系，但工艺提高可能跟材料有关系。怎么利用我们国家的市场优势，主导国际工艺链的形成过程，争取在国际产业链形成过程中，我国占据高附加值的部分。第三，软件，比如多孔结构、网状结构的优化设计软件，将来的软件是不是跟它的一样？这几个方面都得需要去加强。

孟光

上海航天局副局长

应该处理好五个关系。第一个传统设计制造与3D打印制造的关系。第二个，大规模制造与个性化制造的关系。将来仅仅是单件小批量，还是停留在很小的层面。第三个，政府和市场的关系。如果这个问题现在不考虑清楚，将来会带来另外的问题，完全靠市场拉动是很困难的，包括现在电动汽车的模式。第四个，装备和产品，硬件和软件的关系。我觉得在关心3D打印制造装备的同时，应该关心满足3D打印需求的材料的制备装备，包括钛合金的粉末，均匀性、一致性各方面的要求，这种装备的制造。另外要关心软件。第五个，制造模式、商业模式与产业模式的关系。

连宁

南京紫金立德电子公司总经理

3D打印技术现在在我国层面上，在高层规划过程中间，很重要的一点是要加强正确的宣传和引导。现在有些媒体的一些报道、宣传已经过头了，甚至于可以讲是胡说八道，还是应该抱着科学合理冷静的观点来看待3D打印技术，然后要促进技术人员到研发人员，更多更好地了解、认识3D打印技术，让他们更快地接受3D打印技术，来促进他们思想观念的转变以至引起导致他们工作方式方法的改变。

姚山

大连理工大学材料工程系教授

3D打印应该能对铸造这个典型的基础行业产生非常大的影响，而且通过先进铸造技术的研发，对其他行业，比如模具加以推动。现在的玻璃模具很多都源于铸件，毛坯都是铸件，为了做出铸件首先要先做一个获得砂型的铸造模具，有了3D打印就可以不再做这个模具，直接打印铸型，然后通过精加工就可以制得玻璃模具。3D打印现在社会上炒得过热、过高，但实际上落地需要和各种技术相结合，例如最基础的铸造，几千年的铸造和二十年的3D打印结合起来做，可能做得很好。

李冬茹

机械联合会副秘书长、研究员

当然从工业领域来，对3D打印或者增材制造有几个疑虑，第一个疑虑，通过这种工艺生产出来的东西，比如某一个零件，它跟传统制造的零件，特别是内在力学上有什么样的相同和不同，感觉拿出来的实验数据不足，不足以让产业界放心。第二个，效率问题、精度问题、成本问题，工业界应用很多的问题是成本问题。比如精度问题，一开始做汽车模具的时候，效率比起来虽然可以根据新产品开发做模具，但是当时高速加工技术的发展，很快就把刚刚冒头的汽车模具形势压下去了，不断地在发展。现在在工业领域的应用，确实都存在这个问题。现在大家看到主要的研究还是在学校为主，怎么能在一两个行业，在工业领域有所突破，使它更快速的发展，这是很核心的问题。

冯涛

北京隆源自动成型系统有限公司总经理

对企业来说，做基础装备来说，和国际上相比，如果科研做开发，说是创新还是补课，从国家的现状来说，更多的还是补课的问题，如果基础达不到，很多创新可能做不到。补课方面，我们和国际相比，几个方面都是落后的，比如精度，明显地和国外的有较大差距。

赵吉宾

中国科学院沈阳自动化研究所装备制造技术研究室主任、研究员

大家多说在美国、欧美非常地热，或者产业做得比较少，我们国家虽然炒的比较热，但真正的需求并不是很旺盛。欧美人比较注重自己动手，动手能力比较强。像欧美的家庭里有一个小的工作作坊，小车间，都喜欢自己动手做一些东西，但中国人的家庭里很少。还有文化理念的问题。

黄田

天津大学机械学院院长、教授

我有两个建议：第一个，在技术层面，特别是高精尖的，它的性能、内在质量，国家应该投入钱来做这方面的研究。第二个，这个东西肯定不是万能的，从其他方面来讲，它肯定是制造，制造技术是多样性的东西，这种3D打印技术对于某一些构件要分分类，特别突出的需要去攻克哪些问题，也并不是什么都能替代。所以这个东西在什么场合，对什么类型的产品适用，针对不同的问题可能有不同的答案。

刘继红

北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授

我主要提两个问题：第一个，令我也一直困惑的是我们到底是否准确地把握住了美国重新提出3D打印的真实意图？第二个，3D打印到底定位是在哪里？补课还是超越，如果仅仅是补课，我想我们已经补了或者跟了二十多年，如果是超越，我们到底在哪几个方向超越，这实际上牵扯到我们在发展方向上，五年、十年甚至二十年的发展目标是什么。

邵新宇

华中科技大学常务副校长、教授

不管现在认不认可3D打印，是否代表第三次工业革命或者就是第三次工业革命的核心技术，我们不去争论它，但至少要高度重视。因为它所带来的一种关键技术乃至于将来产业变化核心是越来越明显的，或者潜力是无限的，因此，要高度重视。

从国家战略规划层面来看，的确要重视这块，相关资源整合起来，比如相关的基金委在关注，科技部在关注，工信部也会谈到这块。要把相关的资源整合起来，尤其是政府层面。