【解析】3D打印制造技术发展趋势及对我国结构转型的影响

随着经济全球化和知识化进程日趋加快，制造业已从单纯的工业时代的离散型传统制造向全球化时代的绿色、智能型先进制造业转变。作为一项可能使全球制造业面目一新的新兴技术和第三次工业革命的重要标志，3D打印制造技术发展迅速，并广受重视。3D打印制造技术可能从根本上改变全球供应链，彻底影响全球制造业的生产方式，并对当前我国产业发展和结构转型造成深刻影响。

1 第三次工业革命与3D打印制造技术
第三次工业革命也被称作新工业革命，美国著 名未来学家杰里米·里夫金所著《第三次工业革命：新经济模式如何改变世界》一书中称，互联网与新能源的结合将会产生新一轮工业革命，使全球技术要素和市场要素配置方式发生革命性变化，这将是人类继19世纪的蒸汽机和20世纪的电气化之后的第三次工业革命。第三次工业革命以光电效应和信息网络理论为基础，以“绿色能源”和“云技术”为基本标志。它将会深刻影响经济的生产方式，重组产业格局和竞争格局；它也将深刻改变人们的生活方式和社会组织形式，并带动一系列的变革。第三次工业革命具有把绿色能源作为“血液系统” 、把信息网络作为“神经中枢”、把“三维制造”（3D打印）作为生产模式的突破 口、把“分布式”作为格局的重组特征。

3D打印制造技术是指依据计算机的三维设计和三维计算，通过软件和数控系统将特制功能材料逐层堆积固化的成形制造技术，与过去通过零件拼装及切割、焊接技术制造产品的传统制造业有很大不同。它起源于上世纪80年代出现的快速原型制造技术，也被称之为堆积制造、增材制造、增量制造，是生产模式在制造业发生的巨大变化，是一种全新 的制造方式。2012年英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文，以及由胡迪·利普森等所著《3D打印：从想象到现实》一书中，都将3D打印制造技术作为第三次工业革命的重要标志，并指出尽管仍有待完善，但3D打印技术市场潜力巨大，作为传统制造业向智能化、数字化制造业不断演进的阶段，其势必成为引领未来制造业趋势的众多突破之一，并推动新业态、新模式、新机制、新技术和新领军人物的异军突起。

2 国际3D打印制造技术发展的趋势
2.1各国重视3D打印制造技术的研发，美欧处于领先地位
美国在2009年发布添加制造技术发展路线图， 在2011年出台“先进制造伙伴关系计划” ，2012年奥巴马在卡内基梅隆大学宣布创立美国“制造创新国家网络”计划，由美国联邦政府和工业部门共同出资10亿美元，遴选出制造领域15项前沿性、前瞻性的制造技术，成立15个制造创新中心，以全面 提升美国制造业竞争力。经过5个多月的论证 ，“增材制造技术”被确定为首个制造业创新中心主题， 并建立了“国家增材制造创新研究院” ，同时在全国600个国家实验室推动3D打印技术的研发，意在未来的10年时间替代世界50%左右的传统产品。欧洲研究人员和企业领导者也将添加制造技术视作一种重要的新兴技术，大学、企业和政府之间建立了多个添加制造技术联盟，有些甚至是跨国的联盟。此外，澳大利亚近期制定了金属3D打印技术路线，南非正在扶持基于激光的大型3D打印机的开发。

2.23D打印制造技术的工艺装备从高端昂贵向产品系列化、专业化、普及化方向发展，行业巨头正在加速崛起

装备是3D打印制造技术的核心之一，目前欧美及日本在该领域处于世界领先水平，同时国际3D打印装备制造业正处于迅速的兼并与整合过程中。在全球3D打印机行业，美国3DSystems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额，其中3DSystems公司是全世界最大的快速成型设备开发公司，于2011年11月收购了3D打印技术的最早发明 者和最初专利拥有者ZCorporation公司；Stratasys公司于2011年宣布与美国惠普公司合作生产3D打印机，2012年4月与以色列著名3D打印系统提供商Objet宣布合并。在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有瑞典的Arcam公司（三维金属直接制造）、德国的EOS公司（激光束三维制造）和荷兰的Shapeways公司（基于客户定制需求制造）等。

2.33D打印制造技术的产业链形态正在形成，未来发展潜力巨大
随着信息、材料和生物领域技术的快速发展，3D打印制造技术已在航空、航天、汽车、生物、电子等领域的器件制造过程中进行了验证性应用。据美国专门从事添加制造技术的技术咨询服务协会Wohlers发布的《WohlersＲeport2011》统计，全球3D打印产业产值在1988—2010年间保持着26%的年均增长速度，2010年3D打印制造的全球产业规模为20亿美元左右；并预计到2020年，市场规模将达到108亿美元。就全球的装机数量而言，北美和欧洲分别占全球装机数量的43%和30%，亚太地区占23%。目前全球3D打印制造技术发展速度较快，欧美国家已经逐步形成了包含材料制备、相关软件、工艺、装备、管理及创意服务和应用的相关产业链。预计在未来10年，3D打印制造技术的应用范围不断扩大，产业规模将会较快增长。

3 我国3D打印制造技术发展现状
3.1我国已形成3D打印制造技术的研发力量，并研发了3D打印的相关工艺和装备
20多年来，我国在多项科研计划中对3D打印制造技术进行了持续支持，建成了华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室、西安交通大学快速制造国家工程研究中心，形成初步研发基础。其中，华中科技大学的选择性激光烧结技术在玉柴、东风汽车等公司的发动机钢铁缸盖等复杂铸件蜡模和砂型快速制造中进行了应用，提升了企业发动机的自主研发能力；西安交通大学利用光固化成形方法制作飞机风洞模型，促进了飞机创新设计与开发；北京航空航天大学和西北工业大学利用激光烧结成形技术制造出钛合金飞机大型结构件，在C919机头的样机/样件中得到了应用，并且北京航空航天大学王华明团队研发的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形”技术成果获得2012年国家科技发明一等奖，代表着增材制造技术和重大装备高性能关键金 属构件制造技术的国际战略竞争制高点。

3.2我国成立3D打印技术产业联盟和技术创新中心，推动3D打印技术在我国的产业化、市场化进程
我国工业和信息化部积极推动3D打印技术的产业化，并着手制定3D打印技术发展路线图和中长期发展战略，推动3D打印技术规范与标准制定。为推动我国3D打印技术产业化、市场化进程，促进3D打印技术与传统制造技术的有机结合，2012年10月，亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等科研机构及相关企业成立“中国3D打印技术产业联盟”，从平台、标准、投融资等方面推进我国的3D打印技术产业化。2013年3月，中国3D打印技术创新中心在南京成立，为积聚3D打印技术上下游资源，引进和培育3D打印技术及其产业化打下了良好的基础。

3.3我国在3D打印制造技术研究开发和应用方面与国外还存在一定差距
截止2012年底，全球大约1/4的3D打印设备都在亚洲使用，其中，日本约占亚洲的一半，中国约占1/4。这个趋势表明，3D打印产品价值链的低端已经向亚洲移动，主要是3D打印技术的应用，而非创新。同时，在我国整个3D打印产业缺少龙头产业的带动作用，整体产业体量较小。另一方面，中国制造业还处于粗放形式，各个环节对3D打印技术带来的冲击认识不足。此外，在装备制造和工艺控制方面，工艺控制、工艺稳定性、核心元器件等关键技术及产品有待突破；在材料制备方面，材料特性研究、材料制备装备开发有待加强；在科研和产业化的组织方面，以企业为主体、产学研用相结合的组织模式需进一步完善。

4 3D打印制造技术对世界经济的影响
当前规模经济是制造业的典型特征，制造以规模化大生产方式进行，需要大量的固定工厂和设备投资，但是资源的制约、成本的提升使得规模经济的优势下降。而现实中，由于物联网和云计算的发展，能源与信息共同驱动经济发展，分布式成为新兴模式的代表，从分布式能源到云计算、从工业机器人到3D打印，这些都是分布式的具体应用，而通过分布式之后重新组合的规模经济提升了资源利用率，降低了成本开销，可以说是下一次工业革命的基本形态。

4.13D打印制造技术有可能从各个方面彻底影响全球制造业，使工厂化生产转向社会化生产，大规模批量生产转向本地化、个性化定制生产
3D打印技术是个体化的最好体现，也是制造业可以采用的生产方式，它不是在某一个地方生产产品后再运至世界各地，而是能够通过互联网即时发送设计图，并在需求所在地制造产品，抛弃了工厂大规模制造的雷同形式，具有个性化、小型化、节约化的特点。其真正革命之处在于它能在世界各地生产个性化的定制产品，设计和生产环节被不同时间和空间细分，从而呈现出社会化特征，而且设计和制造过程的联系将更加紧密。今后，制造一个产 品并不难，难的是谁能够设计出来，这种设计变成一种个性化互动式的，变成创新与市场联动，市场需要什么就设计什么，或者是设计新的产品很快被市场接受，不仅大规模垄断的生产模式会发生改变，需求多样化、生产制造多样化，而且精密制造会深入到千家万户，任何人都可以享受到精密制造的产品，它全面超越了传统集中型的生产体系结构。

4.23D打印制造技术将创造新的商业模式，并改变现有产业结构
目前，3D打印技术已经在工业设计、模具制造等诸多领域得到广泛应用，展现出广阔的应用前景。随着大规模批量生产转向本地化、个性化定制生产，3D打印不仅会减少交通和物流成本，还会大幅降低固定资产投资，减少产品碳足迹和碳排放。3D打印 可以使“及时生产方式”取代“及时物流” ，使商业流程更节省成本并且更便捷，这有可能从根本上改变全球供应链，造成工作岗位的重新分布，并改变企业与用户之间的互动方式。这意味着一些制造业可以远离低成本劳动力聚集地，重返更靠近消费者的地方。这些变化都在不同程度上改变了经济模式，成为未来新的经济增长点。

4.33D打印制造技术可能会带来巨大的市场机遇，并成为未来经济增长的重要源泉
3D打印技术带来的机遇是巨大的，它会成为经济增长的重要源泉，可能使就业岗位向欧美发达国家回流。通过大量减少全球货物运输，使用可持续的新材料，它也会带来显著的环境效益；能大幅减少制造业的资本成本，使企业家更加轻松地推出新创意；能根据客户及环境的需求定制产品，使客户拥有前所未有的选择度。据分析，未来最重要、最有希望的3D打印市场包括：设计（全球性的数字化设计市场，通用设计图和定制设计服务）、家用三维打印（从数字化设计目录直接打印家用简单物品，材料供应和三维打印机维修服务）、定制生产服务（零售、生产与定制服务相融合）、三维打印机（生产与服务）和材料（开发新材料，从以石油为原料的丙烯酸塑料向更加可持续和更高质量的材料转变）。

4.43D打印制造技术实现成熟产业化的目标还需要较长时间去克服技术、经济和社会层面的种种挑战
3D打印技术有可能是未来一二十年里最具颠覆性的技术之一，但是将新技术转化为新市场、新增长和新就业的过程是复杂的，有一系列的非技术障碍需要克服，包括从消费者信任的建立到有效的标准。而且，3D打印技术生产过程慢，难以快速生产大批量产品，而未来复制有形产品的成本会更低，这有可能会打消企业开展3D打印研发和设计的积极性，需要大力激励企业在设计和申请专利的创意上进行投资，加强知识产权保护。此外，3D打印引起的颠覆性效果很可能因行业而异，如在服装、工艺品和生活消费品等价值相对较低的制造业，3D打印制造技术在近期内能够与大批量生产方式竞争；而更加复杂的制造业部门则可能不会轻易地抛弃生产装配线，如在汽车行业，3D打印会在零部件制造中发挥作用，但不大可能终结大规模生产方式。

5 3D打印制造技术对我国结构转型的影响
5.13D打印制造技术对我国传统制造业造成较大压力
第三次工业革命带来的数字化制造旨在降低产品成本，基于3D打印技术和互联网平台的全球云制造模式将体现出更廉价、更快捷并且更绿色环保的优势，我国廉价劳动力的优势将随之消失；同时，3D打印的广泛应用使得整个产品研发过程都可以在企业内部进行，这将使研发周期缩短并且很好地保护了设计方案，然而，对于大量依靠模仿而生存且缺乏原创设计力量的中国微小企业来说这非常不利。面对第三次工业革命的挑战，在3D打印制造技术成熟之前，规模制造型企业、以劳动力和大型设备等为依托的传统制造业地位还会存续一段时间，但随着制造业数字化进程加速，不具备创新能力的企业将面临淘汰。除了当前我国经济发展的资源、环境、人力成本都在上升这一因素外，金融危机之后，发达国家提出的“再工业化”计划也将导致我国低端产业面临着巨大压力。

5.23D打印制造技术可以推动我国结构转型调整步伐，提升制造业水平
在全球产业分工协作中，我国被定义为“制造 者”而不是产品的“设计者” ，是“工业大国”而非“工业强国” 。由于我国没有完成工业现代化，传统的粗放式的工业发展模式已经严重阻碍了生产力发展，产业升级和结构转型调整成为一项长期的艰巨任务。低端制造在技术不断发展的今天面临成本上升、利润微薄的巨大压力，因此中国必须要实施产业结构转型调整来扭转不利局面。尽管3D打印制造技术会给我国经济带来一些负面影响，但是该技术被认为是第三次工业革命的重要标志，是高端制造业实现的重要手段之一。产业结构转型调整已经在国家层面得到重视，而在实际操作中由于各地区情况不同，进展缓慢。3D打印技术的不断成熟，能够加速中国产业结构转型调整的步伐，提升制造业水平，3D打印技术的产业化可以为我国新型工业化、城镇化建设和促进传统产业的升级、优化产业结构发挥十分重要的引领作用。

6 我国3D打印制造技术和产业未来发展建议
3D打印制造技术事关我国跟上第三次工业革命 的步伐，关乎国家工业实力的提升和国防重大装备制造能力的提高，为使我国保持在这一技术领域的领先优势，我国必须高度重视对3D打印制造技术的支持和引导，鼓励3D打印制造技术的发展和推广应用。为此，建议：

（1）加强对3D打印制造技术及产业创新工作的顶层设计，制定推进我国3D打印技术开发应用的国家战略。立足现有基础，瞄准国际前沿，把握产业技术发展方向，加强发展战略研究，针对我国制造业发展的重大需求和我国工业转型升级、发展智能制造业的时机，制定我国未来10—15年的3D打印制造技术发展路线路，对3D打印产业进行规划和引导，找到我国3D打印产业的定位，实现3D打印产业的良性发展。

（2）协同国家科研计划开展3D打印制造技术的研发，带动我国制造业的换代升级。推动国家科研计划的紧密结合，加强对3D打印制造技术的基础理论研究、技术创新研究和推广应用的有机衔接。国家应制定专门的科技战略，鼓励在有条件的大学、国家实验室、企业工程中心加强研究和才人培养。聚焦航空航天、汽车模具、生物医疗、电子制造等行业，重点支持在关键技术领域开展技术攻关，大力推动先进技术的推广和应用，以此带动我国制造业的全面更新、改造、换代和升级，加快产业结构的调整。


（3）加快培养3D打印制造时代的劳动力和创新领军人才，充分满足未来制造业发展对人才的需求。3D打印制造时代，全球制造业呈现分布式、网络化和扁平化的特征，对劳动力和人才的素质和能力以及如何培养人才的教育体系提出了新的要求。一方面，需要加快对3D打印制造技术研发及产业发展领军人才、复合型人才的引进和培养，提高产业的自主创新能力；另一方面，注重培养第三次工业革命和3D打印制造时代的劳动者及创新领军人才。该时代的劳动者标志是通过网络获得优质资源，具备大数据时代的自学习、自组织和知识加工能力，并实现开发新的商业运行模式和技术运行组织体系，促进产业可持续发展。

（4）探索3D打印制造技术成果转移转化和产业化新机制，促进产业链、创新链和价值链的相互融合与发展完善。一个产业的兴起不仅需要技术突破，还需要各个方面经济技术条件的配套和支持，包括市场培育、专业技术服务、基础设施建设、相关产业的发展等；此外，要想使整个产业充满活力，还要构建灵活、完整的价值链，使得任何一个环节都可以创造价值并实现价值，顺利实现企业的进入和退出，大大激发各类投资主体和企业的进入，使得技术创新和产业链的形成得以顺利完成。在3D打印制造技术创新的组织过程中，需进一步围绕3D打印的材料制备、设计、软件、工艺、装备、管理及创意服务和应用的相关产业链部署创新链，加强产学研用相结合，突出企业研发的主体地位，积极支持建立产学研用相结合的3D打印制造技术创新联盟，聚焦国内3D打印制造技术研发优势力量，共享资源，协同创新，加速科技成果的转移转化和产业化，营造支撑3D打印制造技术及产业又好又快发展的良好环境，推进3D打印技术创新体系建设，全面提升3D打印的产品价值链。

编辑：南极熊
作者：王文涛  刘燕华