3D打印的材料之殇

3D打印的材料之殇

赛迪智库原材料工业研究所：曾昆

随着3D打印技术的不断进步和成熟，它在航空航天、生物医药、建筑等领域的应用逐步拓宽，方便快捷、能够提高材料利用率等优势不断显现，与传统制造的结合也更加紧密，不断推动传统制造业的转型升级。目前，我国的3D打印制造技术在某些领域处于世界领先水平，但在产业化应用方面与国外的差距较大，除了产学研用相脱节问题，上游原材料制约也是阻碍3D打印产业化发展的重要原因。

一、3D打印材料的应用现状

（一）发达国家高度重视3D打印材料的研发应用

    金融危机使美国、欧盟等发达国家和地区强烈意识到了制造业空心化在面对经济波动时的脆弱性，美、欧纷纷实行再工业化战略，将3D打印、新一代信息技术等作为发展重点。美国总统奥巴马宣布，要投入5亿美元用于3D打印产业以确保美国先进制造业发展，欧盟在诺丁汉大学、谢菲尔德大学等成立3D打印中心并给予基金支持，以推动3D打印技术的产业化。同时，发达国家也意识到了材料在发展3D打印产业过程中的重要性，美国专门出台了《材料基因组计划》以适应3D打印技术对材料的要求，成立关键材料创新中心、国家增材制造创新研究所来推动材料与3D打印技术的融合发展。

（二）种类有增多趋势，应用领域逐步拓宽

    随着3D打印需求的日益增加，可用的3D打印材料种类逐渐增多，从最初的树脂、塑料拓展到金属、陶瓷等。目前，可供3D打印使用的材料主要有三大类，一类是金属材料，如钛合金、铜铝合金、镍铬合金等，应用于航空航天、医药等高端领域；一类是高分子材料，如ABS、PLA、PC、尼龙粉、石膏粉、光敏树脂、PVC等；还有一类是无机非金属，如陶瓷。3D打印材料种类的增加直接带动了下游应用领域的拓展，如钛合金和不锈钢材料在3D打印领域的使用，促使波音公司尝试使用3D打印技术来生产飞机机翼，我国已经能够使用3D技术生产飞机钛合金铸件。

（三）需求不断增加，市场价值日益凸显

    随着3D打印技术的成熟和市场开拓力度的加大，3D打印的需求不断增加，市场价值逐渐提升。分品种来看，金属和塑料的需求较高，如2012年塑料材料市场需求达到7000万美元。有专家估算，到2018年，来自金属和塑料材料的市场需求将达到4亿美元，其中塑料市场需求规模将达到2亿美元，2013到2018年塑料市场需求将保持20%左右的增长。分应用领域来看，医疗和牙科领域市场需求较高， 其次是珠宝首饰、建筑、航空航天、汽车等领域。从区域分布来看，美国、日本、中国、英国、德国对3D打印材料的需求较大，2012年北美和亚太地区3D打印材料销售收入占全球的68%，其中北美地区市场收入最高，其次是亚太地区。预计未来随着3D打印在亚太地区的推广，亚洲有望成为3D打印材料需求增长最快的地区。

二、材料对3D打印产业发展的制约

（一）材料性能达不到要求，影响3D打印的推广

    区别于传统材料的使用，3D打印技术对材料的性能和适用性提出了更高的要求，最基本的要求如材料必须可以液化、丝化、粉末化，在程序控制下打印后还要能重新结合起来。除此之外，3D打印材料还必须性能稳定，满足3D打印连续生产的需要；功能丰富，具有导电、水溶、耐磨等特性；绿色环保，对人体安全且对环境友好。现阶段，3D打印材料的成熟度不够，材料精度、强度不够，无法实现流畅打印的效果，材料的安全性也还无法保证。

（二）可用材料种类偏少，难以满足3D打印需求

    目前，无论是从家用还是工业用的角度来看，与种类繁多、用途广泛的传统材料相比，3D打印材料的种类都比较少，还无法满足普通民众和工业生产的需求。如适用于家用3D打印的材料主要有石膏、光敏树脂、塑料等；适用于工业用3D打印的金属材料有10多种，并且只有专用的金属粉末材料才能满足工业生产要求。即使是掌握打印材料最多的以色列的Object公司，也仅能在14种基本材料基础上组合出107种材料，这与工业和民用领域成千上万种材料需求相比还远远不够。

（三）材料成本较高，限制了应用领域

    尽管3D打印减少了切削、成型等方面的制造成本，却增加了材料、软件、设计等环节的成本，其中材料成本的影响较大。由于适用于3D打印技术的材料有限，并且现阶段3D打印更多地是满足个性化生产需求，材料的专用性较强，无法实现规模化生产，所以3D打印材料的成本居高不下。如2013年7月由美国北卡罗来纳州立大学研究出来的可用于液态打印的金属材料的价格大约是塑料的100倍，要想通过该材料来实现生产柔性金属设备，如何降低材料成本成为关键。较高的材料成本限制了3D打印的应用，特别是在民用领域的应用，如一台民用3D打印机的价格在2万元左右，而材料的价格却从最便宜的一公斤几百元到最贵的四万元左右不等。

（四）我国部分3D打印材料依赖进口，限制3D打印产业化应用

    由于3D打印技术还处于起步发展阶段，总体还不太成熟，3D打印产业规模偏小，所以国内专业从事3D打印材料生产的企业不多，3D打印材料大多由3D打印设备制造企业直接提供，没有实现第三方供应的模式，部分3D打印所需的材料国内还没有生产，或是生产的材料精度和强度都比较低，难以满足实际应用需要，只能进口。国内3D打印材料技术研发基础比较薄弱，如国内的光面树脂就遇到研发时间长、材料配比技术难掌握等研发难题，不得不从国外进口实验材料；有关3D打印用粉末材料的研究少，对粉末成分、物理性能对3D打印技术的影响及适应性的研究还没有广泛开展，限制了3D打印技术的产业化应用。此外，国外对部分3D打印材料采取搭售策略，如在销售3D打印设备时搭售价格较高的金属粉末材料，限制了我国3D打印材料生产企业的发展，导致我国3D打印材料的高对外依赖性。

三、对策建议

    材料是3D打印发展的基础，同时，3D打印技术和装备的成熟也会促进材料性能的开发和完善，拓展材料品种和应用。目前，我国部分3D打印技术和装备已经处于世界先进水平，但在材料研发和应用方面与先进国家相比还存在较大差距，因此打破材料对3D打印发展的制约非常关键。

（一）加强3D打印材料标准和政策的研究与制定

    加强材料—结构—属性之间的关系研究，提高3D打印材料性能以满足生产需要；利用研究机构、材料生产企业等多方力量，鼓励他们提供有关3D打印材料性能的相关数据，加强3D打印材料标准战略和预先研究，加快3D打印材料规范性标准的制定和修订，同步开展3D打印产业上下游各环节、各类产品标准的制定，最终形成3D打印产业领域标准全面覆盖的局面；建立并完善3D打印材料技术标准体系，提升标准技术水平，完善标准复审制度，实现3D打印材料行业标准复审的制度化和常态化；开发3D打印材料质量测试程序和方法，建立行业统一的质量标准体系，保证材料的稳定性和可靠性；加强3D打印材料相关政策的研究，适时出台推动3D打印材料发展的产业、财政、金融政策，为3D打印材料发展创造良好的政策环境。

（二）加大3D打印材料研发和人才培养力度

    加大3D打印材料的研发投入，借助3D打印市场规模扩大趋势，发挥企业市场主体的作用，提高企业研发积极性，鼓励传统材料生产企业参与3D打印材料的研发和生产，逐步增加3D打印材料研发投入，扩大3D打印材料生产规模。发挥科研机构、高校的科研优势，加强与企业的交流合作，通过产学研合作，推动3D打印材料科研成果的产业化应用。加强3D打印材料人才的培养，一方面通过引进方式，从3D打印材料研发实力雄厚和市场应用较广的美国、日本等国家引入高端复合型人才，提高国内3D打印材料研发应用的整体水平；另一方面通过自主培养方式，加强对科研院所、高校、企业专业型人才的培养与培训，鼓励材料研发人员之间加强交流，利用干中学机会，加强产学研合作，提升我国3D材料研发和应用水平。

（三）推动3D打印产业上下游领域多方位的合作

    鉴于3D打印材料对生产设备和产品的高度依赖性和专用性，通过加强上游材料、3D打印机设备、以及下游产品等各个环节的交流合作，推动3D打印逐步在某些领域实现规模化生产，进而带动材料的规模化生产，降低材料成本。鼓励3D打印材料企业加强与3D打印设备生产商、下游产品生产商的交流合作，以下游需求为导向，研发生产有市场前景的3D打印材料，同时鼓励有优势的材料生产企业向下游拓展产业链，加强3D打印设备或3D打印制品的研发和生产，积极抢占发展先机。通过上下游合作，逐步形成材料—制造—装备—应用协同发展的全产业链发展模式，带动3D打印整体产业的发展，壮大3D打印材料规模，逐步降低3D打印材料成本。

（四）提高我国3D打印材料的保障供给能力

    加大“走出去”力度，积极到国外开拓3D打印材料供给渠道，通过与美国、欧洲、日本等3D打印材料发展较成熟的国家的交流合作，建立长期稳定的原材供给机制，确保我国3D打印材料的供给稳定。同时，加强国内3D打印材料的研发和生产，发挥政府的引导调控功能，通过给予税收、金融等优惠政策，吸引更多的企业参与3D打印材料的生产，扶植国内3D打印材料企业的成长和壮大，逐步降低对关键3D打印材料的进口依赖，提高国内3D打印材料的自给率。

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