文/ 工業(yè)和信息化部賽迪智庫 曾 昆

3D 打印技術將信息技術與工業(yè)制造相結合，以柔性化的生產方式來滿足不斷增強的個性化需求，實現了制造技術的革命性突破，被認為是“第三次工業(yè)革命”的技術代表。而材料是3D 打印技術發(fā)展的基礎，材料的性能、種類等因素決定著3D 打印產品的質量和功能，因此，如何破解材料對3D 打印技術制約的瓶頸，以推動3D 打印材料發(fā)展顯得至關重要。

一、國外3D 打印材料的發(fā)展現狀

1.發(fā)達國家3D 打印材料研發(fā)起步早，投入多

3D 打印技術最早起源于19 世紀末的美國，在20 世紀80年代得以實現，并逐步發(fā)展。目前，3D 打印技術在歐美等發(fā)達國家發(fā)展迅速，在技術應用和市場推廣方面搶占了先機。比如美國3D Systems 和Stratasys，以及德國EOS 三家公司占據了全球3D 打印市場70% 的份額。此外，作為3D 打印技術的關鍵，材料的研發(fā)與應用受到發(fā)達國家的高度重視，他們紛紛出臺各項利好政策，鼓勵加大材料的研發(fā)投入。比如2011年，美國出臺《材料基因組計劃》，計劃投入超過1 億美元支持材料創(chuàng)新，縮短材料研發(fā)周期，降低材料研發(fā)成本，以滿足3D 打印技術和先進制造業(yè)發(fā)展的需求；于2012年成立的美國國家增材制造創(chuàng)新研究所陸續(xù)投入大量資金來研究3D 打印材料的可持續(xù)性，開發(fā)生產3D 打印材料的工藝及設備，開發(fā)3D 打印材料數據庫等。又比如，歐洲航天局重視3D 打印金屬材料的研發(fā)，出臺“將3D 打印帶入金屬時代”計劃，支持宇宙飛船、飛機等金屬材料研發(fā)；再比如，澳大利亞制定了“金屬3D 打印技術路線”，同時成立“中澳輕金屬聯合研究中心”，加強3D 打印金屬材料的研發(fā)。

2.3D 打印材料種類多，技術較成熟

經過幾十年的研發(fā)，3D 打印材料種類呈現多樣化的發(fā)展趨勢。目前，3D 打印材料主要使用金屬材料中的鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼等，高分子材料中的工程塑料、光敏樹脂、橡膠等以及陶瓷材料。歐美發(fā)達國家不斷加強3D 材料種類的研發(fā)和更新，可供3D 打印使用的材料變得日趨豐富。比如，世界領先的Stratasys 公司一直注重材料組合的多樣性，截至2012年，該公司產品可以支持123 種材料進行3D 打印，近期，該公司開發(fā)出高級模擬聚丙烯材料——Endur，可用于制造非常堅韌的零件。又比如，美國賓夕法尼亞大學用細胞生物原料打印出鮮肉；康奈爾大學用特殊的膠原蛋白凝膠打印人體器官；硅谷Arevo 實驗室研發(fā)出碳纖維增強材料用來打印更輕更強的零部件。

3.3D 打印材料市場應用領域不斷得到拓展

隨著信息、材料、生物技術的快速融合發(fā)展，3D 打印材料在電子、航空航天、汽車、生物等部件制造領域得到了驗證性應用。特別是在歐美等發(fā)達國家，3D 打印材料制備、生產工藝、裝備制造、軟件設計、創(chuàng)意服務和應用的相關產業(yè)鏈形態(tài)已經形成，為3D 打印材料的市場應用奠定了基礎。目前，航空零件制造和醫(yī)學領域是3D 打印材料應用較為廣泛的領域，如空客和波音都用鈦合金3D 打印出來飛機用零件，GE 用鋁化鈦材料3D 打印出來發(fā)動機渦輪葉片，英國南安普頓大學采用3D 打印技術成功制造出一架小型無人駕駛飛機，科學家還利用3D 打印技術和多光子聚合技術3D 打印出了人造血管?？梢灶A計，未來發(fā)達國家3D 打印材料應用領域會進一步得到拓展，市場需求也將大大增加。

二、我國3D 打印材料發(fā)展現狀與問題

相形之下，我國3D 打印材料發(fā)展起步晚、底子薄，需要加大投入和研發(fā)力度，以適應國內市場發(fā)展的需要，提高其國際競爭力。追本溯源，我國自20 世紀90年代開始3D 打印技術的自主研發(fā)，清華大學、華中科技大學、西安交通大學、北京航空航天大學等在3D打印設備制造技術和材料技術等方面進行了積極的探索和大膽的嘗試，取得了一定的成績，部分技術甚至處于世界領先水平，如北京航空航天大學的王華明教授團隊3D 打印出世界最大的鈦合金復雜構件，產品整體性能優(yōu)于傳統(tǒng)鍛件。盡管如此，我國在3D 打印材料特性、材料制備裝備開發(fā)方面與國外相比仍有一定差距，3D打印材料還存在以下問題，亟待改進。

1.3D 打印材料供給不足

材料是3D 打印的關鍵，決定著3D 打印技術的應用和發(fā)展。目前，我國具備生產3D 打印材料能力的企業(yè)較少，大部分3D 打印材料依賴進口，特別是金屬粉末材料嚴重受制于他國。這是因為3D 打印對金屬材料的要求較高，比如金屬粉末材料必須是細球形的，對化學純度和含氧量也有限制，而我國制造滿足這些要求的金屬材料技術還不過關。此外，與美國、德國等3D 打印材料技術比較成熟的國家相比，我國3D 打印材料質量不穩(wěn)定、品種較為單一，部分研發(fā)的實驗材料也依賴進口。

2.材料成本高昂

3D 打印材料制造成本高是目前存在的普遍問題。由于3D 打印材料種類有限、材料專用性較強、下游應用市場還沒有完全培育起來，所以現階段3D 打印材料無法實現規(guī)?；a，生產成本居高不下。除了上述原因之外，我國3D 打印產業(yè)的發(fā)展還受到國外壟斷因素的影響。目前，3D 打印用金屬粉末材料基本被國外壟斷，我國只能依賴進口，而國外廠商大都采取“銷售3D 打印設備搭售粉末材料”的策略，有意提高粉末材料的價格，如鎳基粉末材料成本為200 元/kg，國產產品售價在300～400 元/kg，進口粉末售價在800 元/kg 以上，這大大增加了我國使用3D 打印材料的成本，直接限制我國3D 打印產業(yè)的發(fā)展，進而影響我國3D 打印材料整個市場的蓬勃發(fā)展。

3.3D 打印材料的產業(yè)化應用不充分

由于我國3D 打印產業(yè)還處于發(fā)展的初期階段，3D打印市場還不成熟，大規(guī)模生產尚未形成，所以專業(yè)生產3D 打印材料的企業(yè)較少，傳統(tǒng)材料企業(yè)缺乏3D 材料研發(fā)生產的動力，大部分3D 打印材料都是由快速成型廠家直接提供，第三方供應通用材料的模式還沒有形成。此外，我國3D 打印材料主要用于科研，因此已有的材料技術積累都在高校，但高校在技術產業(yè)化方面缺乏市場運營的經驗，導致即使3D 打印材料研發(fā)成功，也因“產學研”相結合的脫節(jié)而導致無法實現規(guī)?；a。

4.我國缺少3D 打印材料方面的實施標準

由于3D 打印材料多為小批量、個性化生產，所以我國還沒有建立起有關3D 打印材料的行業(yè)共性標準。比如，3D 打印對粉末材料的粒度分布、松裝密度、氧含量、流動性等有很高的要求，但國內還沒有成形的行業(yè)標準可以參照，間接增加了材料特性選擇上的時間成本。再比如，醫(yī)用材料都需要經過嚴格認證且準入門檻較高，必須經過一定時期的臨床試驗后，才能獲得許可使用。然而，由于投資的回報周期較長，我國還沒有醫(yī)用領域3D 打印材料的標準，所以直接挫傷了企業(yè)研發(fā)與生產的積極性。

三、對策建議

3D 打印技術的核心在于材料。如果突破材料對3D打印技術的限制，那么3D 打印產業(yè)成功實現快速發(fā)展將前景可期。目前，我國3D 打印材料產業(yè)雖然處于剛剛起步的階段，材料研發(fā)和應用水平與美歐等發(fā)達國家相比還有差距，但是，加大對3D 打印用材料的投入和研發(fā)，走獨立自主的發(fā)展之路，對我國搶占新一輪制造業(yè)發(fā)展制高點意義重大。

1.加強我國3D 打印材料的供給保障

多樣化的材料來源和穩(wěn)定的材料供給是3D 打印產業(yè)發(fā)展的根本。為保障我國3D 打印材料的供給，一方面，要加強我國國內3D 打印材料的研發(fā)和生產，發(fā)揮政府的引導調控作用，通過設立重大專項或建設重大工程，鼓勵現有材料生產企業(yè)加大3D 材料的研發(fā)投入，吸引更多企業(yè)參與3D 打印材料的生產，逐步降低對關鍵3D 打印材料的進口依賴，提高我國的自給率。另一方面，要加大國外原料供給渠道的開拓力度，鼓勵國內企業(yè)積極“走出去”，與美國、德國等3D 打印材料領先企業(yè)建立合作關系，加強聯合研發(fā)生產；也可以將優(yōu)秀企業(yè)“引進來”，引導國外企業(yè)在國內投資建廠，擴大我國3D 打印材料的供給渠道，確保我國3D 打印材料的供給穩(wěn)定。

2.加大材料的深度研發(fā)和產學研合作

3D 打印產品的質量和特性取決于材料，不僅材料本身種類、成分、特性對3D 打印產品的特性有影響，材料的制造工藝也對3D 打印產品的強度、模量、彈性等功能特性起到決定性作用。因此，要加大材料研發(fā)投入力度，將材料工藝與3D 打印工藝開發(fā)相結合，將配套材料的研究與3D 打印技術的研究相結合，實現材料與3D 打印技術同步研發(fā)，破解材料對3D 打印技術制約的瓶頸，從而帶動3D 打印技術實現質的飛躍。一方面，要發(fā)揮高校科研機構的科研優(yōu)勢，利用已有的技術積累，加強與企業(yè)的交流合作，了解企業(yè)和市場需求，推動3D 打印材料科研成果的產業(yè)化應用；另一方面，要發(fā)揮企業(yè)的市場主體作用，加大企業(yè)研發(fā)投入，擴大3D 打印材料的生產規(guī)模，與高校科研機構共建研發(fā)平臺或實驗室，共同攻克關鍵共性技術，通過加強產學研的合作，提高我國3D 打印材料研發(fā)應用水平。

3.推動3D 打印產業(yè)上下游領域全方位的合作

3D 打印材料的產業(yè)化應用必須與3D 打印設備、下游3D 打印產品同步進行，即加強上下游各個環(huán)節(jié)的研發(fā)生產合作，帶動3D 打印材料的產業(yè)化應用，方能取得突破性的進展。鼓勵3D 打印材料企業(yè)積極與3D 打印設備生產商、3D 打印產品生產商合作，研發(fā)生產有市場前景的3D 打印材料，支持有實力的材料企業(yè)向下游拓展延伸產業(yè)鏈，開發(fā)3D 打印設備或生產3D 打印產品，形成“材料—制造—裝備—應用”協(xié)同發(fā)展的全產業(yè)鏈發(fā)展模式，帶動3D 打印產業(yè)整體發(fā)展，進而推動3D 打印材料的產業(yè)化應用。

4.建立完善3D 打印材料支持政策和標準

對于處于產業(yè)化發(fā)展初期的3D 打印材料產業(yè)，加強政府支持和規(guī)范行業(yè)標準是必要的。加大政府對3D打印配套的材料企業(yè)的政策和資金扶持，對研發(fā)生產3D 打印材料的企業(yè)給予稅收減免或財政補貼，鼓勵企業(yè)積極進行材料研發(fā)；政府還可以通過采購相關產品對市場進行引導，推動3D 打印材料產業(yè)壯大發(fā)展。與此同時，聯合研究機構、材料生產企業(yè)等多方力量，加快3D 打印材料規(guī)范性標準的制定和修訂，建立并完善3D 打印材料技術標準體系，開發(fā)3D 打印材料質量測試程序和方法，同步開展3D 打印產業(yè)上下游各環(huán)節(jié)、各類產品標準的制定，最終形成3D 打印產業(yè)領域標準全面覆蓋的局面。