“中国制造2025”下的3D打印

于灏

2015年5月8日，国务院正式印发了《中国制造2025》。这份被认为是中国版的“工业4.0”发展规划，明确了在新一轮科技革命和产业变革的大背景下，中国主动应对全球产业竞争新格局和未来产业竞争新挑战的发展战略。为实现中国制造由大到强的转变，提出了9大战略任务、5项重点工程、10大战略领域和若干重大政策举措，描绘了中国制造梯次推进的路线图和未来30年建设制造强国的宏伟蓝图。在该规划中，3D打印（增材制造）作为代表性的新兴技术占有重要位置，在全文中共出现6次，贯穿于背景介绍、国家制造业创新能力提升、信息化与工业化深度融合、重点领域突破发展等重要段落，并融入于推动智能制造的主线。这一方面体现出我国对3D打印的重视程度，另一方面也彰显了在战略层面我国对制造业发展面临的形势和环境的深刻理解。

3D打印首次出现在规划的第一部分。在全球制造业格局分析中，制造业被认为正面临重大调整。随着新一代信息技术与制造业深度融合，以3D打印、移动互联网、大数据等新兴技术将重构现有的制造业技术体系，推动实现制造生产方式的变革，智能制造将代替重复和一般技能劳动成为大势所趋。在随后的首个战略任务“提高国家制作业创新能力”中，规划提出兴建增材制造等一批制造业创新中心（工业技术研究基地），支撑完善国家制造业创体系构建。这些国家创新中心将重点开展行业基础和共性关键重大技术研发、成果产业化、人才培训等工作。在“推进信息化与工业化深度融合”战略任务中，3D打印又被提到2次。在加快发展智能制造装备和产品方面，提出组织研发增材制造等智能制造装备以及智能化生产线；在推进制造过程智能化方面，提出加快增材制造等技术和装备在生产过程中的应用。最后2次出现是在10大重点领域发展布局中。在高档数控机床和机器人领域，提出要加快增材制造等前沿技术和装备的研发；在生物医药及高性能医疗器械领域中，提出要实现生物3D打印等新技术的突破和应用。

实际上，在《中国制造2025》出台以前，2015年我国已有多个3D打印相关利好政策出炉。首先，2015年2月份工业和信息化部（以下简称“工信部”）、国家发展和改革委员会（以下简称“发改委”）、财政部联合发布了《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》，这份经过2年精心打造的推进计划将3D打印产业的发展提升到国家战略层面。3月份“两会”期间，李克强总理政府报告提出了“中国制造2025”，“互联网+”行动计划，“大众创业，万众创新”3项具体措施，形成了新常态下推动中国经济发展的新思路，这3项具体措施均和3D打印密切相关。5月份国务院正式对外公布《中国制造2025》规划，其中3D打印成为加快实现智能制造的重要技术手段；6月份国务院印发《大力推进大众创业万众创新若干政策措施的意见》，其中的第6大领域“建设创业创新平台，增强支撑作用”涉及3D打印。该技术可使得社会大众的创意和想法快速转化为产品，使其成为创业的热门领域。目前，“互联网+”行动计划也正在积极的制定当中。由于3D打印具有的先天互联网基因，预计其也将成为重点关注的领域。

一、生产模式迎来新变革

在过去的2个世纪中，人类的生产模式发生了多次的转变，每一次转变都极大地提高了生产力，改变了人类的生活。目前，新一轮的变革正在发生（见图1）。在1850年前后，首先出现了“手工制造”时代。其主要标志是技术娴熟的工匠根据客户的要求逐件的生产产品。这种作坊式的生产模式以小批量和定制化的生产形式为主。但是，生产效率较低，单件产品的质量取决于个体工匠的技术水平和经验智慧。随着第一次工业革命的到来，以蒸汽机作为标志的机器逐步代替了手工劳动，极大的提高了生产力。随后，福特汽车公司革命性的实现了流水线生产，人类开始进入到“大规模制造”时代，并在1955年前后达到顶峰。在这个阶段，大规模生产降低了单个产品的制造成本，但产品的多样性也随之减少。在20世纪80年代后，随着社会大众对消费类产品多样化的需求逐步提高，“大规模定制”开始兴起。这种模式通过组件模块化和用户参与，兼顾了低成本生产和客户需求。这使得产品的种类增加，而单件产品的生产规模下降。

2000年以后，全球化进程日益加快，制造业趋于更加复杂化和个性化。产品更新换代的节奏加快，定制化需求日益旺盛，制造业的生产模式开始步入到“个性化制造”阶段。今天，互联网和现代制造业正在进行深度融合，3D打印、移动互联网、大数据等新技术正在推动制造业向数字化、网络化和智能化的方向发展。数字技术、智能技术的融入，使得“物理”意义上的产品携带了更多的“信息”功能，其整体性能得到本质的提升。未来制造业的竞争核心将不再是“物理”意义上的质量，而更多的是产品整体的功能性。这将导致制造业的生产模式从批量化、规模化、标准化制造转变为定制化、个性化、分布式。新的生产方式将更加灵活，满足多品种小批量的产品需求，逐步取代大批量生产，成为未来制造的主要形式。纵观制造业生产模式的发展历程，它像画了一个圆圈一样又绕回了起始点。机器的应用使得制造业的生产模式实现了从手工生产到大规模制造的转变，而以3D打印、机器人为代表的智能化制造技术将引领个性化定制时代的到来，使得全球制造业的格局发生重大革命。在生产模式发展变化的同时，制造业的设计理念，商业模式，价值链也正在随之变化。产业价值链的重心从生产环节逐步转向研发设计和品牌营销等环节转移，导致制造业从生产型向服务型进行转变。网络众包、协同设计、互联制造、大数据等互联网信息技术也将改变制造业的价值链条，构建新体系。随着新一代信息技术和互联网的不断发展，未来的产品将不断的智能化、网络化。制造业企业不单单需要通过工厂内部的智能化、信息化来采集大量的生产信息，来提高企业的运行效率；另一反面还需要透过外部网络获取产品的反馈信息和客户需求的大数据，通過对海量数据的分析、处理，来快速动态的配置资源和提供解决方案，形成全新的制造业企业管理决策方法。

由于3D打印自身的一些独特优点，使其成为推动制造业新一轮生产模式变革的重要技术之一。首先，3D打印将生产环节和设计环节连接到一起，整合成为“精益设计”模式。作为一种“设计无限制”的数字化制造技术，3D打印可以直接制造出形状高度复杂的产品。这将大大简化产品设计，提高零部件的集成度，加快产品开发周期。同时，也使得过去受到传统加工方式约束而无法实现的复杂结构制造变为可能。3D打印还使得制造业的门槛大幅度降低，“大规模制造”所需的大型厂房、众多机器、大量专业人员等生产要素将不再能够阻挡制造业的大众化。借助互联网，3D打印可以使任何人都可以通过数字设计来实现产品生产制造。因此，制造的重心将由生产向设计转移，通过精益设计提高制造的灵活度将成为发展趋势。这种变化恰恰迎合了互联网和信息技术快速发展，产品微小创新和快速迭代成为新的发展模式。其次，3D打印还可大大压缩供应链，使得传统的离岸经济模式得以改变。数字化文件的共享和交易，将允许在靠近消费区域的地点进行生产。这将绕过传统的供应链，实现产品“分布式制造”，颠覆传统供应链中的企业（见图2）。最后，3D打印与互联网的结合将使得社会大众有机会直接参与到产品整个生命周期当中。从最初的设计、到制造、到后期维修，再到相关服务。这种模式将释放整个社会的智慧，构建兼具个性化和数字化的产品与服务，演化出更加灵活和富有活力的商业模式，重组产业链分工、创造新的盈利模式和价值链体系。通过将改变产品的制造方式，进而改变世界的经济格局，最终改变人类的生活方式。

二、3D打印兴起的背景

自2008年国际金融危机以来，以美国、欧盟为代表的西方发达国家开始重新审视制造业在国民经济发展中的作用，纷纷提出“再工业化”战略，希望通过重振制造业来拉动经济复苏。美国方面，于2012年发布《国家先进制造业战略计划》，正式将先进制造业提升为国家战略。随后，奥巴马宣布实施 “国家制造业创新网络”计划，筛选具有广阔应用价值的先进制造技术设立创新中心，全面提升美国制造业竞争力。首个被遴选出的技术即为3D打印，其创新中心的建设也同时被定位成样板工程。从美国设立国家创新中心的进度来看，其对先进技术的遴选较为严格。尽管数量从最初计划的15家增加到最终的45家，但截至2014年底仅成立了8家，其中4家正在启动过程中。然而，美国“国家增材制造创新中心”的成立时间甚至早于美国白宫发布《国家制造业创新网络》的时间，也远早于后3家创新中心的成立时间，体现出美国政府对这项技术的重视程度。同时，美国推动3D打印的政策并不是孤立存在的，它和“材料基因组计划”等美国政府其他重点工作存在着内部联系。美国希望这些工作的交叉可以激发跨学科、跨领域之间的相互合作，开辟崭新的创新途径，支撑下一波“美国制造”的浪潮潜力，应对未来的战略需求和各种挑战。该动作迅速得到了全球范围的广泛关注，英国、德国、加拿大、日本、澳大利亚、新加坡等发达国家相继跟进，3D打印热潮席卷全球。

表面上来看，美国政府是在积极推动3D打印技术的发展，实现面向市场的生产制造。作为新兴的先进制造业，3D打印产业的市场容量未来有可能匹敌航空业，达到数千亿美元的规模，颇具吸引力。但更深层次的是，该技术能够与其他数字化生产模式相结合，共同推动实现新一轮工业革命。3D打印的一些独有特征，未来能够对制造业产生大范围、深入的渗透和影响，具有其他一些先进制造技术（如柔性混合电子、下一代电力电子等）所无法达到的作用（见图3）。与此同时，3D打印在国防军工领域也具有不同方面的应用，对于保障美国国家安全具有重要的支撑作用。今天来看，美国对3D打印的战略布局具有相当的前瞻性。这一方面体现出美国战略政策制定中高瞻远瞩的预见能力，另一方面也解釋了为什么继美国之后，欧洲及其他地区国家纷纷效仿积极推动3D打印，争抢该技术战略高地。我国也高度关注3D打印技术，自20世纪90年代初就通过国家自然基金、科技部、工信部等部委支持相关研究。在2012年美国大力推动3D打印发展开始之初，也密切跟踪相关动向。通过借鉴美国的相关经验，结合我国制造业发展的处于2.0水平的实际情况，适时的推出了3D打印的相关政策。在《中国制造2025》规划中，从宏观和中观的角度上点明了发展3D打印的原因、方向和路径，为我国在3D打印领域抢占国际技术高地，在新一轮工业革命中打造制造强国提供了行动纲领，也为应对美国“再工业化”战略，德国“工业4.0”提出了中国发展制造业的战略方针。

三、3D打印发展成熟度

3D打印技术始于20多年前，但最近几年来才被公众所注意，这主要归功于其在最近几年的快速发展。根据美国高德纳（Gartner）公司发布的“新兴技术炒作周期”报告，3D打印在2009年时还未被列入报告中。这项新兴技术在2010年才在报告中首次出现，并被认为需要5～10年才能成熟。但在2012年，这项技术就已经从技术萌芽期发展到期望膨胀期的顶点，与大数据一起成为2012年最受市场关注的新技术之一。到了2014年，3D打印已经快速地渡过膨胀期，开始进入到实际应用阶段（见图4）。由于该技术的快速发展，高德纳公司在最新发布的炒作周期图中将企业级3D打印和消费级3D打印进行了区分和单独评价。企业级3D打印正在逐步走向成熟期，市场在迅速扩大，几乎已经步入实际产品生产阶段。相比之下，消费级3D打印仍处于炒作的高峰期，大约还需要5～10年才能进入主流商业领域。3D生物打印系统仍然于萌芽期，但成熟期从2012年所需的10年以上缩短到5～10年之间。

对于3D打印细分领域来说，样品原型制造已经步入成熟期，可使企业能够减少在产品研发过程中设计、成型和功能设计带来的风险。在2～5年内，3D扫描设备和3D打印软件的成熟速度将会更快，同时会有更大比例的企业采用3D打印。3D打印的医疗器械将带来巨大的好处，足以改变人们的生活，这将导致全球使用3D打印技术制作假肢和医疗植入物。消费级3D打印则和企业级3D打印完全不同，它将是一个包含各种软件、硬件和材料的复杂系统，并不像2D纸打印机只需“点击打印”那么简单，因此需要更长的时间才能走向主流。同样，3D打印如果想成为主流的制造工艺，进入到工业制造领域中，也需要较长时间。面向大结构的大型3D打印与教学用3D打印要进入主流前景广阔，但是目前才刚刚开始，还需要10年以上的时间。

根据沃勒斯事务所（Wohlers Associates）公司发布的最新3D打印报告，2014年全球3D打印产值达到41亿美元，年增长率达到35%，增速达到了18年来的最高水平。其中，产品（包括3D打印装备和材料）和服务（包括软件、制造和服务部分）的产值基本各占一半。从设备销量来看，2014年企业级3D打印机（>5000美元/台）销量超过1.2万台，增长率超过30%。市场主要由美国Stratasys公司、美国3D systems公司和德国Envisiontec公司占据，3家占有率将近80%。消费级3D打印机（<5000美元/台）销量超过14万台，增长率超过90%。

四、3D打印业态分析

3D打印的产业链包括5个环节，分别为“软件、材料、装备、制造和应用”。软件开发：通过实物扫描、逆向分析和计算机软件设计，构建三维数据模型。材料研制和生产：开发金属、高分子、无机等3D打印专用材料，满足不同类型产品的性能要求。装备研制和生产：进行激光、电子束等高能离子束加工部件，以及整机的开发，满足不同生产工艺要求。生产制造：基于三维数据模型，通过材料层层叠加的方式生产产品，并通过后处理和产品检测，使产品性能及尺寸达标。应用推广：进行航空航天、生物医疗、创意产品等应用领域产品推广和使用（见图5）。5个环节中所涉及的重要技术需求包括开发专用的3D打印材料，对应的生产工艺，以及相关的高端3D打印装备。在整个产业链条当中，还有另外3个非常重要的部分始终贯穿其中，分别为：数字链路、科技服务和可持续发展。不间断的数字数据链路将可实现产品从设计、加工制造、到最终装配、检测全流程的自动化、智能化，是“数字化制造”的核心。科技服务将为3D打印相关企业提供所需的配套服务，包括教育培训、咨询、售后、宣传等等，促进3D打印产业的发展。材料的回收、能源高效利用、从源头保护生态环境等，将实现3D打印产品和系统全生命周期的绿色低碳、和谐协调、可持续发展。

虽然3D打印包括了5个环节，但产业的发展实际上是由装备环节主导的，这些装备制造厂商形成了3D打印产业的第1种主流企业类型。这是由于3D打印产品的好坏需要通过装备将原材料加工成产品之后，才能检查出来。因此，初期的3D打印企业都是依靠装备起家的。但另一方面，3D打印产品的性能又很大程度上取决于材料的选择和软件的优化。所以，这些装备厂商为了提高用户体验度，逐步将业务扩展到原材料制造环节，并进一步在不同程度上向软件、制造和应用环节拓展。目前，大部分3D打印企业的主营业务都为装备制造。据不完全统计，这些企业占据了全球3D打印产业产值的半壁江山，2014年收入将近20亿美元。预计这一特征在短期之内不会有所改变，其他环节的3D打印企业很难脱颖而出，成为该行业的领军厂商。

和3D打印产业相关的另外一种企业为传统制造业巨头。这些企业并非处于3D打印产业链之中，而是与之存在横向交叉。这些巨头对制造本身具有深入的理解，并占有全球制造业庞大的市场和资源。它们试图将3D打印这种先进制造技术融入到现有的制造工艺体系中，实现对传统产品的改进和升级。显然，这是新兴的专业3D打印企业无法做到的，但对于3D打印产业未来的发展来说至关重要。换句话说，这些传统制造业巨头的介入程度将很大程度上影响3D打印在各应用领域的渗透程度，因此它们成为该领域的另外一种企业类型。

还有一种类型的企业随着互联网的發展兴起——3D打印云平台企业。这些平台一方面是3D打印产品的电商交易平台。客户通过“线上下单，线下制造”的方式实现产品的按需定制。另一方面，云平台还汇聚了世界各地的3D打印从业人员。3D打印设计师可以将自己的创意设计上传到云平台，并打印生产，最后售卖给喜欢这些创意产品的普通用户。这些3D打印云平台借助互联网汇集遍布全球的3D打印爱好者，构建起极为庞大的社区。网络众包、异地协同设计等新型商业模式在这里得到真实体现，推动3D打印从生产向服务转变。

最后一种类型的企业目前数量很少，在整个3D打印产业所占的份额也微乎其微，但却潜力巨大，这些企业的主业为3D生物打印。如果说3D打印属于制造技术当中的黑科技，那么3D生物打印则是3D打印技术当中的黑科技。未来3D打印人工器官将是解决移植器官短缺问题的可行技术之一，并对医学研究和药物研发产生推进作用。这将给目前的生物医学行业带来巨大的变革。

从某种意义上讲，专业3D打印企业和传统制造业企业分别从技术发展和市场需求2个方向推动了3D打印产业发展。而3D打印云平台企业是通过信息的互联、人的互联、机器的互联构建出全球的3D打印互联网络。3D生物打印企业则开启了制造活体组织的大门，成为“生物制造”的基石。这4种企业正从不同的方向改变着传统制造业，推动生产向智能化、服务化的方向发展。

1.3D打印装备制造企业

国际方面，3D打印装备制造企业以美国3D Systems和Stratasys公司为代表。这2家3D打印巨头均在纳斯达克上市，占全球3D打印产业总产值的1/3。2014年，3D Systems公司实现收入6.5亿美元，比2012年增长27%。该公司的创立者Charles Hull发明了著名的3D打印光固化工艺（SLA），并于2014年进入美国发明家名人堂。该公司向客户提供“一站式”全套3D打印解决方案，包括装备、材料、工艺、软件、教育培训和应用支持，其解决方案涉及模具、医疗、教育、珠宝、建筑等行业。Stratasys公司2014年实现收入7.5亿美元，比2013年增长55%。该公司是应用最为广泛的3D打印工艺技术——熔融沉积式工艺（FDM）的鼻祖，同时也是该工艺的最大生产制造商，至今还在引领该工艺的发展。同时，该公司拥有业界最为全面的材料组合，包括数百种光聚合物和热塑性塑料。