真·東亞秘法：被商務(wù)部禁止出口的*D打印技術(shù)

“上上個(gè)世紀的思想，上個(gè)世紀的技術(shù)，這個(gè)世紀的市場(chǎng)”。

202*年4月2日，“天兵科技”旗下的“天龍二號”液體火箭首發(fā)成功，在此之前20年的時(shí)間，包括SpaceX的獵鷹一號在內，已經(jīng)有*款液體火箭首發(fā)折戟，天龍二號終結了民營(yíng)航天液體火箭首發(fā)即失敗的魔咒。

天龍二號之所以能平步上青云，必然借力了“天火11”發(fā)動(dòng)機的東風(fēng)，這款推力110噸的發(fā)動(dòng)機是國內尺寸最大的*D打印金屬發(fā)動(dòng)機，*D金屬打印制成的零部件占到了總零部件的*0%以上，包括燃氣發(fā)生器、推力室等核心部件。

相較于傳統減材制造工藝，降低了*0%的成本，制造周期也壓縮到了原來(lái)的五分之一，而且部件精密度高，銜接咬合緊密，發(fā)動(dòng)機推質(zhì)比達到100以上，短周期、低成本、高質(zhì)量，這些都是商業(yè)航天從可能到現實(shí)的基礎。

而這已經(jīng)不是*D打印第一次讓航天人驚喜，2020年馬斯克給出的獵鷹*單次商業(yè)報價(jià)就已經(jīng)低到了6*00萬(wàn)美元的白菜價(jià)，要知道1*年之前，波音的德?tīng)査?重型運載火箭的發(fā)射單價(jià)高達4億美元。

獵鷹的成功離不開(kāi)Relativity Space自己開(kāi)發(fā)的Stargate*D打印機，成功把Aeon1發(fā)動(dòng)機的零件從幾千個(gè)簡(jiǎn)化到百余個(gè)，制造周期從六個(gè)月壓縮到1個(gè)月，*D打印的工業(yè)化生產(chǎn)實(shí)現了對傳統航天手工作坊式制造的降維打擊。

不過(guò)*D打印并不是回到未來(lái)的技術(shù)，早在1**2年法國人Blanther提出用層疊成型的方法制作地圖沙盤(pán)，這一年可以看作增材制造技術(shù)元年，1*7*年?yáng)|京大學(xué)的中川威雄發(fā)明疊層模型造型法，并且制造出了實(shí)用的注塑模等工具，1**4年美國人查爾斯·胡爾開(kāi)啟了*D打印的商業(yè)化進(jìn)程，從此*D打印產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程開(kāi)始狂飆。

《三體》的歌者文明用二向箔把地球從三維變成了二維，*D打印是讓模型從二維上升到三維。

我們熟知的打印是二維的，打印某個(gè)圖案，激光排版后覆蓋一層油墨，平面打印就算是完成了，可是如果按照圖案要求，持續覆蓋多層油墨直到凸起，得到的就是立體圖案，把平面圖案換成立體模件，油墨換成特種材料，就可以簡(jiǎn)單理解為*D打印。

*D打印更準確的叫法是增材制造，材料逐層累加形成所需要的形狀，傳統是依賴(lài)刨、磨、鉆等工具的將多余材料去除的減材制造，增材制造的優(yōu)勢在于可以實(shí)現復雜零件的一次成型，還能減少原料浪費，更關(guān)鍵的是數字技術(shù)擺脫了對模具的依賴(lài)，縮短了設計驗證周期。

模具被稱(chēng)為工業(yè)之母，開(kāi)模不僅成本高昂，精度要求高，樂(lè )高積木的精度來(lái)自丹麥先進(jìn)的精密機械加工，如果模具不符合產(chǎn)品要求就會(huì )完全失去經(jīng)濟價(jià)值，沉沒(méi)成本高昂，傳統模具制造需要經(jīng)歷從設計、加工到調整共計1*道程序，但是*D打印設計生產(chǎn)靈活，貼合模具多品種、小批量地生產(chǎn)特征，我們每天都喝的百事可樂(lè )，它包裝的模具使用傳統方法加工需要6周，成本1萬(wàn)美元，*D打印只需要12個(gè)小時(shí)，成本**0美元。

模具市場(chǎng)的潛力不止于此，新能源汽車(chē)的迅速崛起，車(chē)型迭代快，模具復雜度高，模具需求穩定，過(guò)去五年我國模具市場(chǎng)穩定在*000億元上下，并且新能源多是國產(chǎn)品牌，模具訂單會(huì )大量沉淀在國內，以寶馬、奔馳為代表的傳統汽車(chē)已經(jīng)廣泛采用了*D打印來(lái)開(kāi)模，只要國內*D打印供應商技術(shù)到位，不愁拿不到訂單。

在軍工生產(chǎn)中，*D打印也在快速普及，尤其是我國空軍機隊迅速迭代，大批“7爺”需要迭代更新殲16甚至殲20，無(wú)人機機隊也在迅速擴充，外貿動(dòng)力強勁，沙特、阿聯(lián)酋等中東國家已經(jīng)訂購了超過(guò)*00架翼龍無(wú)人機，翼龍包括電機冷卻管在內的*個(gè)核心零部件是*D打印的手筆，輕量化、高原材料利用率以及靈活的生產(chǎn)計劃，完美適應了昂貴同時(shí)數量有限的航空零部件生產(chǎn)特點(diǎn)，中信證券預計到2040年，軍工生產(chǎn)的市場(chǎng)規模大概在1.2萬(wàn)億左右。

不只是工業(yè)級產(chǎn)品，消費級產(chǎn)品更是增長(cháng)潛力巨大，口腔醫療花費驚人，種一顆牙的開(kāi)銷(xiāo)高達*萬(wàn)，以至于我國6*——74歲的老人里，缺牙率達到*6%，種植的假牙要緊密貼合人體軟硬組織，對設計和生產(chǎn)的精度要求高，導致成本居高不下，*D打印可以結合患者口腔結構生成數字模型，快速定制高精密義齒，可以大幅度降低種牙的成本，2021年全球口腔醫療市場(chǎng)1427億美元，而*D打印的滲透率不到2%，隨著(zhù)*D打印產(chǎn)業(yè)化程度提高，Stratview 預計 2026 年全球口腔增材市場(chǎng)規模將達到 *6 億美元。

增材制造便宜好用又靈活，美國人為了降低生產(chǎn)成本也把眼光投向了中國的*D打印，2022年6月美國北卡羅來(lái)納州的三家火箭公司將核心零部件交由中國*D打印制造，202*年*月全球*D打印龍頭企業(yè)*DSystems因為委托中國加工而泄露敏感數據，被處以4*4萬(wàn)美元的罰款，在生產(chǎn)價(jià)格上，同規格產(chǎn)品，美國*D打印打印零部件價(jià)格為1美元/克，中國則是1人民幣。

我們是世界工廠(chǎng)，但是擁有性?xún)r(jià)比最高的全工業(yè)體系，并不意味著(zhù)全產(chǎn)業(yè)鏈條的技術(shù)自主，曾經(jīng)我國的*D打印也面臨被卡脖子的風(fēng)險。

增材制造已經(jīng)是工業(yè)強國都希望搶占的科技高地，早在201*年11月，特朗普時(shí)期第一批出口限制清單的備忘錄里就看到了*D打印，同時(shí)期美國科學(xué)技術(shù)委員會(huì )發(fā)布的《先進(jìn)制造業(yè)美國領(lǐng)導力戰略》中就明確指出，增材制造是確保美國制造業(yè)先進(jìn)地位的的戰略技術(shù),歐盟也不落人后，第七框架計劃為60個(gè)*D打印項目提供了共計2.2*億歐元的資金支持。

打印材料和打印設備是*D打印最核心的內容，增材制造，相當于材料層疊并且迅速熔融燒結，對精準度和穩定性要求很高，一般采用激光融化，常見(jiàn)的有選擇性激光燒結、選擇性激光融化等技術(shù)，成材種類(lèi)多、產(chǎn)品用途廣，但是材料仍然是依靠粘合劑固定，無(wú)法制作關(guān)鍵的承重結構，使用時(shí)間過(guò)長(cháng)后存在變形風(fēng)險。

之后的選擇性激光融化技術(shù)直接對金屬粉末進(jìn)行高溫熔結，采用的激光束功率更高，成型的金屬部件致密度接近100%，抗拉性能甚至優(yōu)于鑄造部件，為了能夠打印尺寸更大的零部件，更新的定向能量積淀技術(shù)也出現了，不依賴(lài)惰性氣體壓力室，使得*D打印可以隨時(shí)進(jìn)行，設計自由度也更加靈活。

打印設備研發(fā)有門(mén)檻，但是我國起步并不晚，1**6年*D打印巨頭Systems的技術(shù)總監就是中國留學(xué)生徐小曙博士，1**2年西安交大的盧秉恒教授首創(chuàng )了紫外光快速成型設備，但是美國產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程快，EOS等美國企業(yè)在專(zhuān)利壁壘的保護下，迅速對打印設備形成了壟斷，拿走了*D打印市場(chǎng)超過(guò)一半的份額。

主流技術(shù)的專(zhuān)利申請時(shí)間集中在1***年以前，按照20到*0年不等的專(zhuān)利保護時(shí)間，意味著(zhù)*D打印設備的專(zhuān)利壁壘近些年會(huì )被正式打破，從2002年開(kāi)始，22*項*D打印的專(zhuān)利到期，比如隨著(zhù)FDM（燒融成型法）技術(shù)的解禁，FDM打印機打印機的價(jià)格降到了原來(lái)的十分之一。

并且涌現了大量新廠(chǎng)家，華曙高科、鉑力特等中資企業(yè)已經(jīng)抓緊入場(chǎng)，產(chǎn)業(yè)鏈條已經(jīng)基本實(shí)現了國產(chǎn)化，憑借人類(lèi)歷史上最大的工業(yè)國家所提供的市場(chǎng)，頭部企業(yè)已經(jīng)實(shí)現盈利，楚江新材憑借國際先進(jìn)的等離子制粉技術(shù)，打破國外壟斷，利潤從2014年的0.*億飆升到201*年的4.0*億。

現在的主要問(wèn)題回到了上游的原材料，增材制造對原材料性能要求高，全球化合物的種類(lèi)有上億種，能夠用于增材制造的只有千余種，主要是金屬以及高分子粉末或者樹(shù)脂，在技術(shù)壁壘層面，金屬材料最難攻克，也是單價(jià)最高的大類(lèi)原材料，2021年金屬粉末市場(chǎng)規模達到了4.7億美元，廣泛應用于航天、醫療等產(chǎn)業(yè)，使用數量最多的材料是高分子粉末，而光敏樹(shù)脂憑借留灰率低等優(yōu)點(diǎn)，在消費級產(chǎn)品的制造商有很大的應用空間。

我國目前也是以非金屬材料為主，國產(chǎn)替代進(jìn)程比較順利，金屬材料方面，鉑力特現有年產(chǎn)能*00噸，并且有計劃擴產(chǎn)近一倍，而非金屬材料則有華曙高科提供*00噸的年產(chǎn)能，威拉里的產(chǎn)量高達1000噸。

今非昔比，201*年美國人在討論是否限制*D打印出口，2020年中國商務(wù)部將*D打印列入禁止出口名單。

從專(zhuān)利來(lái)源看，截止到2021年，*D打印行業(yè)全球2*%的專(zhuān)利屬于中國，從201*年開(kāi)始中國在*D打印領(lǐng)域的專(zhuān)利申請量超過(guò)了美國，2020年中國專(zhuān)利申請1**72件，美國則下降到了6**2件，美國的優(yōu)勢在于存量，長(cháng)期的科研積累的家底不可忽視，全球*D打印專(zhuān)利申請數量前十的單位中惠普和通用電氣位列榜首和探花，西安交通大學(xué)和華中科技大學(xué)在一眾企業(yè)中躋身而出，成為中國*D打印的技術(shù)領(lǐng)頭羊。

核心科技是買(mǎi)不來(lái)的，芯片產(chǎn)業(yè)的教訓刻骨銘心，我國的*D打印能夠挺直腰板離不開(kāi)盧秉恒，中國工程院院士，西安交大教授，中國*D打印之父。

“我想考北大，搞航天，今天回顧一下幸虧學(xué)機械制造”，那時(shí)候的大學(xué)生就是儲備干部，但是盧秉恒教授大學(xué)畢業(yè)后去工廠(chǎng)當了五年的車(chē)床工人和六年的技術(shù)主任，就是這在工廠(chǎng)的十一年，讓盧秉恒教授對模具、機械和制造工藝產(chǎn)生了不一樣的體悟，不再是理論派，而是實(shí)干家。

博士畢業(yè)后出國學(xué)習交流，參觀(guān)汽車(chē)企業(yè)時(shí)，流水線(xiàn)上無(wú)數個(gè)機械臂沒(méi)有讓盧教授印象深刻，一臺*D打印設備卻引發(fā)了莫大的興趣，憑借著(zhù)在工廠(chǎng)和高校搞了幾十年機械的敏銳直覺(jué)，盧教授認為*D打印所代表的增材制造是對延續了上千年減材制造工藝的顛覆，中國必須要有自己的*D打印。

1**6年我國的外匯儲備只有20.*6億美元，而當時(shí)引進(jìn)一個(gè)*D打印的激光器就要十幾萬(wàn)美元，核心技術(shù)也買(mǎi)不來(lái)，盧秉恒教授牽頭從“0”開(kāi)始，一步步探索科技原理，最終在1**7年制造出了中國自己的*D打印原型機。

二十年前，盧教授還在追趕國外的腳步，二十年后已經(jīng)開(kāi)始引領(lǐng)增材制造的科技前沿，盧教授已經(jīng)不滿(mǎn)足*D打印，4D打印加入時(shí)間維度，也就是利用智能材料，打印出可以隨著(zhù)時(shí)間變化的零部件，對于電流或者磁場(chǎng)等外界環(huán)境的變化會(huì )做出反應，讓零部件變成活的；甚至于提出了*D打印的概念，打印出的部件不只是形狀變化，功能也會(huì )改變，典型的例子是人造器官，讓人造心臟、人造骨骼等可以和人這個(gè)有機體共生，成為人的一部分，盧教授好像不只是院士，更是一個(gè)魔術(shù)師。

中國人距離填飽肚子不過(guò)二十年，倉廩足而知榮辱，衣食足而知禮節，在過(guò)去我們沒(méi)有更多的精力去投入到科研當中，所以過(guò)去的兩個(gè)世紀，能夠看到了科技突破幾乎都是外國人的名字，我們一直在追趕，現在經(jīng)濟發(fā)展有錢(qián)給科學(xué)家了，2022年我國科研投入突破了*萬(wàn)億，基礎科學(xué)、尖端技術(shù)乃至于產(chǎn)業(yè)化都需要時(shí)間才能看出成果。

從織毛衣到大飛機，中國的*D打印就是產(chǎn)業(yè)升級的例子，起步階段抓住機會(huì )，并沒(méi)有落后太多，院士牽頭吃透科技原理，就等待著(zhù)合適的市場(chǎng)需求爆發(fā)，甚至于*D打印設備禁止出口，輪到我們卡外國人的脖子了，我們也可以去做高端產(chǎn)業(yè)，去做高端品牌，吉印通202*一直在發(fā)生。