对话学界大咖:突破技术瓶颈后, 3D打印将迎消费新增长级

最新市场统计数据显示,增材制造技术(3D打印)是近年来迅速发展的激光技术产业化重要领域(www.dnLgw.com)。其中,广东省增材制造产业规模扩张迅速,2015年仅为20亿元,2019年已达到60亿元,年均增长31.6%,市场上拥有约400家企业,接近全国一半。

2020年9月,广东省科技厅牵头省发改委、省工信厅等5部门编制印发了《广东省培育激光与增材制造战略性新兴产业集群行动计划(2021-2025年)》),“激光与增材制造”产业成为广东省重点培育发展的十大战略性新兴产业集群之一,广东的激光与增材制造产业随之迎来首个省级层面的专题支持政策。

当前,这一产业还有哪些“卡脖子”环节需要创新突破?如何形成技术和应用的规范?面向普通消费者的3D打印市场情况如何?日前,南都科创记者就以上问题对华南理工大学教授、博士生导师杨永强进行了访谈。

人物介绍:杨永强是华南理工大学增材制造实验室的负责人,该实验室自2002年以来,一直从事金属零件增材制造技术研究,是我国最早系统开展SLM(激光选区熔化)成形技术的研究单位。杨永强同时也担任中国机械工程学会增材制造分会常务理事兼增材制造设计专委会主任、中国3D打印技术联盟副理事长以及广东省增材制造(3D打印)协会会长等。

杨永强

南都:由您牵头的华南理工大学增材制造实验室研究团队已经在哪些领域实现了技术落地应用?

杨永强:华南理工大学的金属3D打印从2002年开始起步,金属3D打印,尤其是铺粉式,精度高,技术难度也比较大。在国内这个领域中,我们是做得最早的团队,2004年就研发出了国内第一台激光选区熔化快速成型机,2007年实现了产业化。十几年来,我们在以下几个领域实现了产业化,或者说是应用落地。

第一是设备方面,我们实现了激光选区融化设备集成产业板设备的系列化生产,面向不同的应用的场景推出专业机型,从成型尺寸最小的50×50毫米到650×650毫米,大概有五六个不同的机型。

第二是医疗领域我们在医学领域里面有两个标志性的应用产品都已经投向了市场和应用。第一个是舌侧正畸托槽个性化定制的项目,在美国和德国都申请了专利;第二个是膝关节领域的应用,我们和北京大学第三附属医院合作了几个科研项目,产生了20多项发明专利,不仅有专利,还有从专用设备研发、产品研发到临床的验证,取得了比较好的临床效果。这两个产品已经分别取得了二类和三类医疗许可证。除此之外,我们在医学领域也做了很多科研探索,一些产品还处于科研验证阶段。

第三是航空航天、模具、科研等领域的应用。我们针对不同的新兴领域做了很多相关硬件,对不锈钢、钛合金、钴铬合金、铜合金、纯钽、纯钨等材料做了大量的工艺实验。目前有大约十几台设备服务于这类行业。

南都:在增材制造行业,您已深耕了十余年,您认为目前这一领域产业化的情况如何?

杨永强:从2002年到2012年,这整整10年的时间里,大家对3D打印不熟悉,或者是说这个技术没有完全成熟,应用方面受到很多限制。2012年以后,全世界对3D打印都非常重视。

在我国,从国家有关部委到地方政府,都对3D打印产业给予很多政策和项目的支持。国家层面,工信部、科技部、国家发改委等12个部委发布了两份制造产业的发展规划,分别是《增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》与《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》,在这两个发展规划里,都把金属增材制造装备、3D打印材料列为首要的发展对象之一,上升到国家战略,3D打印由此迎来发展的春天。

实际上我是非常看好这个领域的产业化前景。技术水平方面,3D打印融合了最新的激光技术、材料技术、自动化技术软件技术等,已经成为先进制造技术的典型代表,应用领域非常广泛,从航空航天、生物医学、时尚珠宝到工业模具、汽车甚至造船行业等都对3D打印都巨大需求,这给国民经济和工业发展带来了革命性的影响。

但是,3D打印作为制造技术中的新分支,产生的时间并不长,只有大约30多年的历史。因此,技术的普及率还不够,很多行业想不到可以使用这一技术。我们都知道,新技术的发展,尤其是制造技术,往往会受到应用的牵动。由于行业应用尚没有完全兴起,3D打印的发展规模还不是很大。不过,我认为,随着国家制造业水平和人民生活水平的提高,对工业产品和医疗产品会有更加个性化和更深层次的需求,这是3D打印加快发展的契机。

广东在3D打印的技术研发和市场开拓方面具有很强实力

南都:您刚才提到,3D打印已经成为先进制造技术的典型代表,您认为广东在这一领域的创新基础如何?

杨永强:无论是人才团队技术基础还是市场需求,广东都有很强的积累。从人才角度看,我们应该是国内最早做金属3D打印的团队,虽然坐了10年的“冷板凳”,但是也积累了很多专利和研究成果。

这意味着什么?也就是说,在2002年到2012年这段时间里,国内从事金属3D打印的团队以我们为主,而且形成的专利论文大部分都是我们团队在做的工作,因此我们在这方面的基础是非常好的。在这10年中我们也跟很多的企业合作过,包括广东、北京等地。因此,现在市面上很多企业的技术源头是和我们有关联的。

受惠于政策,这些年广东也引进了这一领域的高水平研究团队,如西南交通大学、哈尔滨工业大学和北方的很多高校都在广东建立了联合研究院或者研究生院,还有一些非常好的企业研究单位也在广州建立了分支机构。

除此之外,广东非常注重应用,尤其是在科技的布局和规划方面,对应用基础研究投入了大量经费。在2014年到2017年这几年间,广东省专门实施了增材制造的重大专项,这几年也在持续支持。并且,广东作为制造大省,有着广泛的产业需求,可以较好地实现产业需求带动科研发展。因此,放眼全国,广东在3D打印领域的技术研发和市场开拓方面都有很强的实力。

南都:广东在2020年出台了培育“双十”战略性新兴产业集群行动计划,其中就包含激光与增材制造。您认为这一计划对产业领域的创新发展有哪些重要意义?

杨永强:过去广东省科技厅是通过重大专项支持增材制造,后来按照国家科技部战略布局,结合广东省实际的产业情况,把激光和增材制造放在一起,叫激光和增材制造。这个产业是一个朝阳产业,发展速度非常快。

但是以前分散得比较厉害,各自为战,或者是说遍地开花,形成不了合力。这种明确的新兴产业行动计划出台以后,会引导、推动增材制造行业迈向新的台阶而且行动计划是经过全国相关领域的专家经过充分的讨论和研究以后提出来的,它符合国家发展的政策和广东省的实际情况,可以引导这个行业向更高端以及大规模批量应用的方向发展,也能吸引研究团队和社会资金的注入,形成聚集作用。

3D打印各领域要逐渐形成团体标准、行业标准等

南都:在增材制造行业,您认为还有哪些“卡脖子”环节需要创新突破?

杨永强:在高端产品以及一些关键零部件方面确实存在一些“卡脖子”的问题,比如高端的激光器、光学振镜等,还比较依赖于国外技术。但是,这几年来政府和企业都加大了对这一领域的研究布局,比如广东省科技厅从2018年就开始支持光学元器件的重点研发,现在市场上涌现出了一些质量不错的国产替代品,在不久的将来,我们很有可能会赶超国外水平。

南都:在您看来,3D打印在逐渐向生物或公共设备领域融合应用的过程中,如何形成技术和应用的规范?

杨永强:一要遵循医疗许可证规定。在医学上,不管是什么样的新技术,首先要遵守相关医疗产品的要求,拿到医疗许可证。

其次是标准的制定。各领域的应用要逐渐地形成团体标准、行业标准、国家标准,让3D打印的产品有法可依,有标准可以参照,这对行业的健康发展是非常有意义的。

南都:您认为面向普通消费者的3D打印能否在短期内迎来更大的普及发展?

杨永强:3D打印的分类很多,从材料来看不仅仅只有金属,也有很多生物方面的,还有一些像高分子材料、塑料、尼龙甚至沙子等,都可以打印。目前面向普通消费者的3D打印,更多地是做一些创新的设计验证。

比如,在国外有很多发烧友、创客,愿意用3D打印来制造他们设计的东西。这样的3D打印产品我们叫桌面机,它本身的设备价格已经非常低了,和普通的打印机价格差不多,甚至更便宜,办公室或普通家庭花几千块钱就可以买一套。

可以明显地看到,3D打印已经逐渐走下神坛、走入民间了。虽然从国内来看,消费市场的占有率还不是很大,但我相信随着这一技术的广泛普及以及更多年轻人的关注,需求量会越来越大,成本也会更加低廉,未来这一消费级的市场是非常有潜力的。

当然,这其中还需要突破一些技术瓶颈。比如激光、激光器、软件系统等的大规模国产化,目前这方面的高端产品我们还需要依赖进口,另外我们也还需要突破国外知识产权的限制。把这些问题克服后,这个市场会迎来爆发性增长。

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