真·東亞秘法：被商務部禁止出口的3D打印技術_風聞

“上上個世紀的思想，上個世紀的技術，這個世紀的市場”。

2023年4月2日，“天兵科技”旗下的“天龍二號”液體火箭首發成功，在此之前20年的時間，包括SpaceX的獵鷹一號在內，已經有8款液體火箭首發折戟，天龍二號終結了民營航天液體火箭首發即失敗的魔咒。

天龍二號之所以能平步上青雲，必然借力了“天火11”發動機的東風，這款推力110噸的發動機是國內尺寸最大的3D打印金屬發動機，3D金屬打印製成的零部件佔到了總零部件的80%以上，包括燃氣發生器、推力室等核心部件。

相較於傳統減材製造工藝，降低了50%的成本，製造週期也壓縮到了原來的五分之一，而且部件精密度高，銜接咬合緊密，發動機推質比達到100以上，短週期、低成本、高質量，這些都是商業航天從可能到現實的基礎。

而這已經不是3D打印第一次讓航天人驚喜，2020年馬斯克給出的獵鷹9單次商業報價就已經低到了6500萬美元的白菜價，要知道15年之前，波音的德爾塔4重型運載火箭的發射單價高達4億美元。

獵鷹的成功離不開Relativity Space自己開發的Stargate3D打印機，成功把Aeon1發動機的零件從幾千個簡化到百餘個，製造週期從六個月壓縮到1個月，3D打印的工業化生產實現了對傳統航天手工作坊式製造的降維打擊。

不過3D打印並不是回到未來的技術，早在1892年法國人Blanther提出用層疊成型的方法制作地圖沙盤，這一年可以看作增材製造技術元年，1979年東京大學的中川威雄發明疊層模型造型法，並且製造出了實用的注塑模等工具，1984年美國人查爾斯·胡爾開啓了3D打印的商業化進程，從此3D打印產業化進程開始狂飆。

《三體》的歌者文明用二向箔把地球從三維變成了二維，3D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，打印某個圖案，激光排版後覆蓋一層油墨，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，就可以簡單理解為3D打印。

3D打印更準確的叫法是增材製造，材料逐層累加形成所需要的形狀，傳統是依賴刨、磨、鑽等工具的將多餘材料去除的減材製造，**增材製造的優勢在於可以實現複雜零件的一次成型，還能減少原料浪費，**更關鍵的是數字技術擺脱了對模具的依賴，縮短了設計驗證週期。

模具被稱為工業之母，開模不僅成本高昂，精度要求高，樂高積木的精度來自丹麥先進的精密機械加工，如果模具不符合產品要求就會完全失去經濟價值，沉沒成本高昂，傳統模具製造需要經歷從設計、加工到調整共計18道程序，但是3D打印設計生產靈活，貼合模具多品種、小批量地生產特徵，我們每天都喝的百事可樂，它包裝的模具使用傳統方法加工需要6周，成本1萬美元，3D打印只需要12個小時，成本350美元。

模具市場的潛力不止於此，新能源汽車的迅速崛起，車型迭代快，模具複雜度高，模具需求穩定，過去五年我國模具市場穩定在3000億元上下，並且新能源多是國產品牌，模具訂單會大量沉澱在國內，以寶馬、奔馳為代表的傳統汽車已經廣泛採用了3D打印來開模，只要國內3D打印供應商技術到位，不愁拿不到訂單。

在軍工生產中，3D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，無人機機隊也在迅速擴充，外貿動力強勁，沙特、阿聯酋等中東國家已經訂購了超過300架翼龍無人機，翼龍包括電機冷卻管在內的8個核心零部件是3D打印的手筆，**輕量化、高原材料利用率以及靈活的生產計劃，完美適應了昂貴同時數量有限的航空零部件生產特點，**中信證券預計到2040年，軍工生產的市場規模大概在1.2萬億左右。

**不只是工業級產品，消費級產品更是增長潛力巨大，口腔醫療花費驚人，**種一顆牙的開銷高達3萬，以至於我國65——74歲的老人裏，缺牙率達到86%，種植的假牙要緊密貼合人體軟硬組織，對設計和生產的精度要求高，導致成本居高不下，3D打印可以結合患者口腔結構生成數字模型，快速定製高精密義齒，可以大幅度降低種牙的成本，2021年全球口腔醫療市場1427億美元，而3D打印的滲透率不到2%，隨着3D打印產業化程度提高，Stratview 預計 2026 年全球口腔增材市場規模將達到 86 億美元。

增材製造便宜好用又靈活，美國人為了降低生產成本也把眼光投向了中國的3D打印，2022年6月美國北卡羅來納州的三家火箭公司將核心零部件交由中國3D打印製造，2023年3月全球3D打印龍頭企業3DSystems因為委託中國加工而泄露敏感數據，被處以454萬美元的罰款，在生產價格上，同規格產品，美國3D打印打印零部件價格為1美元/克，中國則是1人民幣。

我們是世界工廠，**但是擁有性價比最高的全工業體系，並不意味着全產業鏈條的技術自主，**曾經我國的3D打印也面臨被卡脖子的風險。

增材製造已經是工業強國都希望搶佔的科技高地，早在2018年11月，特朗普時期第一批出口限制清單的備忘錄裏就看到了3D打印，同時期美國科學技術委員會發布的《先進製造業美國領導力戰略》中就明確指出，增材製造是確保美國製造業先進地位的的戰略技術,歐盟也不落人後，第七框架計劃為60個3D打印項目提供了共計2.25億歐元的資金支持。

**打印材料和打印設備是3D打印最核心的內容，**增材製造，相當於材料層疊並且迅速熔融燒結，對精準度和穩定性要求很高，一般採用激光融化，常見的有選擇性激光燒結、選擇性激光融化等技術，成材種類多、產品用途廣，但是材料仍然是依靠粘合劑固定，無法制作關鍵的承重結構，使用時間過長後存在變形風險。

之後的選擇性激光融化技術直接對金屬粉末進行高温熔結，採用的激光束功率更高，成型的金屬部件緻密度接近100%，抗拉性能甚至優於鑄造部件，為了能夠打印尺寸更大的零部件，更新的定向能量積澱技術也出現了，不依賴惰性氣體壓力室，使得3D打印可以隨時進行，設計自由度也更加靈活。

打印設備研發有門檻，但是我國起步並不晚，1986年3D打印巨頭Systems的技術總監就是中國留學生徐小曙博士，1992年西安交大的盧秉恆教授首創了紫外光快速成型設備，但是美國產業化進程快，EOS等美國企業在專利壁壘的保護下，迅速對打印設備形成了壟斷，拿走了3D打印市場超過一半的份額。

**主流技術的專利申請時間集中在1988年以前，按照20到30年不等的專利保護時間，意味着3D打印設備的專利壁壘近些年會被正式打破，**從2002年開始，225項3D打印的專利到期，比如隨着FDM（燒融成型法）技術的解禁，FDM打印機打印機的價格降到了原來的十分之一。

並且湧現了大量新廠家，華曙高科、鉑力特等中資企業已經抓緊入場，產業鏈條已經基本實現了國產化，憑藉人類歷史上最大的工業國家所提供的市場，頭部企業已經實現盈利，楚江新材憑藉國際先進的等離子制粉技術，打破國外壟斷，利潤從2014年的0.5億飆升到2018年的4.09億。

現在的主要問題回到了上游的原材料，增材製造對原材料性能要求高，全球化合物的種類有上億種，能夠用於增材製造的只有千餘種，主要是金屬以及高分子粉末或者樹脂，在技術壁壘層面，金屬材料最難攻克，也是單價最高的大類原材料，2021年金屬粉末市場規模達到了4.7億美元，廣泛應用於航天、醫療等產業，使用數量最多的材料是高分子粉末，而光敏樹脂憑藉留灰率低等優點，在消費級產品的製造商有很大的應用空間。

**我國目前也是以非金屬材料為主，國產替代進程比較順利，**金屬材料方面，鉑力特現有年產能500噸，並且有計劃擴產近一倍，而非金屬材料則有華曙高科提供500噸的年產能，威拉里的產量高達1000噸。

今非昔比，2018年美國人在討論是否限制3D打印出口，2020年中國商務部將3D打印列入禁止出口名單。

從專利來源看，截止到2021年，3D打印行業全球25%的專利屬於中國，從2013年開始中國在3D打印領域的專利申請量超過了美國，2020年中國專利申請18372件，美國則下降到了6332件，美國的優勢在於存量，長期的科研積累的家底不可忽視，全球3D打印專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，西安交通大學和華中科技大學在一眾企業中躋身而出，成為中國3D打印的技術領頭羊。

核心科技是買不來的，芯片產業的教訓刻骨銘心，我國的3D打印能夠挺直腰板離不開盧秉恆，中國工程院院士，西安交大教授，中國3D打印之父。

“我想考北大，搞航天，今天回顧一下幸虧學機械製造”，那時候的大學生就是儲備幹部，但是盧秉恆教授大學畢業後去工廠當了五年的車牀工人和六年的技術主任，就是這在工廠的十一年，讓盧秉恆教授對模具、機械和製造工藝產生了不一樣的體悟，不再是理論派，而是實幹家。

博士畢業後出國學習交流，參觀汽車企業時，流水線上無數個機械臂沒有讓盧教授印象深刻，一台3D打印設備卻引發了莫大的興趣，憑藉着在工廠和高校搞了幾十年機械的敏鋭直覺，盧教授認為3D打印所代表的增材製造是對延續了上千年減材製造工藝的顛覆，中國必須要有自己的3D打印。

1986年我國的外匯儲備只有20.56億美元，而當時引進一個3D打印的激光器就要十幾萬美元，核心技術也買不來，盧秉恆教授牽頭從“0”開始，一步步探索科技原理，最終在1997年製造出了中國自己的3D打印原型機。

**二十年前，盧教授還在追趕國外的腳步，二十年後已經開始引領增材製造的科技前沿，**盧教授已經不滿足3D打印，4D打印加入時間維度，也就是利用智能材料，打印出可以隨着時間變化的零部件，對於電流或者磁場等外界環境的變化會做出反應，讓零部件變成活的；甚至於提出了5D打印的概念，打印出的部件不只是形狀變化，功能也會改變，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，更是一個魔術師。

中國人距離填飽肚子不過二十年，倉廩足而知榮辱，衣食足而知禮節，在過去我們沒有更多的精力去投入到科研當中，所以過去的兩個世紀，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，現在經濟發展有錢給科學家了，2022年我國科研投入突破了3萬億，基礎科學、尖端技術乃至於產業化都需要時間才能看出成果。

從織毛衣到大飛機，中國的3D打印就是產業升級的例子，起步階段抓住機會，並沒有落後太多，院士牽頭吃透科技原理，就等待着合適的市場需求爆發，甚至於3D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業，去做高端品牌，中國製造2025一直在發生。