真·东亚秘法：被商务部禁止出口的3D打印技术

“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。

2023年4月2日，“天兵科技”旗下的“天龙二号”液体火箭首发成功，在此之前20年的时间，包括SpaceX的猎鹰一号在内，已经有8款液体火箭首发折戟，天龙二号终结了民营航天液体火箭首发即失败的魔咒。

天龙二号之所以能平步上青云，必然借力了“天火11”发动机的东风，这款推力110吨的发动机是国内尺寸最大的3D打印金属发动机，3D金属打印制成的零部件占到了总零部件的80%以上，包括燃气发生器、推力室等核心部件。

相较于传统减材制造工艺，降低了50%的成本，制造周期也压缩到了原来的五分之一，而且部件精密度高，衔接咬合紧密，发动机推质比达到100以上，短周期、低成本、高质量，这些都是商业航天从可能到现实的基础。

而这已经不是3D打印第一次让航天人惊喜，2020年马斯克给出的猎鹰9单次商业报价就已经低到了6500万美元的白菜价，要知道15年之前，波音的德尔塔4重型运载火箭的发射单价高达4亿美元。

猎鹰的成功离不开Relativity Space自己开发的Stargate3D打印机，成功把Aeon1发动机的零件从几千个简化到百余个，制造周期从六个月压缩到1个月，3D打印的工业化生产实现了对传统航天手工作坊式制造的降维打击。

不过3D打印并不是回到未来的技术，早在1892年法国人Blanther提出用层叠成型的方法制作地图沙盘，这一年可以看作增材制造技术元年，1979年东京大学的中川威雄发明叠层模型造型法，并且制造出了实用的注塑模等工具，1984年美国人查尔斯·胡尔开启了3D打印的商业化进程，从此3D打印产业化进程开始狂飙。

《三体》的歌者文明用二向箔把地球从三维变成了二维，3D打印是让模型从二维上升到三维。

我们熟知的打印是二维的，打印某个图案，激光排版后覆盖一层油墨，平面打印就算是完成了，可是如果按照图案要求，持续覆盖多层油墨直到凸起，得到的就是立体图案，把平面图案换成立体模件，油墨换成特种材料，就可以简单理解为3D打印。

3D打印更准确的叫法是增材制造，材料逐层累加形成所需要的形状，传统是依赖刨、磨、钻等工具的将多余材料去除的减材制造，增材制造的优势在于可以实现复杂零件的一次成型，还能减少原料浪费，更关键的是数字技术摆脱了对模具的依赖，缩短了设计验证周期。

模具被称为工业之母，开模不仅成本高昂，精度要求高，乐高积木的精度来自丹麦先进的精密机械加工，如果模具不符合产品要求就会完全失去经济价值，沉没成本高昂，传统模具制造需要经历从设计、加工到调整共计18道程序，但是3D打印设计生产灵活，贴合模具多品种、小批量地生产特征，我们每天都喝的百事可乐，它包装的模具使用传统方法加工需要6周，成本1万美元，3D打印只需要12个小时，成本350美元。

模具市场的潜力不止于此，新能源汽车的迅速崛起，车型迭代快，模具复杂度高，模具需求稳定，过去五年我国模具市场稳定在3000亿元上下，并且新能源多是国产品牌，模具订单会大量沉淀在国内，以宝马、奔驰为代表的传统汽车已经广泛采用了3D打印来开模，只要国内3D打印供应商技术到位，不愁拿不到订单。

在军工生产中，3D打印也在快速普及，尤其是我国空军机队迅速迭代，大批“7爷”需要迭代更新歼16甚至歼20，无人机机队也在迅速扩充，外贸动力强劲，沙特、阿联酋等中东国家已经订购了超过300架翼龙无人机，翼龙包括电机冷却管在内的8个核心零部件是3D打印的手笔，轻量化、高原材料利用率以及灵活的生产计划，完美适应了昂贵同时数量有限的航空零部件生产特点，中信证券预计到2040年，军工生产的市场规模大概在1.2万亿左右。

不只是工业级产品，消费级产品更是增长潜力巨大，口腔医疗花费惊人，种一颗牙的开销高达3万，以至于我国65——74岁的老人里，缺牙率达到86%，种植的假牙要紧密贴合人体软硬组织，对设计和生产的精度要求高，导致成本居高不下，3D打印可以结合患者口腔结构生成数字模型，快速定制高精密义齿，可以大幅度降低种牙的成本，2021年全球口腔医疗市场1427亿美元，而3D打印的渗透率不到2%，随着3D打印产业化程度提高，Stratview 预计 2026 年全球口腔增材市场规模将达到 86 亿美元。

增材制造便宜好用又灵活，美国人为了降低生产成本也把眼光投向了中国的3D打印，2022年6月美国北卡罗来纳州的三家火箭公司将核心零部件交由中国3D打印制造，2023年3月全球3D打印龙头企业3DSystems因为委托中国加工而泄露敏感数据，被处以454万美元的罚款，在生产价格上，同规格产品，美国3D打印打印零部件价格为1美元/克，中国则是1人民币。

我们是世界工厂，但是拥有性价比最高的全工业体系，并不意味着全产业链条的技术自主，曾经我国的3D打印也面临被卡脖子的风险。

增材制造已经是工业强国都希望抢占的科技高地，早在2018年11月，特朗普时期第一批出口限制清单的备忘录里就看到了3D打印，同时期美国科学技术委员会发布的《先进制造业美国领导力战略》中就明确指出，增材制造是确保美国制造业先进地位的的战略技术,欧盟也不落人后，第七框架计划为60个3D打印项目提供了共计2.25亿欧元的资金支持。

打印材料和打印设备是3D打印最核心的内容，增材制造，相当于材料层叠并且迅速熔融烧结，对精准度和稳定性要求很高，一般采用激光融化，常见的有选择性激光烧结、选择性激光融化等技术，成材种类多、产品用途广，但是材料仍然是依靠粘合剂固定，无法制作关键的承重结构，使用时间过长后存在变形风险。

之后的选择性激光融化技术直接对金属粉末进行高温熔结，采用的激光束功率更高，成型的金属部件致密度接近100%，抗拉性能甚至优于铸造部件，为了能够打印尺寸更大的零部件，更新的定向能量积淀技术也出现了，不依赖惰性气体压力室，使得3D打印可以随时进行，设计自由度也更加灵活。

打印设备研发有门槛，但是我国起步并不晚，1986年3D打印巨头Systems的技术总监就是中国留学生徐小曙博士，1992年西安交大的卢秉恒教授首创了紫外光快速成型设备，但是美国产业化进程快，EOS等美国企业在专利壁垒的保护下，迅速对打印设备形成了垄断，拿走了3D打印市场超过一半的份额。

主流技术的专利申请时间集中在1988年以前，按照20到30年不等的专利保护时间，意味着3D打印设备的专利壁垒近些年会被正式打破，从2002年开始，225项3D打印的专利到期，比如随着FDM（烧融成型法）技术的解禁，FDM打印机打印机的价格降到了原来的十分之一。

并且涌现了大量新厂家，华曙高科、铂力特等中资企业已经抓紧入场，产业链条已经基本实现了国产化，凭借人类历史上最大的工业国家所提供的市场，头部企业已经实现盈利，楚江新材凭借国际先进的等离子制粉技术，打破国外垄断，利润从2014年的0.5亿飙升到2018年的4.09亿。

现在的主要问题回到了上游的原材料，增材制造对原材料性能要求高，全球化合物的种类有上亿种，能够用于增材制造的只有千余种，主要是金属以及高分子粉末或者树脂，在技术壁垒层面，金属材料最难攻克，也是单价最高的大类原材料，2021年金属粉末市场规模达到了4.7亿美元，广泛应用于航天、医疗等产业，使用数量最多的材料是高分子粉末，而光敏树脂凭借留灰率低等优点，在消费级产品的制造商有很大的应用空间。

我国目前也是以非金属材料为主，国产替代进程比较顺利，金属材料方面，铂力特现有年产能500吨，并且有计划扩产近一倍，而非金属材料则有华曙高科提供500吨的年产能，威拉里的产量高达1000吨。

今非昔比，2018年美国人在讨论是否限制3D打印出口，2020年中国商务部将3D打印列入禁止出口名单。

从专利来源看，截止到2021年，3D打印行业全球25%的专利属于中国，从2013年开始中国在3D打印领域的专利申请量超过了美国，2020年中国专利申请18372件，美国则下降到了6332件，美国的优势在于存量，长期的科研积累的家底不可忽视，全球3D打印专利申请数量前十的单位中惠普和通用电气位列榜首和探花，西安交通大学和华中科技大学在一众企业中跻身而出，成为中国3D打印的技术领头羊。

核心科技是买不来的，芯片产业的教训刻骨铭心，我国的3D打印能够挺直腰板离不开卢秉恒，中国工程院院士，西安交大教授，中国3D打印之父。

“我想考北大，搞航天，今天回顾一下幸亏学机械制造”，那时候的大学生就是储备干部，但是卢秉恒教授大学毕业后去工厂当了五年的车床工人和六年的技术主任，就是这在工厂的十一年，让卢秉恒教授对模具、机械和制造工艺产生了不一样的体悟，不再是理论派，而是实干家。

博士毕业后出国学习交流，参观汽车企业时，流水线上无数个机械臂没有让卢教授印象深刻，一台3D打印设备却引发了莫大的兴趣，凭借着在工厂和高校搞了几十年机械的敏锐直觉，卢教授认为3D打印所代表的增材制造是对延续了上千年减材制造工艺的颠覆，中国必须要有自己的3D打印。

1986年我国的外汇储备只有20.56亿美元，而当时引进一个3D打印的激光器就要十几万美元，核心技术也买不来，卢秉恒教授牵头从“0”开始，一步步探索科技原理，最终在1997年制造出了中国自己的3D打印原型机。

二十年前，卢教授还在追赶国外的脚步，二十年后已经开始引领增材制造的科技前沿，卢教授已经不满足3D打印，4D打印加入时间维度，也就是利用智能材料，打印出可以随着时间变化的零部件，对于电流或者磁场等外界环境的变化会做出反应，让零部件变成活的；甚至于提出了5D打印的概念，打印出的部件不只是形状变化，功能也会改变，典型的例子是人造器官，让人造心脏、人造骨骼等可以和人这个有机体共生，成为人的一部分，卢教授好像不只是院士，更是一个魔术师。

中国人距离填饱肚子不过二十年，仓廪足而知荣辱，衣食足而知礼节，在过去我们没有更多的精力去投入到科研当中，所以过去的两个世纪，能够看到了科技突破几乎都是外国人的名字，我们一直在追赶，现在经济发展有钱给科学家了，2022年我国科研投入突破了3万亿，基础科学、尖端技术乃至于产业化都需要时间才能看出成果。

从织毛衣到大飞机，中国的3D打印就是产业升级的例子，起步阶段抓住机会，并没有落后太多，院士牵头吃透科技原理，就等待着合适的市场需求爆发，甚至于3D打印设备禁止出口，轮到我们卡外国人的脖子了，我们也可以去做高端产业，去做高端品牌，中国制造2025一直在发生。

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