3D打印新材料有望华丽转身 书写增材制造新篇章

　导读：作为3D打印原材料的化工新材料，如聚合物塑料、光敏树脂、橡胶类材料等，也有望华丽转身，站上朝阳产业风口。
　　　　
　　近年来，世界范围内掀起的3D打印热潮引起了社会广泛关注。3D打印技术将信息技术与工业制造完美结合，以柔性化的生产方式满足了不断增强的个性化需求，实现了制造技术的革命性突破。这个被誉为“第三次工业革命”前奏的新兴产业，无疑将会带来全球制造业经济的重大变革。作为3D打印原材料的化工新材料，如聚合物塑料、光敏树脂、橡胶类材料等，也有望华丽转身，站上朝阳产业风口。
　　
　　市场“钱”景多大？
　　
　　2020年市值14亿美元
　　
　　“目前，3D打印可使用的基础原材料主要包括高分子材料、金属和无机非金属材料三大类。其中，化工类的主要是高分子材料，如ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)、PLA(聚丙交酯)、PC(聚碳酸酯)、尼龙粉、石膏粉、光敏树脂、PVC等，一般用于3D打印的先进光聚合物包括模拟聚丙烯、模拟ABS、透明光聚合物、橡胶状的光聚合物以及医疗和牙科光聚合物。国际与国内3D打印技术正在向成熟方向迈进，产业规模和市场拓展不断扩大，对化工新材料的需求与日俱增，材料市场价值逐渐提升。”国务院发展研究中心研究员胡瑞平如是说。
　　
　　据他介绍，3D打印是快速成型技术的一种，又称作增材制造，主要应用于产品模型、模具制造、航空航天、生物医疗、文化创意以及个性化定制等领域。从工信部等有关部门研究报告分析来看，今后美国、日本、中国、德国、英国对3D打印材料的需求较大。2012年北美和亚太地区3D打印材料销售收入占全球的68%，其中北美地区市场收入最高，其次是亚太地区。预计未来随着3D打印在亚太地区的推广，亚洲有望成为3D打印材料需求增长最快的地区。
　　
　　他说，3D打印材料的发展直接决定着3D打印能否有更广泛的应用。未来5年中，3D打印用化工新材料在医疗和牙科领域市场消费需求将明显增大，珠宝首饰、电子信息、建筑、航空航天、汽车等领域也将增大。其中，3D打印用化工新材料在电子工业和汽车工业的应用将进一步扩大和深入；消费量最大的ABS、PLA、PC行业，将在原型机制造和桌面3D打印市场得到迅速扩张。
　　
　　最新统计数据显示，预计到2020年，全球3D打印材料市值将达到14亿美元，年均增长率为20%，重量达20亿千克。
　　
　　胡瑞平表示，各类3D打印材料中，高分子材料还将持续占据主导地位。2015年，3D打印对塑料市场需求达9000万美元，到2018年，需求规模将达到2亿美元。热塑性树脂会是增长最快的一类化工材料，其中包括ABS、PLA、软质PLA、PVA（聚乙烯醇）、PC和PA（聚酰胺），年增长率约20%。这类材料2013年的市值仅为6450万美元，预测到2019年将上升至1.926亿美元。另外，光聚合物是3D打印材料中占比最大的一类，预计至2019年市值将达3.8亿美元，年均增长率约15%。
　　
　　哪些材料被看好？
　　
　　尼龙新材光敏树脂ABSPLA
　　
　　那么，3D打印高分子材料行业“钱”景如何抓住呢？内蒙古科技大学化工学院院长王亚雄教授告诉记者，3D打印所用化工原材料都是专门针对3D打印设备和工艺而研发的，与普通的塑料、石膏、树脂技术性能等区别很大。其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等，对传统化工企业生产的3D打印材料在性能和适用性方面提出了更高的要求。例如，材料必须具备可液化、丝化、粉末化的性质；在计算机软件控制打印后还要能重新粘结成型；由于打印设备的类型及操作条件各异，粉末状3D打印材料的粒径要求为1~100μｍ不等规格；具有高球形度以保持良好的流动性；具备性能稳定，满足3D打印连续生产的需要；功能丰富，具有导电、水溶、耐磨、安全、绿色环保的特性。
　　
　　王亚雄指出，未来5年，更多的高分子材料种类有望进入3D打印材料领域，包括聚苯乙烯、聚碳酸酯、PET（聚对苯二甲酸乙二酯）、TPU（热塑性聚氨酯）、PBA（聚丙烯酸丁酯）、聚甲醛、聚乙烯醇和可替代生物塑料、透明材料、柔性材料，以及纳米增强塑料等，而且部分将成为3D打印行业内颇具竞争优势的化工新材料“新星”。
　　
　　“多年来，设备制造商基本垄断了3D打印材料的供应链，但目前，这种局面正在被打破。大量投资涌入3D打印材料行业，新兴企业与传统化工新材料企业正悄然崛起。”上海东宝富能科技有限公司总经理赵卫中向记者描述，他接着分析，化工新材料中的尼龙、ABS和PLA将在未来5年继续占据3D打印材料市场的最大份额。
　　
　　王亚雄建议，化工新材料企业要瞄准市场需求，力求提升3D打印材料综合技术性能，同时加快开发前瞻性、多样性的3D打印化工新材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等。
　　
　　投资要看好方向，才能获得更好收益。赵卫中透露了几种具有代表性的产品：
　　
　　一是尼龙新材料。预计到2019年，尼龙将在3D打印材料市场占据30%的份额。因为企业可以从技术上利用输出变形编程，控制3D打印尼龙部件的内部结构，改变纤维序列提高部件性能，使尼龙材料相对优势更明显。目前市场供应方面，尼龙粉末生产厂家较少，只有国外的阿科玛、赢创、Arzuano、ExcelTec和罗地亚等企业。我国企业多生产低端激光烧结工艺的尼龙粉末等，亟待介入高端产品。
　　
　　二是光敏树脂材料。光敏树脂将主要应用在原型设计和口腔医疗行业，投资收益率仍然较高。国内传统化工企业可介入3D打印树脂材料制造，成为其主力供应方。未来10年，随着树脂材质的不断提高，3D打印技术将生产出更强大的树脂功能原型部件，直接使用在高性能汽车行业及航天航空领域。
　　
　　三是ABS和PLA。ABS和PLA将进一步发展，升级为绿色3D打印新材料。新型ABS材料将突破过去30年发展中材料物理特性的限制，从透明度、防火、颜色和耐化学腐蚀性等多方面展现出新性能。其中，ABS1.75毫米单丝纤维直径逐渐成为标准加工直径，其产能将大幅提高。PLA随着绿色环保概念诉求的不断增加，将逐渐成为3D打印生产应用中使用量最多的材料。
　　
　　与国外差距在哪？
　　
　　性能不足成本高
　　
　　胡瑞平研究员说，国家已经出台多项产业政策措施，积极推进3D打印新材料产业发展步入快车道。2015年2月，为落实国务院关于发展战略性新兴产业的决策部署，抢抓新一轮科技革命和产业变革的重大机遇，加快推进我国增材制造（又称“3D打印”）产业健康有序发展，工业和信息化部、发展改革委、财政部研究制定了《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》，为3D打印化工新材料带来难得的发展机遇和广阔的发展空间。
　　
　　但目前，我国3D打印存在较多问题，突出表现为对外依存度较高。王亚雄告诉记者，主要原因有两方面：一方面我国3D打印化工新材料技术研发基础薄弱，与美国、德国等相对成熟技术相差较大。目前，国内仅有10多所科研机构涉及该领域研究，力量和资金投入方面还不足，也因此造成了我国3D打印化工原材料质量不稳定、品种较为单一的现状，甚至部分研发用实验材料也得依赖进口。例如，国内的光面树脂就遭遇研发时间长、材料配比技术难掌握等方面的研发难题，不得不从国外进口实验材料。
　　
　　另一方面，国内3D打印技术还处于起步发展阶段，与3D打印化工新材料的发展表现为相互制约。目前，国内3D打印产业规模偏小，导致国内专业从事3D打印化工新材料生产的企业并不多。另外，国内只具备生产精度和强度都比较低的3D打印化工新材料的条件，限制了国内3D打印技术的产业化应用。
　　
　　胡瑞平同样认为，我国3D打印化工新材料的研发和应用与先进国家相比还存在较大差距，打破包括化工新材料在内对3D打印发展的制约非常关键。虽然3D金属材料比重上升，但化工高分子聚合物材料仍是未来市场的主导材料。我国3D打印原材料比如各类高分子都缺乏相关产品标准，国内有能力生产3D打印材料的企业很少，加之下游应用市场还没有完全培育起来，所以现阶段3D打印材料生成本较高，无法实现规模化生产。
　　
　　因此，胡瑞平、王亚雄和赵卫中等业界专家建议，希望国家和地方政府继续加大政策支持力度。一是加强3D打印材料相关政策的研究，适时出台推动3D打印材料发展的产业、财政、金融政策，为3D打印材料发展创造良好的宏观政策环境。其中包括，加大政府对3D打印配套的化工新材料企业的政策和资金扶持，对研发生产3D打印材料的化工企业给予税收减免或财政补贴，鼓励企业积极进行材料研发。
　　
　　二是建立并完善3D打印化工新材料技术标准体系，提升标准技术水平。开发3D打印化工新材料质量测试程序和方法，建立行业统一的质量标准体系，保证材料的稳定性和可靠性。
　　
　　三是化工新材料企业要发挥企业市场主体作用，加快3D打印化工新材料的研发和产业化进程。传统化工新材料生产企业要积极参与3D打印材料的研发和生产，逐步增加3D打印化工材料研发投入，扩大3D打印材料生产规模。同时，企业还要加强与高校科研院所产学研合作，培养3D打印化工材料人才。
　　
　　四是通过加强上游材料、中游3D打印设备、下游产品等各个环节的交流合作，推动3D打印逐步在部分领域实现规模化生产。3D打印要逐步形成“材料—制造—装备—应用”协同发展的全产业链发展模式，助力3D打印化工新材料降低材料成本，实现规模化生产。