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從2納米到40微米，從光刻機(jī)到人的牙齒，有著怎樣的關(guān)系？
在小紅書(shū)上，有一批“網(wǎng)紅”正在爭(zhēng)相試用一款操作起來(lái)“像做美甲一樣便捷”的牙齒貼面產(chǎn)品。
一般人不容易知道這款產(chǎn)品與光刻機(jī)制造技術(shù)之間的淵源——2018年，夏春光從工作了8年的阿斯麥（ASML）離職，帶著制造光刻機(jī)的精密技術(shù)，加盟摩方精密任CTO，開(kāi)拓了高精度微米級(jí)增材制造（3D打?。┬沦惖?，隨后，這家公司用技術(shù)上一脈相承的精密3D打印設(shè)備，制造出一款在世界上最薄的牙齒貼面，解決了行業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)需要患者“磨牙”、貼面邊緣做不薄、對(duì)醫(yī)生技術(shù)依賴(lài)度高等痛點(diǎn)。
幾年前，增材制造（3D打印）曾是熱門(mén)概念之一，但很快被資本市場(chǎng)中層出不窮的后浪吞沒(méi)，——而在聚光燈之外的落地場(chǎng)景中，增材制造已悄然滲入高端工業(yè)制造的方方面面，閃現(xiàn)于人們?nèi)粘Ｉ钪校盒〉饺藗兪謾C(jī)里的鈦合金手機(jī)零件，大到一體化壓鑄的汽車(chē)，乃至進(jìn)入人體內(nèi)給藥的載藥微球，貼在牙齒上的貼面修復(fù)體……
對(duì)比全球，國(guó)內(nèi)的增材制造近年來(lái)發(fā)展迅速，整體技術(shù)水平已然不輸國(guó)外，在個(gè)別細(xì)分領(lǐng)域甚至處于全球領(lǐng)先水平。
01. 3D打印10年，玩具or泡沫？
普通人接觸到的增材制造設(shè)備（3D打印機(jī)）一般屬于桌面級(jí)。時(shí)至今日，多數(shù)人對(duì)3D打印功能的認(rèn)識(shí)，依然止于路邊的3D打印小玩偶。
當(dāng)然，各大廠商對(duì)3D打印娛樂(lè)功能的玩法開(kāi)發(fā)也一直在推陳出新。例如日前，騰訊元寶上線3D角色夢(mèng)工廠玩法，用戶只需要在APP或小程序上傳一張照片，就能直接得到一個(gè)打印鏈接，拿去線下3D打印店能打印一個(gè)立體玩偶形象。
事實(shí)上，3D打印企業(yè)不僅自身從上游材料、中游設(shè)備到下游終端應(yīng)用等差別巨大，實(shí)現(xiàn)3D打印的工藝路線、技術(shù)門(mén)類(lèi)也是百花齊放，不同應(yīng)用領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)格局和市場(chǎng)空間更是天差地別。玩具級(jí)/桌面級(jí)3D打印設(shè)備之外，具備工業(yè)級(jí)加工公差，被企業(yè)引入生產(chǎn)線的工業(yè)級(jí)增材制造設(shè)備，是近年來(lái)制造業(yè)升級(jí)迭代中的亮點(diǎn)，被認(rèn)為與制造業(yè)革新進(jìn)程緊密相連。
工業(yè)級(jí)3D打印除了可以幫助工業(yè)企業(yè)快速生成產(chǎn)品原型，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，便于設(shè)計(jì)驗(yàn)證和迭代改進(jìn)，還可以制造傳統(tǒng)制造方法（如切削、銑削）難以或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品，例如復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)制造，及內(nèi)部有復(fù)雜通道或結(jié)構(gòu)的器件，后者在航空航天領(lǐng)域和醫(yī)療領(lǐng)域都有大量需求。
2024年4月3日，探月工程用鵲橋通導(dǎo)技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星—天都二號(hào)衛(wèi)星在軌分離正常，冷推系統(tǒng)工作正常，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)航天首次實(shí)現(xiàn)3D打印貯箱在軌應(yīng)用，為3D打印技術(shù)在空間推進(jìn)領(lǐng)域的運(yùn)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。? 圖源：中國(guó)航天科技集團(tuán)
另外，3D打印可以實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)，尤其適合小批量和個(gè)性化產(chǎn)品的制造，例如定制醫(yī)療植入物、牙科修復(fù)體和個(gè)性化的消費(fèi)品（如珠寶、鞋子等）。此外，傳統(tǒng)減材制造會(huì)產(chǎn)生大量廢料，而增材制造僅使用必要的材料，減少了浪費(fèi)。在很多時(shí)候，當(dāng)產(chǎn)品需要修改款式時(shí)，廠家往往就要修改整條生產(chǎn)線，不管是成本還是應(yīng)對(duì)時(shí)間，都會(huì)給廠家造成極大的麻煩，因此通常難以應(yīng)對(duì)需要頻繁修改款式的產(chǎn)品；而3D打印可以實(shí)現(xiàn)靈活生產(chǎn)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程可以進(jìn)行快速調(diào)整，不需要復(fù)雜的工具或模具、甚至產(chǎn)線變更，適應(yīng)性極強(qiáng)。
當(dāng)然，沒(méi)有一種制造加工技術(shù)是完美的，3D打印的限制也很明顯。材料是 3D 打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，與中游設(shè)備和下游需求緊密相連。盡管3D打印材料種類(lèi)在不斷增加，但相比傳統(tǒng)制造材料（如某些合金、特種工程塑料等）仍然有限，且部分材料性能可能不如傳統(tǒng)材料。過(guò)去，3D打印還有一點(diǎn)經(jīng)常被詬病的是制造產(chǎn)品的表面質(zhì)量和精度，因此很多產(chǎn)品在3D打印后還需要進(jìn)行拋光或再加工。此外，3D打印的生產(chǎn)速度，特別是在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，效率會(huì)不如傳統(tǒng)制造如注塑成型、沖壓，成本也可能會(huì)較高。
根據(jù)新興技術(shù)成熟曲線圖，一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展包括技術(shù)萌芽期、期望膨脹期、泡沫破裂谷底期、穩(wěn)步爬升復(fù)蘇期和生產(chǎn)成熟期。
圖源：作者自制
2015年前后，國(guó)內(nèi)3D打印曾迎來(lái)一波投資熱潮，一定程度上將其技術(shù)進(jìn)程推入期望膨脹期。但行業(yè)的繁榮掩蓋了發(fā)展的困境，典型的是技術(shù)創(chuàng)新不足以及同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題接踵而至。隨著部分3D打印大型企業(yè)因“虧損、缺乏原創(chuàng)性技術(shù)”等原因，讓全行業(yè)屢遭“泡沫”質(zhì)疑，帶來(lái)一波行業(yè)洗牌。
如上總總，令縈繞在3D打印“成本高、效率低、精度粗糙”的偏見(jiàn)揮之不去。但人們往往容易高估一門(mén)技術(shù)2年內(nèi)的變化，而低估其10年的變革。過(guò)去十多年，全球3D打印行業(yè)一直在保持增長(zhǎng)。根據(jù)Wohlers Associates數(shù)據(jù)，2021年全球增材制造產(chǎn)值為 152.44 億美元，同比增長(zhǎng) 19.5%，十年復(fù)合增長(zhǎng)率為23.5%。與此同時(shí)，2012年至2021年，全球工業(yè)級(jí)增材制造設(shè)備銷(xiāo)量年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)14.45%。
穩(wěn)步向上的數(shù)據(jù)背后，是國(guó)內(nèi)外3D打印正加速滲透萬(wàn)億制造市場(chǎng)，給各領(lǐng)域高端工業(yè)制造帶來(lái)的顛覆性的制造工具和產(chǎn)品創(chuàng)新方案。
02. 從EUV光刻機(jī)，到你的牙齒
牙科一直是3D打印入侵較早的領(lǐng)域。由于精準(zhǔn)化和定制化等優(yōu)點(diǎn)，過(guò)去幾年， 3D打印技術(shù)被國(guó)內(nèi)外不少公司成熟運(yùn)用于制造牙冠、牙齒矯正器、牙科模型等，但相對(duì)而言，牙齒貼面，則一直是個(gè)較難突破的領(lǐng)域。牙齒貼面是貼在牙齒表面的一種美白修復(fù)體。
傳統(tǒng)切削方法制造的牙齒貼面修復(fù)體大部分厚度在500微米（0.5毫米）以上，實(shí)際操作時(shí)需要磨掉患者相應(yīng)厚度的牙齒，且因?yàn)榫炔粔蚋?，修?fù)體邊緣做不薄，易破碎，容易帶來(lái)遠(yuǎn)期微滲透和邊緣繼發(fā)齲等問(wèn)題。用3D打印制作牙齒貼面，首要解決“薄”和“強(qiáng)韌”的問(wèn)題。“薄”意味著高精度，“強(qiáng)韌”意味著材料要有很好的韌性、耐磨性和生物相容性。
“高精度”這一項(xiàng)，一度難倒了絕大多數(shù)3D打印企業(yè)。直至2016年摩方精密在深圳成立，其從一開(kāi)始就專(zhuān)注于高精度3D打印，CTO夏春光在此前先后供職泛林集團(tuán)（Lam Research）、阿斯麥（ASLM）等世界知名半導(dǎo)體公司。在留美創(chuàng)始人團(tuán)隊(duì)的帶領(lǐng)下，公司瞄準(zhǔn)0-30微米高精度3D打印細(xì)分領(lǐng)域的空白，成為全球較早突破2微米級(jí)3D打印光學(xué)精度兼具高標(biāo)準(zhǔn)公差控制力的企業(yè)。
“半導(dǎo)體設(shè)備機(jī)器的設(shè)計(jì)要比精密3D打印要復(fù)雜得多，不管是涂層設(shè)備還是光刻設(shè)備，加工的特征尺寸都是在十到百納米級(jí)，而精密3D打印在微米量級(jí)。但EUV光刻設(shè)備和我開(kāi)發(fā)的3D打印機(jī)有一定的關(guān)聯(lián)，比如EUV用的就是反射掩膜，就像摩方精密的機(jī)器上的DLP反射動(dòng)態(tài)掩膜; 摩方精密的打印機(jī)也用類(lèi)似半導(dǎo)體光刻機(jī)的平面多次曝光技術(shù)。”夏春光介紹。
摩方精密“從0到1”的原始創(chuàng)新技術(shù)，及時(shí)地滿足了零件微型化、復(fù)雜化趨勢(shì)加速背景下精密制造市場(chǎng)的需求，被各行業(yè)引入，用于拓展制造和應(yīng)用的創(chuàng)新。同時(shí)也被深知傳統(tǒng)牙齒貼面痛點(diǎn)、一直在搜尋顛覆性制造技術(shù)的北京大學(xué)口腔醫(yī)院所發(fā)現(xiàn)，在得知摩方的技術(shù)實(shí)力后，雙方一拍即合，2021年開(kāi)始，二者依托多個(gè)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科，協(xié)同攻關(guān)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。2023年，該項(xiàng)目還被科技部批準(zhǔn)立項(xiàng)“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)”。
摩方牽頭的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目實(shí)施方案論證及啟動(dòng)會(huì)現(xiàn)場(chǎng)這一合作以摩方精密創(chuàng)新的“面投影微立體光刻技術(shù)”為切入點(diǎn)，深度融合精密增材制造、齒科材料仿生設(shè)計(jì)、精細(xì)陶瓷工藝和人工智能等交叉學(xué)科。
在此過(guò)程中，摩方專(zhuān)門(mén)為牙齒貼面產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)備技術(shù)更新，并發(fā)明“浸潤(rùn)性微立體光刻技術(shù)”，解決了很多功能材料在打印過(guò)程中因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)性能低，垂直分離作用力過(guò)大導(dǎo)致精細(xì)打印無(wú)法完成的問(wèn)題，讓超薄牙齒貼面得以成功實(shí)現(xiàn)。這款的貼面最低厚度可達(dá)40微米，且強(qiáng)韌性不輸以往，不僅可以讓患者真正實(shí)現(xiàn)免磨牙，推動(dòng)義齒修復(fù)從“有創(chuàng)”到“無(wú)創(chuàng)”的質(zhì)變，且由于產(chǎn)品完整性高，邊緣密合度好，還能有效解決牙齒貼面遠(yuǎn)期微滲透和邊緣繼發(fā)齲等問(wèn)題。
“不磨牙”的超薄牙齒貼面，對(duì)整個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)，都是一場(chǎng)意義不小的革新。它不僅能減少項(xiàng)目操作時(shí)對(duì)醫(yī)生的依賴(lài)，也讓這一齒科項(xiàng)目的消費(fèi)門(mén)檻大幅降低，帶來(lái)市場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)容，對(duì)口腔行業(yè)和患者來(lái)說(shuō)，都是福音。
03. 被3D打印悄然改變的高端制造業(yè)
事實(shí)證明，技術(shù)本身沒(méi)有對(duì)錯(cuò)，只是如果把技術(shù)放在錯(cuò)誤的應(yīng)用方向上，自然得不到滿意的效果。相反，放對(duì)了位置，其自身的市場(chǎng)價(jià)值，及給產(chǎn)業(yè)帶來(lái)的爆發(fā)力，遠(yuǎn)超想象。例如，在桌面級(jí)3D打印賽道，部分國(guó)產(chǎn)品牌做出了亮眼的成績(jī)。創(chuàng)想三維已成為全球入門(mén)級(jí)FDM/FFF3D打印設(shè)備的領(lǐng)先制造商，主導(dǎo)消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，銷(xiāo)量達(dá)百萬(wàn)臺(tái)。另一家消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)廠商深圳拓竹年銷(xiāo)量近20億元，在去年底完成了新一輪融資。此外，已經(jīng)上市的企業(yè)如鉑力特、華曙高科等，綜合實(shí)力雄厚，均屬于工業(yè)級(jí)金屬增材設(shè)備領(lǐng)軍企業(yè)。前者專(zhuān)注于工業(yè)級(jí)金屬增材制造，擁有較為完整的金屬3D打印產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈和國(guó)內(nèi)最大的金屬增材制造產(chǎn)業(yè)化基地，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)機(jī)械、能源動(dòng)力、科研院所、醫(yī)療研究、汽車(chē)制造、船舶制造及電子工業(yè)等領(lǐng)域，2023年?duì)I業(yè)收入達(dá)12.3億元。華曙高科聚焦金屬與高分子3D打印，布局全球市場(chǎng)，與德國(guó)巴斯夫（BASF）、德國(guó)寶馬（BMW）、美國(guó)捷普（Jabil）等眾多全球500強(qiáng)企業(yè)建立了合作關(guān)系，其自主產(chǎn)品銷(xiāo)售規(guī)模位居全球前列。
與此同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)級(jí)3D打印企業(yè)技術(shù)不斷積累，與國(guó)外差距快速縮小，并開(kāi)始在細(xì)分領(lǐng)域出現(xiàn)全球領(lǐng)先的企業(yè)。典型代表是摩方精密，由于其在微米級(jí)光學(xué)精度打印制造領(lǐng)域在全球難尋對(duì)手，從公開(kāi)信息看，過(guò)去數(shù)年，來(lái)自美國(guó)、日本、德國(guó)等的世界排名前十的醫(yī)藥生物企業(yè)、連接器企業(yè)以及頭部電子企業(yè)均引入了其設(shè)備或服務(wù)，用于微小、精密、復(fù)雜的的器件研發(fā)和產(chǎn)品迭代。
事實(shí)上，3D打印“入侵”高端制造業(yè)的現(xiàn)象，在海外表現(xiàn)得更為明顯。近年來(lái)，全球制造龍頭企業(yè)都則在悄然加速引入工業(yè)級(jí)增材制造裝備，用以賦能產(chǎn)品研發(fā)，保持企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。其中各行業(yè)排名靠前、注重研發(fā)投入的頭部企業(yè)表現(xiàn)得尤為顯著。例如在航空航天領(lǐng)域，GE航空使用3D打印制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴，與傳統(tǒng)制造方法相比，重量減輕了25%，零件數(shù)量減少了20個(gè)，提高了燃油效率和耐用性?？罩锌蛙?chē)?yán)?D打印制造飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和零部件。
在汽車(chē)行業(yè)，福特公司使用3D打印快速制造汽車(chē)零部件原型，從而大幅縮短新車(chē)開(kāi)發(fā)周期。寶馬使用3D打印技術(shù)制造復(fù)雜的金屬零件和輕量化結(jié)構(gòu)。在醫(yī)療領(lǐng)域，3D打印能夠根據(jù)患者的具體解剖結(jié)構(gòu)定制假肢和植入物，提供更好的匹配和舒適度。例如，Smith & Nephew公司使用3D打印技術(shù)制造定制髖關(guān)節(jié)植入物。史賽克（Stryker）利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)定制化的醫(yī)療植入物。在消費(fèi)品領(lǐng)域，耐克使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)鞋類(lèi)原型和定制鞋底。更有GE、HP、波音等大型跨國(guó)集團(tuán)，紛紛親自下場(chǎng)，通過(guò)投資、收購(gòu)等方式，布局3D打印賽道。
04. 關(guān)注長(zhǎng)期戰(zhàn)略?xún)r(jià)值，推動(dòng)更多創(chuàng)新應(yīng)用爆發(fā)
國(guó)內(nèi)3D打印在2023年度過(guò)了高速發(fā)展的一年。根據(jù)中信證券研報(bào)，2023年國(guó)內(nèi)3D打印融資案例38起，總?cè)谫Y額逾73.3億元，同比增長(zhǎng)28%。除了鉑力特二級(jí)市場(chǎng)定向增發(fā)，華曙高科IPO，包括摩方精密、江蘇威拉里等，均完成新一輪融資。2024年過(guò)半，一、二級(jí)市場(chǎng)投資環(huán)境整體低迷，各賽道景氣度下滑，3D打印行業(yè)也不例外。收縮的環(huán)境下，資金面對(duì)選擇時(shí)，更需要看長(zhǎng)遠(yuǎn)，下注有長(zhǎng)期戰(zhàn)略意義的板塊。3D打印的對(duì)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的戰(zhàn)略意義不言而喻。中國(guó)工程院院士盧秉恒表示，3D打印對(duì)新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展十分重要，“它具備高科技、高效能、高質(zhì)量的特征，是能夠帶來(lái)更大效益的先進(jìn)生產(chǎn)力”。
人類(lèi)歷史上數(shù)次產(chǎn)業(yè)變革都表明，制造業(yè)的變革是科技創(chuàng)新的基石，決定了工業(yè)更新迭代的速度，進(jìn)而影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)綜合競(jìng)爭(zhēng)力。在當(dāng)前環(huán)境下，我們急需深入制造業(yè)肌理，把脈微觀變化，洞見(jiàn)發(fā)展方向，把握變革機(jī)遇。增材制造誕生時(shí)間短卻極具顛覆性，對(duì)制造業(yè)創(chuàng)新、效率和可持續(xù)性產(chǎn)生廣泛的影響，有望成為啟動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的新引擎。若科技的發(fā)展因?yàn)榻?jīng)濟(jì)周期的波動(dòng)而遭遇中斷，錯(cuò)失產(chǎn)業(yè)升級(jí)的寶貴機(jī)會(huì)，那將會(huì)是時(shí)代的遺憾。
盡管當(dāng)前，我們并未完全沖破3D打印黑障期，增材制造之于中國(guó)制造的答案還未最終揭曉，這一技術(shù)還有巨大的發(fā)展空間，但過(guò)程已注定：唯有持續(xù)投入一條路。因?yàn)樵绞菣C(jī)會(huì)收縮，越要下注長(zhǎng)期戰(zhàn)略?xún)r(jià)值。讓政策、資本以及應(yīng)用的共振得以延續(xù)，讓創(chuàng)新在負(fù)重中繼續(xù)前行，才是帶領(lǐng)經(jīng)濟(jì)穿越周期、抵達(dá)未來(lái)的良方。
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