3D列印將顛覆製造業，曾成為很多重塑產業發展擁躉的共同信仰。但是國內發展近十年，3D列印依然存在工業製造上的成本、效率難題。升華三維在尋找3D列印出路的迷途中，堅定地選擇了有別於主流的間接3D列印，即將3D列印與粉末冶金相結合的路子。
■ 本刊記者 / 蔣秋霞 來源：經理人傳媒旗下《經理人》雜誌
3D列印自從2013年在國內大火兩三年後，尤其在工業端的商業化應用方面，至今仍是「猶抱琵琶半遮面」的狀態。是什麼在掣肘3D列印在製造業的發展？在工業應用中備受國內企業青睞的金屬3D列印之外，是否還有其他路徑能夠撬動這塊市場呢？
深圳升華三維科技有限公司（簡稱「升華三維」）CEO吳敏正是其中一位主流金屬3D列印技術外的異見者。
職業生涯的「救命稻草」
中南大學粉末冶金研究院，被譽為國內粉末冶金專業的「黃埔軍校」。在此完成本碩連讀學業的吳敏，2013年畢業後直接進入深圳富士康工作，被應聘進入材料研發部門進行跟碩士研究方向一致的新材料開發。那時的他，萬萬沒有想到，這個新材料開發方向還沒開始就在公司內部給砍掉了。
2013年左右，3D列印在中國成為備受業界矚目的一種新技術路線。彼時，吳敏所在部門領導深受啟發，便提議讓粉末冶金出身的他對金屬3D列印技術及粉末製備進行調研。「那時候，我也是看到竟然有金屬3D列印（很震驚），再深入了解這個技術後，就像打開了一扇新的窗戶。」深耕多年，吳敏總結道，其實金屬3D列印就是粉末冶金的一個分支。
剛剛接觸3D列印時，吳敏簡直到了瘋魔的地步。在網上搜羅繁浩的資料一頁頁研究，甚至將自己到手的一大半工資都花費在購買研究3D列印的設備和材料上，從當時最簡單便宜和流行的熔融沉積成形（FDM）熔融擠出技術入手。「2013年的時候，這個東西還很貴，塑料3D列印的材料就需要300500元/卷/公斤。」但是，沉迷於此的吳敏顯然是樂在其中的，他分享說「經常會跟大學同學交流，3D列印很神奇，而金屬3D列印更是我們粉末冶金的未來，讓他們一定都要來關注。」
沒過多久，因為部門項目調整，吳敏已經被調往新的部門。領導指派他調研金屬3D列印的命令也有些不了了之，但是開始沉迷3D列印的吳敏，自己並沒有放棄研究的興趣，他一邊認真做好本職工作，一邊在業餘時間進行鑽研。受到專業研究方向被砍的打擊，以及深感不能在新部門充分發揮自己的專長，吳敏意識到「機緣巧合下，金屬3D列印就像（自己職業生涯的）一根救命稻草」。
恰好2013年2014年，3D列印概念在中國大火。而縱觀國內，彼時這個行業尚處於拓荒期。資本熱錢湧入，掀起一股投資熱，但實際來看，真正在從事實業的有技術沉澱的公司當時也尚在發展初期。比如至今被資本市場奉為「金屬3D列印龍頭」的科創板上市公司鉑力特才起步發展兩年，尼龍3D列印引領者華曙高科也還在摸索自己的技術路線。
「當時從富士康出來後，我就想著去金屬3D列印的公司積累經驗。但是當時深圳沒有本土的原創性的金屬3D列印公司，我只好去了塑料3D列印公司。」吳敏表示，「但是當時我內心非常確定自己的終極目標就是金屬3D列印。」
當時市面上已知的雷射金屬3D列印有「三大件」：雷射器、振鏡系統、操作軟體。「核心都主要在國外，而且價格都特別貴。列印尺寸在250mm×250mm×300mm的進口設備要到500多萬人民幣，列印的不鏽鋼材料每公斤就需要2000多元。」
從技術角度來看，吳敏認為，金屬3D列印一定存在有區別於高昂成本的雷射束列印路徑的其他技術路線。他跟自己粉末冶金專業的同學經常一起思考、討論，並且動手列印、摸索。在一次頭腦風暴中，吳敏意識到，塑料也屬於一種高分子材料，是否可以嘗試用塑料與金屬粉末摻雜後，用3D列印先給產品成形，然後再利用粉末冶金工藝進行燒結呢？
與主流的產品成形+性能直接一步到位的技術路線相比，吳敏提出的這種「兩步走」的方法顯然是「異類」。按照吳敏的說法，「這是一個新的技術路線，之前沒有人做過」。從往後的歷史來看，吳敏團隊琢磨出的這套新路徑，當年在國內屬於「第一人」，但其實國外也有公司發現了這條路線，只是技術尚未成熟，當時並未對外公布。
最後，吳敏儘管自己動手配置了材料，卻沒有燒結成功。又是一輪輪的技術復盤。這次，一位做金屬注射成型的同學提出，金屬注射成型使用的材料就是在一兩百度的溫度使材料擠出成型，然後再去脫脂燒結得到金屬製品。「我們馬上就按注射成型的材料來調整配方，那時候很簡陋，我們自己改裝的原型機，列印了一個生坯，然後交給同學去做後端處理。」
吳敏至今對列印這個原型產品的時間表記憶猶新：2015年11月，想到這種技術路線，並且開始實施；2016年2月底左右真正拿到燒結成功的樣品。但是他坦言「做出來的產品性能不好」。這時，他們第一次認真地反思：到底是材料配方原因導致產品性能不足，還是這種技術路線存在先天缺陷而被其他企業所拋棄呢？
經過一次次反覆更改配方、調整列印工藝和脫脂燒結的溫度等參數，吳敏團隊成功將產品的燒結緻密度從70%上升到80%，後續又上升到90%多。緻密度是評判3D列印的金屬製件中金屬性能的核心指標，一般而言，其數值越高，代表其金屬性能越好。足以媲美傳統機加工零部件的成績，讓吳敏相信「這條技術路線是可行的」。
但最後令吳敏下定決心的是其導師熊翔教授的認同和鼓勵。「熊老師說，金屬粉末冶金行業發展至今一直沒有找到一個新的創新點，我們這種路線就是粉末冶金與3D列印的好的結合。」
2016年，吳敏果斷選擇辭職創業，並且積極尋找天使投資。但是，國內資本界對這種異類的金屬3D列印路線並不買帳，「在國外都找不到對標的企業。」吳敏以及團隊前期只好利用自有資金繼續研發。直到2017年4月26日，他們迎來了轉機。這一天，有國內媒體報導，美國一家名為Desktop Metal （DM）的公司對外推出了兩款產品：DM Studio系統和DM 生產系統。
「其實他們的技術路線跟我們是完全一樣的，都是先成形然後再脫脂燒結。」吳敏興奮地表示，自己很激動，因為終於發現有同行了！也正是這個原因，吳敏再去找投資就順利多了。2017年5月，吳敏拿到天使輪，並於當年6月正式註冊公司——升華三維運營。
相同技術路線，不同命運
儘管終於正式開張運營了，但比起同行DM公司來說，升華三維捉襟見肘得多。
先來簡單了解下兩者主張的技術路線。
3D列印按照列印材料分類，主要包括金屬3D列印和非金屬3D列印。其中，前者的主流技術路線是雷射選區熔化（SLM）和電子束選區熔化（EBSM），後者則以FDM和光固化成形（SLA/DLP/LCD）為主。在金屬3D列印技術路線中，不管企業選擇何種列印方式，其根本技術路徑都是一次性實現產品的成形和性能，都屬於直接3D列印範疇。缺陷在於雷射器等設備價格高昂，可滿足工業化生產的列印材料有限。
吳敏提到的「新技術路線」實則是將上述兩種不同技術路徑的優勢互補，3D列印跟粉末冶金相結合，升華三維將其命名為「粉末擠出列印（PEP）」技術，是一種間接3D列印路線。「當時在國內外，金屬（3D列印）沒有直接跟間接的區別，也是我們開始提出來。現在，這已經變成一個主流認可的名詞。」
升華三維與DM的相同之處在於，將金屬3D列印中的「列印」過程分為列印和處理（包括脫脂、燒結、後表面處理等）兩個環節。從這個層面講，3D列印更像粉末冶金環節中的一個生產環節，主要負責將金屬粉末跟塑料、粘合劑融合的原料逐層列印成形的生坯。真正考驗產品性能的關鍵在於後續的處理也就是粉末冶金環節。間接3D列印技術路線，是一個跨學科的創新，各工藝流程之間是一個強耦合的關係。「其中有許多的Know How在裡面，很多人認為這個技術路線很簡單，就衝進來，但後續往往卡在材料配方和脫脂燒結方面。這也是為什麼我們和DM的團隊背景都多在粉末冶金領域。」
目前來看，DM比升華三維在技術布局上要更全面，它將創成式設計、3D列印、脫脂燒結及模擬仿真都有機結合在一起。但升華三維團隊的優勢在於對列印材料的研發和掌控能力。比如其最新研發的雙噴嘴3D印表機，能夠實現金屬和陶瓷等兩種不同性能材料的複合列印，這是SLM技術目前達不到的。
此外，在發展速度和規模上，升華三維與DM也截然不同。
公開資料顯示，DM公司成立於2015年10月，主力團隊來自麻省理工學院（MIT）材料科學的教授。這家公司在2017年C輪融資時估值達到10億美金，媲美當時的Uber，並且不乏名聲顯赫的投資者，諸如寶馬、福特、通用電氣、Alphabet、勞氏（Lowe's）。目前，DM累計融資高達4.38億美金，用DM金屬3D列印出的零部件已經在寶馬電動汽車車型中被應用。
2020年8月27日外媒報導稱，Desktop Metal已經同意與Trine Acquisition Corp合併，將在紐交所上市，股票代碼為「DM」。上市後，DM將籌集最多5.75億美元的投資，估值為25億美元左右（約合170億人民幣），成為金屬3D列印估值最高的獨角獸企業。
「現在我們還處於生存階段。」吳敏表示，「DM從創立之初，他們就是瞄準工業製造去的，產品設計是一整套非常商業化的玩法。寶馬、福特等客戶對產品的應用也有利於形成良好的循環。」但是，這在當下的中國顯然還行不通。在吳敏看來，制約金屬3D列印在中國發展速度的最根本原因在於成本。與傳統的機加工以及人工成本相比，金屬3D列印的成本在中國遠遠高於這個成本。這也意味著，它在中國的應用市場局限於對成本不是那麼敏感的航空航天、醫療等領域。從國內整個金屬3D列印在工業端應用發展的十年時間來看，亦是如此。
2020年11月29日，國家增材製造創新中心主任，中國增材製造標準化技術委員會主任，中國工程院院士盧秉恆在「中國（長沙）增材製造產業發展與技術應用分論壇」上提到，3D列印的一個優勢就是實現輕量化。他表示：「航空航天、軌道交通、汽車都需要輕量結構，而3D列印可以優化設計，也可以用不同的材料做成一個零件，可以大大減輕重量。」並且指出，對太空製造來說，3D列印是非常理想的手段。
其實從產品性能來看，SLM類的金屬直接3D列印產品緻密度高、硬度及屈服強度高，但延展性和疲勞強度差，產品安全性及綜合使用壽命受到嚴重影響；而金屬間接3D列印產品延展性好、疲勞強度高，具有強大的加工硬化能力。此前，備受詬病的產品強度和燒結緻密度低等問題在近兩年都得到很好的解決，同時，研究發現產品孔隙率並不對高周疲勞性能造成不利影響。
以升華三維為例，其公開發布的一組產品性能數據在某些方面已經處於世界級領先水平（如上圖表所示）。但成本大關依然是攔路虎。從國外備受追捧的DM進入中國的進程也可見一斑。直到2018年6月7日，DM才聯合國內獨家代理商發布第一款產品。兩年多過去，代理商官網也只有這一款產品，並且它的主要用戶是設計工程師，客戶多面向高職類院校、高等院校、研究所/院等。
但整體發展來看，國外以DM為代表的走間接金屬3D列印路線的企業數量在增多，並且在細分技術上也衍生出多條差異化方向。吳敏介紹，國內前兩年也有模仿升華三維的同行，但現在都消失了。作為國內間接金屬3D列印的深度擁躉，升華三維的確是個金屬3D列印中的異類。吳敏感慨：「公司的發展還是偏慢了。目前我們主要還是在做技術普及跟推廣的工作。」
為什麼如此堅持這條孤單之路呢？
吳敏解釋，這是基於金屬3D列印在未來製造業中發展的判斷。尤其與目前主流的直接金屬3D列印路徑相比，升華三維選擇的技術路線在單個金屬製件平均成本下降空間大，而且通過3D列印工藝和效率的提升，能夠保持產品性能的同時，實現進一步成本優化。「同樣列印尺寸的金屬3D印表機，比如說250mm×250mm×250mm，他們要到180~300萬左右，但是我們就20萬~30萬；同樣尺寸的金屬製件，成本只有直接3D列印的五分之一到十分之一。」
但是真正要實現工業端的商業化規模應用，包括升華三維主張的間接3D列印技術在內，整個3D列印尚還需要走很長一段路。對升華三維來說，至少目前來看，他們在產品開發和營收上都走得比較穩。
2020年11月和12月，升華三維為國內某些高校研發定製的大尺寸獨立雙噴頭3D列印設備陸續發貨；與國內研究所就軍工領域的合作也正式進入軌道；跟國內汽車廠商也在零部件開發上進行深入對接；2020年營收比前一年翻了兩番