【印聯傳媒網訊】增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術是通過CAD 設計數據并采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)技術，是一種“自下而上”的材料累加制造方法。自20 世紀80 年代末，增材制造技術逐步發(fā)展，期間也被稱為“材料累加制造”、“快速原型”、“分層制造”、“ 實體自由制造”、“3D 打印技術”等。美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)F42國際委員會對增材制造給出了定義：增材制造是依據三維模型數據將材料連接制作物體的過程，相對于減法制造，它通常是逐層累加的過程。3D打印也常用來表示“增材制造”技術。狹義的3D 噴印是指采用打印頭、噴嘴或其他打印技術沉積材料來制造物體的技術，這些增材制造設備相對價格較低，總體功能較弱。

　　從更廣義的原理上來看，以三維CAD 設計數據為基礎，將材料(包括液體、粉材、線材或塊材等)自動化地累加起來成為實體結構的制造方法，均可視為增材制造技術。

　　增材制造技術不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設計數據在一臺設備上可快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現“自由制造”，解決許多過去難以制造的復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且越是結構復雜的產品，其制造的速度優(yōu)勢越明顯。近20 年來，增材制造技術得到了快速的發(fā)展，增材制造原理與不同的材料和工藝結合發(fā)展出了許多增材制造設備，目前已達到20 多個種類。這一技術在各個領域都獲得了廣泛的應用，如電子產品、汽車、航空航天、醫(yī)療、軍工、地理信息、藝術設計等。

　　增材制造(3D 打印)技術被認為是“一項將要改變世界的技術”。英國《經濟學人》雜志認為增材制造將“與其他數字化生產模式一起推動實現第三次工業(yè)革命”。2013 年麥肯錫發(fā)布“展望2025”，而增材制造被納入決定未來經濟的12 大顛覆技術之一。增材制造技術為我國制造業(yè)發(fā)展和升級提供了歷史性機遇。增材制造可以快速、高效地實現新產品物理原型的制造，為產品研發(fā)提供快捷技術途徑。該技術降低了制造業(yè)的資金和人員技術門檻，有助于催生小微制造服務業(yè)，有效提高就業(yè)水平，有助于激活社會智慧和資金資源，實現制造業(yè)結構調整，促進制造業(yè)由大變強。

　　(1)為創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)開拓了巨大空間。3D 打印適用于復雜形狀結構、多品種、小批量的制造以及眾多領域的應用。人們可以通過拓撲優(yōu)化設計及多材料制造功能梯度結構，最大限度地發(fā)揮材料的功能，為許多裝備設計和制造帶來顛覆性進步，使設計擺脫了傳統(tǒng)技術可制造性的約束，給創(chuàng)新設計釋放了巨大的空間。

　　(2)嶄新的生產組織模式為創(chuàng)業(yè)提供了無限商機。增材制造帶來集散制造的嶄新模式，即通過網絡平臺，實現個性化訂單、創(chuàng)客設計、制造設備，乃至資金的集成規(guī)劃與分散實施，這一生產模式可以有效實現社會資源的最大發(fā)揮，為全民創(chuàng)業(yè)和泛在制造提供技術支撐。

　　(3)促進學科交叉研究的革命性發(fā)展。發(fā)展微型冶金試驗平臺，應用于材料基因研究，創(chuàng)造新合金材料。可以通過細胞打印、組織工程，發(fā)展器官再造，通過建設干細胞試驗臺，快速、高效進行干細胞誘導試驗，發(fā)展基因打印，為生命學科發(fā)展提供躍進式發(fā)展。

　　(4)為我國制造業(yè)發(fā)展和升級帶來重大機遇。3D 打印是產品創(chuàng)新的利器，已經成為先進開發(fā)模式。而生產能力過剩，產品開發(fā)能力嚴重不足，是我國制造業(yè)發(fā)展的瓶頸。將3D 打印迅速在各個領域推廣應用，是發(fā)展高技術的服務業(yè)，實現制造業(yè)結構調整和促進制造業(yè)由大變強的重要手段。

　　國內外發(fā)展現狀及趨勢

　　1 、國外3D 打印發(fā)展現狀及趨勢

　　經過近30 年的發(fā)展，目前美國已經成為增材制造領先的國家。3D打印技術不斷融入人們的生活，催生出許多新的產業(yè)。人們可以用3D 打印技術自己設計物品，使得創(chuàng)造越來越容易。美國為保持其技術領先地位，最早嘗試將3D 打印技術應用于航空航天等領域。1985 年，在五角大樓主導下，美國秘密開始了鈦合金激光成形技術研究，直到1992 年這項技術才公之于眾。2002 年，美國宇航局(NASA)就研制出3D 打印機，能制造金屬零件。同年，美國將激光成形鈦合金零件裝上了戰(zhàn)機。為提高制造效率，美國人開始采用42kW的電子束槍，Sciaky 的3D 打印機每小時能打印6.8~18.1kg 金屬鈦，而大多數競爭者僅能達到2.3kg/h。美國軍工巨頭洛克希德· 馬丁公司宣布與 Sciaky 加強合作，用該公司生產的襟副翼翼梁裝備正在生產的F-35 戰(zhàn)斗機。目前，使用3D 打印鈦合金零件的F-35 已經進行了試飛。據估計，如果3000 多架戰(zhàn)機都使用該技術制造零部件，不僅大大提高“難產”的F-35 戰(zhàn)機的部署速度，而且還能節(jié)省數十億美元成本，如原本相當于材料成本1~2 倍的加工費現在只需原來的10% ;加工1t 重的鈦合金復雜結構件，傳統(tǒng)工藝成本大約2500 萬元，而激光3D 焊接快速成型技術的成本在130 萬元左右，僅是傳統(tǒng)工藝的5%。2012 年7 月，美國太空網透露，NASA 正在測試新一代3D 打印機，可以在繞地球飛行時制造設備零部件，并希望將其送到火星上。

　　世界科技強國和新興國家都將增材制造技術作為未來產業(yè)發(fā)展新的增長點加以培育和支持，以搶占未來科技產業(yè)的制高點。2012 年，美國提出了“重振制造業(yè)”戰(zhàn)略，將“增材制造” 列為第一個啟動項目，成立了國家增材制造研究院(NAMII)。歐盟國家認識到增材制造技術對工業(yè)乃至整個國家發(fā)展的重要作用及巨大潛力，紛紛加大支持力度。德國政府在2013 年財政預算案中宣布政府在《高技術戰(zhàn)略2020》和《德國工業(yè)4.0 戰(zhàn)略計劃實施建議》等綱領性文件中，明確支持包括激光增材制造在內的新一代革命性技術的研發(fā)與創(chuàng)新。澳大利亞政府倡導成立增材制造協(xié)同研究中心，促進以終端客戶驅動的協(xié)作研究。新加坡，將5 億美元的資金用于發(fā)展增材制造技術，讓新加坡的制造企業(yè)能夠擁有全球最先進的增材制造技術。日本政府在2014 年預算案中劃撥了40 億日元，由經濟產業(yè)省組織實施以增材制造技術為核心的制造革命計劃，以構建其完備的增材制造材料與裝備體系，提高其增材制造技術的國際競爭能力。2014 年6 月，韓國政府宣布成立3D 打印工業(yè)發(fā)展委員會，批準了一份旨在使韓國在3D 打印領域獲得領先地位的總體規(guī)劃，其目標包括到2020 年培養(yǎng)1000 萬創(chuàng)客(Maker)，針對各個層次的民眾制訂相應的3D打印培訓課程，以及為貧困人口提供相應的數字化基礎設施。可以說，增材制造技術正在帶動新一輪的世界科技和產業(yè)發(fā)展與競爭。

　　美國專門從事增材制造技術咨詢服務的Wohlers 協(xié)會在2015 年度報告中對行業(yè)發(fā)展情況進行了分析。2014 年增材制造設備與服務全球直接產值為41.03 億美元，2014年增長率為35.2%，其中設備材料為19.97 億美元，增長31.6%;服務產值為21.05 億美元，增長38.9% ;其發(fā)展特點是服務相對設備材料增長更快。在增材制造應用方面，工業(yè)和商業(yè)設備領域占據了主導地位，然而其比例從18.5% 降低到17.5%;消費商品和電子領域所占比例為16.6%;航空航天領域從12.3% 增加到14.8% ;機動車領域為16.1% ;研究機構占8.2%，政府和軍事領域占6.6%，二者較2013 年均有所增加;醫(yī)學和牙科領域占13.1%。在過去10 年的大部分時間內，消費商品和電子領域始終占據著主導地位。目前，美國在設備擁有量上占全球的38.1%，居首位;日本占第二位;中國于2014 年趕超德國，以9.2% 列第三位。在設備銷售量方面，2014 年度美國增材制造設備產量最高，中國次之，日本和德國分別位居第三和第四位。

　　2 、國內3D 打印發(fā)展現狀

　　自20 世紀90 年代初，在國家科技部等多部門持續(xù)支持下，西安交通大學、華中科技大學、清華大學、北京隆源公司等在典型成形設備、軟件、材料等方面的研究和產業(yè)化獲得了重大進展[2]。隨后國內許多高校和研究機構也開展了相關研究，到2000 年初步實現了設備產業(yè)化，并接近國外產品水平，改變了該類設備早期依賴進口的局面。在國家和地方的支持下，全國建立了20 多個服務中心，設備用戶遍布醫(yī)療、航空航天、汽車、軍工、模具、電子電器、造船等行業(yè)，推動了我國制造技術的發(fā)展。但是，我國3D 打印技術主要應用在工業(yè)領域，沒有在消費品領域形成市場;在產業(yè)化技術發(fā)展和應用方面落后于美國和歐洲;在技術研發(fā)方面，我國增材制造裝備的部分技術水平與國外先進水平相當，但在關鍵器件、成形材料、智能化控制和應用范圍等方面較為落后。我國增材制造技術主要應用于模型制作，在高性能終端零部件直接制造方面還具有非常大的提升空間。例如，在增材的基礎理論與成形微觀機理研究方面，我國只開展了一些局部相關研究，但國外的研究更基礎、系統(tǒng)和深入;在工藝技術研究方面，國外是基于理論基礎的工藝控制，而我國則更多依賴于經驗和反復的試驗驗證，導致我國增材制造工藝關鍵技術整體上落后于國外先進水平;材料的基礎研究、制備工藝以及產業(yè)化方面與國外相比存在相當大的差距;部分增材制造工藝裝備國內都有研制，但在智能化程度方面與國外先進水平相比還有差距，我國大部分增材制造裝備的核心元器件還主要依靠進口。在市場化普及方面，國民的技術認知度低，大部分人不了解這一技術和作用。我國在增材制造產業(yè)上沒有形成系統(tǒng)的產業(yè)鏈。增材制造技術涉及前端的三維CAD 設計、新材料和下游的應用技術等，這些領域的研發(fā)缺失很大，企業(yè)應用程度低。這些因素導致我國難以形成強有力的產業(yè)化發(fā)展，另一反面也制約了創(chuàng)新能力的提升。

　　近5 年來，增材制造技術在美國和我國取得了快速的發(fā)展，主要的引領要素是低成本增材制造設備社會化應用、金屬零件直接制造技術在工業(yè)界的應用、基于增材制造的各種生物材料及生物學結構的制造技術等。我國金屬零件直接制造技術的研究與應用已達到國際領先水平，例如北京航空航天大學、西北工業(yè)大學和北京航空制造工程研究所制造出大尺寸金屬零件，并應用在新型飛機研制過程中，顯著提高了飛機研制速度。北京航空航天大學王華明教授以此方面的研究與應用獲得2012 年國家技術發(fā)明一等獎。華中科技大學史玉升教授以大尺寸激光選區(qū)燒結設備研究與應用獲得2011 年國家技術發(fā)明二等獎。西安交通大學李滌塵教授以個性化顱頜面骨替代物設計制造技術及應用獲得2104 年國家技術發(fā)明二等獎。

　　增材制造技術代表著生產模式和先進制造技術發(fā)展的一種趨勢，即產品生產將逐步從大規(guī)模制造向個性化制造發(fā)展，以滿足社會多樣化需求。雖然增材制造目前僅占全球制造業(yè)市場0.02%，但其間接作用和未來前景難以估量。增材制造的優(yōu)勢是制造周期短、適合單件個性化制造，可實現大型薄壁件、鈦合金等難加工易熱成形零件、結構復雜零件制造。該技術與設備在航空航天、醫(yī)療等領域，在產品開發(fā)、計算機外設和創(chuàng)新教育上具有廣闊發(fā)展空間。

　　增材制造技術相對傳統(tǒng)制造技術還面臨許多新挑戰(zhàn)和新問題。目前增材主要應用于產品研發(fā)，還存在使用成本高(10~100 元/g)、制造效率低的問題，如金屬材料成形為100~3000g/h，制造精度不能令人滿意。另外，其工藝與裝備研發(fā)還不充分，尚未進行大規(guī)模工業(yè)應用。增材制造應與傳統(tǒng)技術優(yōu)選、集成，形成

　　新的增長點，并加強研發(fā)、產業(yè)培育，擴大應用，通過形成協(xié)同創(chuàng)新的運行機制，積極科學推進，使之從產品研發(fā)工具走向批量生產模式，以技術引領應用市場發(fā)展，改變人們的生活。

　　增材制造技術經過二三十年的探索、研究和改進，目前正處于承上啟下的發(fā)展階段，一方面期待新的技術突破，提高增材制造在材料、精度和效率上的要求;另一方面則是基于現有技術的新應用，擴寬增材制造技術的應用范圍和應用方式。前者可能的發(fā)展方向是具有高效、并行、多軸、集成等特征的新型增材制造技術;而后者的應用范圍有生物、醫(yī)療、航空航天、汽車、建筑、雕塑、教育，甚至是人們的日常生活，這些新興應用領域的擴展，將使增材制造技術與裝備由通用型向專用型發(fā)展，如細胞三維打印技術與裝備、組織工程支架三維打印技術與裝備等。

　　存在問題

　　技術的進步將不斷啟發(fā)人們開發(fā)新的業(yè)務和應用，不斷開發(fā)和引導人們的潛在需求。產業(yè)內的企業(yè)在進行一項創(chuàng)新活動的計劃時，首先考慮市場是否有巨大的需求潛力。這個過程包括選擇適當的經營領域(即選擇環(huán)境)，同時也包括對自身技術水平的思考，以滿足新產品和市場需求。3D 打印技術產業(yè)化推進過程中遇到的主要問題是：

　　(1)產學研用錯位競爭，嚴重脫離，沒有形成有效的創(chuàng)新產業(yè)鏈。3D 打印技術是一項新興技術，在其向新興產業(yè)轉化的過程中，現在仍是以技術研發(fā)推動為主，市場需求拉動下的應用研發(fā)為輔，其技術研發(fā)仍是重中之重。企業(yè)不可能將基礎研究與共性技術研發(fā)作為自己的發(fā)展領域，而現在高校與科研單位更多的是與企業(yè)聯合共同開發(fā)3D 打印技術，整個3D 打印技術的產學研模式需要確立，誰主導基礎科學，誰主導共性技術，誰主導應用研究都需要政府深思熟慮，以營造一個良好發(fā)展的產學研創(chuàng)新體系。

　　(2)3D 產業(yè)鏈發(fā)展不均衡。3D打印產業(yè)鏈涉及上、中、下游很多項技術和產業(yè)，但就目前而言，主要在

　　航空航天、汽車、生物醫(yī)藥等產業(yè)開始應用，其他諸如新材料、軟件行業(yè)、控制技術、激光器和掃描技術、文化創(chuàng)意等都還未形成產業(yè)雛形，這將制約3D 打印全產業(yè)鏈的推進。如果對于其他薄弱的環(huán)節(jié)進行有意識的引進、融合，那么將有助于3D 打印產業(yè)化的實施。

　　(3)政府的政策、制度等配套保障體系不完善。建設一條完整3D打印產業(yè)鏈需要一個良好的社會環(huán)境來保障，而這個保障者就是政府。政府通過對創(chuàng)新產生、擴散和利用等活動的推動作用來促進整個產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，創(chuàng)新系統(tǒng)一方面需要產學研各創(chuàng)新主體的交互作用;另一方面需要政府、中介、金融等部門的聯動效應。國家還需要對其政策保障體系進行完善，投入資金用于共性技術研發(fā)，需要完善和落實供應側政策的同時也要開始考慮需求側政策，如是否要加大對知識產權、安全隱私的保護措施，是否健全監(jiān)管制度體系，進一步加強監(jiān)管機構中人、財、物的投入，積極調動各方形成監(jiān)管合力等。

　　關鍵技術

　　(1)智能化增材制造裝備。增材制造裝備是高端制造裝備重點方向，在增材制造產業(yè)鏈中居于核心地位。增材制造裝備制造包括制造工藝、核心元器件和技術標準及智能化系統(tǒng)集成。面向裝備發(fā)展需求，應重

　　點研究裝備的系統(tǒng)集成和智能化，包括：多材料、多結構、多工藝增材制造裝備;增材制造數據規(guī)范與軟件系統(tǒng)平臺;材料工藝數據庫建設與裝備的智能控制;增材制造裝備關鍵零部件及系統(tǒng)集成技術。

　　(2)增材制造材料工藝與質量控制。增材制造的材料累積過程對構件成形質量有重要影響，主要體現在零件性能和幾何精度上。為保證制造質量，需要不斷研發(fā)面向增材制造的新材料體系;通過材料、工藝、

　　檢測、控制等多學科交叉，提升制件質量。研究內容包括：面向增材制造的新材料體系;金屬構件成形質量與智能化工藝控制;難加工材料的增材制造成形工藝;增材制造材料工藝的質量評價標準。

　　(3)功能驅動的材料與結構一體化設計。增材制造因其降維和逐點堆積材料的原理，給設計理論帶來了新的發(fā)展機遇。一方面突破了傳統(tǒng)制造約束的設計理念，為結構自由設計提供可能，另一方面超越傳統(tǒng)均

　　質材料的設計理念，為功能驅動的多材料、多色彩和多結構一體化設計提供新方向。研究內容包括：功能需求驅動的宏微結構一體化設計;多材料、多色彩的結構設計方法與智能化制造工藝集成;面向增材制造工藝的設計軟件系統(tǒng)。

　　(4)生物制造。增材制造技術與生物醫(yī)學結合形成了新的學科方向——生物制造(Biofabrication)。它是制造、材料、信息和生命科學的交叉融合，目標是為生物組織從細胞和生物材料向有形大結構組織和器官發(fā)展提供結構載體;研發(fā)定制化組織器官及其替代物，發(fā)展新興產業(yè)，為人類健康服務。重點研究包括：個性化人體組織替代物及其臨床應用;人體器官組織打印及其與宿主組織融合;體外生命體組織仿生模型的設計與細胞打印。

　　(5)云制造環(huán)境下的增材制造生產模式。發(fā)揮并利用全社會智力和生產資源是未來社會形態(tài)變革的方向，增材制造正是促進這一社會模式形成的技術動力。新一代生產模式趨向于集散制造發(fā)展，實現工藝、數據、報價統(tǒng)一，形成眾創(chuàng)、眾包、眾籌的運作方式。因此，需要技術和管理的集成創(chuàng)新，需要開展制造學科與管理學交叉融合的研究與應用實踐。主要研究包括：增材制造技術與傳統(tǒng)制造工藝的技術集成;增材制造服務業(yè)對社會化生產組織模式變化的影響;效益驅動的分散增材制造資源與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)的動態(tài)配置;分散社會智力資源和增材制造資源的快速集成。

　　結束語

　　增材制造技術正在成為一項對未來科技和產業(yè)發(fā)展具有重要影響的技術。黨和國家要求對3D 打印必須高度重視，密切跟蹤，迎頭趕上，要緊緊抓住和用好新一輪科技革命和產業(yè)變革的機遇，不能等待，不能懈怠，抓緊實現產業(yè)化。需要從戰(zhàn)略高度認識將3D 打印作為一項重大的、標志性的新興產業(yè)重點培育，在政策、資金、人才等多方面給予支持，促進創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)發(fā)展，為我國制造業(yè)的轉型提供創(chuàng)新的利器。

責任編輯：魏盼