李方正

當(dāng)前，伴隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的歷史性交匯，以增材制造（Additive Manufacturing，AM）為代表的先進(jìn)制造技術(shù)正獲得突破性進(jìn)展，成為越來越多企業(yè)產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)轉(zhuǎn)型的方向，用于突破研發(fā)瓶頸或解決設(shè)計難題，助力智能制造等新型制造模式。世界工業(yè)強(qiáng)國紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略和具體措施助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展，力爭搶占未來科技和產(chǎn)業(yè)制高點。我國高度重視增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，《中國制造2025》、《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》、《智能制造工程實施指南（2016—2020））》、《工業(yè)強(qiáng)基工程實施指南（2016-2020）》等發(fā)展規(guī)劃及實施方案將增材制造裝備及產(chǎn)業(yè)作為重要發(fā)展方向之一，以期推動產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。

隨著增材制造工藝裝備、專用材料、關(guān)鍵部件的技術(shù)突破以及服務(wù)模式的成熟，必將帶動產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用程度的加深，推動智能制造、產(chǎn)品設(shè)計和生命科學(xué)領(lǐng)域的新一輪創(chuàng)新。增材制造產(chǎn)業(yè)已迎來了重大發(fā)展機(jī)遇期，仍將處于高速增長期，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

一、全球增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

增材制造俗稱3D打印，是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料，按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造活動。增材制造技術(shù)源于20世紀(jì)80年代美國科學(xué)家Charles Hull發(fā)明的光固化（SLA）技術(shù)，Charles Hull于1986年成立了3D Systems公司并在同年發(fā)布了全球第一款商用3D打印機(jī)，開啟了增材制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。此后，美國涌現(xiàn)出多家增材制造公司，增材制造產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。但在之后的近20年，由于技術(shù)不成熟，利用增材制造技術(shù)工藝只能打印一些強(qiáng)度低、精度差的塑料模型，導(dǎo)致人們對其可靠性產(chǎn)生懷疑，致使增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入低谷。隨著2008年英國巴恩大學(xué)的Adrian Bowyer等人發(fā)布3D打印項目RepRap1.0系列“Darwin”3D立體打印機(jī)，實現(xiàn)了增材制造設(shè)備的自我復(fù)制，同年，Objet推出Connex500，使得多材料增材制造成為可能。此后，增材制造產(chǎn)業(yè)重新進(jìn)入高速發(fā)展階段，一大批企業(yè)進(jìn)入此領(lǐng)域。

目前，全球增材制造的產(chǎn)業(yè)化尚處于起步階段，據(jù)Wohlers Associates統(tǒng)計顯示，2014年全球增材制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達(dá)到41.03億美元，增長逾10億美元，同比增長35.2%，是全球增材制造產(chǎn)業(yè)在過去的18年中增速最快一年。2015年全球增材制造產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值已經(jīng)接51.65億美元，同比增長24.9%，繼2014年后連續(xù)第2年增長達(dá)10億美元，過去27年中，全球增材制造產(chǎn)業(yè)的年復(fù)合增長率（CAGR）為26.2%，其中，2012-2014年的CAGR高達(dá)33.8%。詳見圖1。

但由于統(tǒng)計口徑及統(tǒng)計范圍不同，全球不同機(jī)構(gòu)對增材制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值的統(tǒng)計值差別極大。據(jù)全球權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司高德納咨詢（Gartner）預(yù)計，2015年全球3D打印市場僅為16億美元。而國際數(shù)據(jù)公司（IDC）則作出了更大膽的評估，在一份研究報告中指出，2015年全球3D打印支出接近110億美元，其中打印機(jī)和耗材占約一半，其余的是軟件和服務(wù)。

二、我國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

我國增材制造技術(shù)發(fā)展起步于20世紀(jì)90年代初，經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)具備了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，在部分領(lǐng)域形成了局部技術(shù)優(yōu)勢，突破了一批關(guān)鍵工藝技術(shù)和裝備，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程明顯加速，行業(yè)應(yīng)用不斷拓展和深化。

一是產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速。據(jù)中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟不完全統(tǒng)計，2016年上半年，我國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超30億元，同比增長50%以上，產(chǎn)業(yè)規(guī)模實現(xiàn)了較快增長。涌現(xiàn)出杭州先臨三維科技股份有限公司、西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司（以下簡稱“西安鉑力特”）陜西恒通智能機(jī)器有限公司、湖南華曙高科技有限責(zé)任公司（以下簡稱“湖南華曙高科”）、武漢華科三維科技有限公司（以下簡稱“華科三維”）、北京太爾時代科技有限公司、廣州邁普再生醫(yī)學(xué)科技有限公司、青島三迪時空網(wǎng)絡(luò)科技有限公司等一批優(yōu)秀的企業(yè)，以及渭南高新區(qū)3D打印產(chǎn)業(yè)培育基地、安徽春谷3D打印智能裝備產(chǎn)業(yè)園等產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。

二是工藝技術(shù)水平提高。2015年以來，我國增材制造的工藝技術(shù)水平加速提升，工藝裝備、關(guān)鍵零部件等重要環(huán)節(jié)關(guān)鍵核心技術(shù)取得進(jìn)展。熔融沉積成形、光固化成形、激光選區(qū)燒結(jié)/熔化等一大批工藝裝備實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，部分增材制造工藝裝備已經(jīng)達(dá)到國際水平，如西安鉑力特激光成形技術(shù)公司近期研發(fā)的激光選區(qū)熔化裝備，在許多關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上已達(dá)到國際先進(jìn)水平。江蘇永年激光成形技術(shù)有限公司通過與武漢銳科光纖激光器技術(shù)有限責(zé)任公司合作，共同推動國產(chǎn)大中功率激光器在增材制造的推廣和應(yīng)用，現(xiàn)已完成金屬增材制造SLM配套國產(chǎn)激光器的研發(fā)和試制工作，已具備小批量生產(chǎn)的能力，進(jìn)入國內(nèi)首臺套的示范應(yīng)用，并交付用戶使用。華中科技大學(xué)研發(fā)的“智能微鑄鍛一體化”金屬增材制造技術(shù)，實現(xiàn)了增材、等材制造技術(shù)的融合，其產(chǎn)品的部分技術(shù)指標(biāo)和性能均穩(wěn)定超過傳統(tǒng)鑄件。廣東峰華卓立科技股份有限公司新開發(fā)出了陣列噴嘴（256/1024個）全自動砂型3D打印機(jī)PCM-800（AJ），打印的砂型各項參數(shù)接近國外水平。

三是專用材料取得初步進(jìn)展。金屬材料領(lǐng)域，飛而康快速制造科技有限責(zé)任公司通過采用感應(yīng)熔煉氣體霧化技術(shù)和高速氣流控制工藝，已經(jīng)有效實現(xiàn)粉末細(xì)化，解決了粉末粒徑粗大、粒度分布差異大等問題；已批量生產(chǎn)45μm以上的鈦合金粉末，0～45μm的鈦合金粉末已進(jìn)行試用，具備鈦粉60t/a的產(chǎn)能。中國科學(xué)院金屬研究所已經(jīng)研發(fā)出了多種牌號的鈦合金粉末和絲狀材料，開始批量生產(chǎn)。西北有色研究院所屬西安賽隆金屬材料有限責(zé)任公司引進(jìn)了國際先進(jìn)的鈦合金制粉設(shè)備，目前已經(jīng)開始鈦合金粉末的制備，向北京某航天企業(yè)供應(yīng)了激光選區(qū)熔化增材制造所需的細(xì)顆粒金屬粉末數(shù)百公斤，所產(chǎn)60～100μm的金屬粉末已經(jīng)供應(yīng)該院電子束增材制造使用。非金屬材料領(lǐng)域，湖南華曙高科在已開發(fā)尼龍及其復(fù)合材料基礎(chǔ)上，開發(fā)應(yīng)用PA6、碳纖維復(fù)合尼龍粉末材料等高性能工程塑料、光敏樹脂、鈦合金、鋁合金、鈷鉻合金以及陶瓷等特種材料。

四是行業(yè)應(yīng)用持續(xù)拓展深化。在航空航天、汽車、機(jī)械裝備等領(lǐng)域零部件模具開發(fā)成效顯著，例如北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司、湖南華曙高科等企業(yè)已成功將3D打印技術(shù)應(yīng)用于汽車零部件的研制開發(fā)，華科三維為玉柴的新產(chǎn)品六缸四氣門發(fā)動機(jī)的研發(fā)制作砂型，使其鑄件制造周期由原來的5～6個月縮短至20天以內(nèi)。在醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的探索方興未艾，國內(nèi)的3D打印牙齒、骨骼修復(fù)技術(shù)已經(jīng)成熟，并在各大骨科醫(yī)院、口腔醫(yī)院快速普及，華曙高科與醫(yī)療機(jī)構(gòu)合作已經(jīng)成功實施術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模擬等患者輔助臨床治療500多例，相關(guān)應(yīng)用技術(shù)已處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。廣州邁普應(yīng)用3D打印技術(shù)開發(fā)的硬腦膜產(chǎn)品——“睿膜”已獲得美國FDA、國家食品藥品監(jiān)督管理總局、歐盟CE的批準(zhǔn)，目前已應(yīng)用于近萬名患者的腦膜修復(fù)手術(shù)。

三、我國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題

盡管我國增材制造技術(shù)取得了長足進(jìn)步，但與先進(jìn)發(fā)達(dá)國家相比，仍處于產(chǎn)業(yè)化起步階段，在材料制備、市場培育、工藝裝備及關(guān)鍵零部件、標(biāo)準(zhǔn)制訂、創(chuàng)新平臺建設(shè)等方面還存在較大差距：

一是產(chǎn)業(yè)規(guī)模化程度低。2015年，我國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模不到全球規(guī)模（五十多億美元）的10%。增材制造企業(yè)總體上依然“小、散、弱”，國內(nèi)最大規(guī)模企業(yè)的銷售收入美國3D Systems公司銷售收入的1/25。我國的多數(shù)企業(yè)處于初創(chuàng)期，受制于技術(shù)研發(fā)周期長、應(yīng)用成本高等因素，自身盈利能力較弱，持續(xù)創(chuàng)新投入面臨較大的資金壓力，部分企業(yè)依靠政府補(bǔ)貼維持生存。

二是市場應(yīng)用面相對狹窄。當(dāng)前我國增材制造主要集中在航空航天、軍工等壟斷性行業(yè)以及醫(yī)療等高壁壘性領(lǐng)域，面臨市場和體制的雙重壁壘；在企業(yè)商用領(lǐng)域，一方面由于對中國消費市場對3D打印認(rèn)識不足，另一方面由于工業(yè)級3D打印機(jī)的昂貴成本和維護(hù)費用，使中小企業(yè)望而卻步，阻礙現(xiàn)有傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的改造升級，需要進(jìn)行較長時間的市場培育。

三是創(chuàng)新平臺建設(shè)缺失。2012年，由美國政府主導(dǎo)，國防部制造和裝備中心牽頭，組織企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和地方政府等100家單位聯(lián)合成立“國家增材制造創(chuàng)新中心”。但我國目前尚未建立起有效的增材制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺，高等院校、科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)各自為戰(zhàn)，合作研究的動力不足，產(chǎn)學(xué)研用密切結(jié)合的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)機(jī)制尚未有效形成。

四是專用新材料開發(fā)滯后。目前我國只開發(fā)出鈦合金、高強(qiáng)鋼等30余種金屬和非金屬材料，而且金屬材料成形品的物理性能不穩(wěn)定，鎳基合金、鈷鉻合金、光敏樹脂、耐高溫高強(qiáng)度工程塑料等尚不具備批量生產(chǎn)能力。而發(fā)達(dá)國家一家公司就能開發(fā)出幾十種，甚至上百種材料，如美國Stratasys公司有120余種增材制造專用材料，3D Systems公司也有60余種。此外，我國復(fù)雜承力構(gòu)件生產(chǎn)所用20～30μm的超精細(xì)鈦合金材料還基本依賴進(jìn)口，國外材料價格高昂，壟斷性強(qiáng)，設(shè)置了很多壁壘，制約了我國增材制造技術(shù)的推廣應(yīng)用。

五是裝備可靠性不高，關(guān)鍵零部件依賴進(jìn)口。目前，我國工業(yè)級增材制造裝備在環(huán)境溫度控制、工藝穩(wěn)定性等可靠性水平總體較低，除光固化成形、激光選區(qū)燒結(jié)成形等非金屬裝備和桌面3D打印機(jī)實現(xiàn)批量生產(chǎn)外，其他裝備均尚未實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，激光選區(qū)熔化成形、電子束選區(qū)熔化成形、大型高效無模鑄型等增材制造裝備仍需從德國、瑞典等國家進(jìn)口。此外，我國生產(chǎn)的增材制造裝備關(guān)鍵零部件性能與國外產(chǎn)品差距較大，高光束質(zhì)量激光器及光束整形系統(tǒng)、高品質(zhì)電子槍及高速掃描系統(tǒng)、大功率激光掃描振鏡、動態(tài)聚焦鏡等精密光學(xué)器件、陣列式高精度噴嘴/噴頭等嚴(yán)重依賴進(jìn)口。

六是標(biāo)準(zhǔn)體系尚未建立。歐美發(fā)達(dá)國家和地區(qū)非常重視增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)，早在2009年，美國就成立了標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會，在增材制造專用術(shù)語、專用材料、測試方法、過程控制和零件設(shè)計5個方面開展了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的制訂工作。2012年，美國又專門針對金屬增材制造，從材料、工藝裝備、資質(zhì)和認(rèn)證、建模和仿真等方面制訂了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但我國尚未建立起涵蓋設(shè)計、材料、工藝裝備、產(chǎn)品性能、認(rèn)證檢測等在內(nèi)的完整的增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系，無法從行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的角度消除用戶對增材制造產(chǎn)品在性能、質(zhì)量、尺寸精度、可靠性等方面的疑慮，嚴(yán)重制約了增材制造技術(shù)的推廣應(yīng)用。

四、促進(jìn)我國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑探究

我國需要從供給側(cè)發(fā)力、需求側(cè)牽引，促進(jìn)我國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

1.供給側(cè)層面

一是加大對增材制造專用材料、裝備及關(guān)鍵部件等重點領(lǐng)域攻關(guān)的財政支持力度。充分利用國家04專項、智能制造專項、技術(shù)改造等資金渠道，采用生產(chǎn)企業(yè)與用戶結(jié)合的方式，重點支持適用于激光選區(qū)燒結(jié)工藝的鈦合金、鋁合金、鎳基合金等微細(xì)金屬粉末材料，激光器、掃描振鏡、噴頭等關(guān)鍵部件以及復(fù)雜金屬零件高精度整體成形的增材/減材復(fù)合成形裝備、微滴噴射式大型高效砂型增材制造裝備、大型陣列式噴頭系統(tǒng)PCM無模鑄型增材制造裝備等。

二是加快建立完善增材制造標(biāo)準(zhǔn)化體系。依托全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，從基礎(chǔ)共性、關(guān)鍵技術(shù)到測試方法、質(zhì)量評價、軟件系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)服務(wù)，全面鋪開增材制造標(biāo)準(zhǔn)化工作；加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化的國際合作，積極對接國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）增材制造技術(shù)委員會、美國材料與試驗協(xié)會增材制造技術(shù)委員會（ASTM F42）、美國電氣和電子工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（IEEE-SA）等機(jī)構(gòu)，開展相關(guān)先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)化工作。加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的推廣與實施，培育第3方認(rèn)證機(jī)構(gòu)，加強(qiáng)對增材制造產(chǎn)品的檢驗與認(rèn)證的能力建設(shè)，促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作與行業(yè)緊密結(jié)合。

2.需求側(cè)層面

一是加大應(yīng)用推廣力度，引導(dǎo)行業(yè)加快整合。發(fā)揮中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的作用，聯(lián)合政府和行業(yè)資源，開展分領(lǐng)域的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用領(lǐng)域的研討會和對接會，搭建產(chǎn)業(yè)與政府、產(chǎn)業(yè)鏈上下游的對接通道，推動產(chǎn)業(yè)合作，加強(qiáng)生產(chǎn)企業(yè)和用戶需求對接，加快技術(shù)的推廣應(yīng)用。重點開展增材制造試點示范專項行動，開展分層級、分領(lǐng)域的試點示范活動，點面結(jié)合，協(xié)同推進(jìn)，引導(dǎo)和促進(jìn)社會力量及地方政府的投入，共同推進(jìn)增材制造技術(shù)的深度應(yīng)用，促進(jìn)我國增材制造產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。

二是加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用，加快關(guān)鍵共性技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。借鑒美國推進(jìn)增材制造的工作機(jī)制，結(jié)合《中國制造2025》的總體部署，建立國家增材制造創(chuàng)新中心，由高校、科研院所和骨干企業(yè)組成，分別為金屬增材制造、非金屬增材制造搭建共性技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用平臺，建立產(chǎn)學(xué)研用密切結(jié)合的協(xié)同機(jī)制，形成完整的材料、裝備、工藝、檢測、應(yīng)用體系。