3D打印制造技术发展趋势及对我国结构转型的影响

　　随着经济全球化和知识化进程日趋加快，制造业已从单纯的工业时代的离散型传统制造向全球化时代的绿色、智能型先进制造业转变。作为一项可能使全球制造业面目一新的新兴技术和第三次工业革命的重要标志，3D 打印制造技术发展迅速，并广受重视。3D 打印制造技术可能从根本上改变全球供应链，彻底影响全球制造业的生产方式，并对当前我国产业发展和结构转型造成深刻影响。

1 第三次工业革命与3D 打印制造技术

　　第三次工业革命也被称作新工业革命，美国著名未来学家杰里米·里夫金( Jeremy Ｒifkin) 所著《第三次工业革命: 新经济模式如何改变世界》一书中称，互联网与新能源的结合将会产生新一轮工业革命，使全球技术要素和市场要素配置方式发生革命性变化，这将是人类继19 世纪的蒸汽机和20世纪的电气化之后的第三次工业革命。第三次工业革命以光电效应和信息网络理论为基础，以“绿色能源”和“云技术”为基本标志。它将会深刻影响经济的生产方式，重组产业格局和竞争格局; 它也将深刻改变人们的生活方式和社会组织形式，并带动一系列的变革。第三次工业革命具有把绿色能源作为“血液系统”、把信息网络作为“神经中枢”、把“三维制造” ( 3D 打印) 作为生产模式的突破口、把“分布式”作为格局的重组特征。

　　3D 打印制造技术是指依据计算机的三维设计和三维计算，通过软件和数控系统将特制功能材料逐层堆积固化的成形制造技术，与过去通过零件拼装及切割、焊接技术制造产品的传统制造业有很大不同。它起源于上世纪80 年代出现的快速原型制造技术，也被称之为堆积制造、增材制造、增量制造，是生产模式在制造业发生的巨大变化，是一种全新的制造方式。2012 年英国《经济学人》杂志在《第三次工业革命》一文，以及由胡迪·利普森( Hod Lipson) 等所著《3D 打印: 从想象到现实》一书中，都将3D 打印制造技术作为第三次工业革命的重要标志，并指出尽管仍有待完善，但3D 打印技术市场潜力巨大，作为传统制造业向智能化、数字化制造业不断演进的阶段，其势必成为引领未来制造业趋势的众多突破之一，并推动新业态、新模式、新机制、新技术和新领军人物的异军突起。

2 国际3D 打印制造技术发展的趋势

　　2. 1 各国重视3D 打印制造技术的研发，美欧处于领先地位

　　美国在2009 年发布添加制造技术发展路线图，在2011 年出台“先进制造伙伴关系计划”，2012 年奥巴马在卡内基梅隆大学宣布创立美国“制造创新国家网络”计划，由美国联邦政府和工业部门共同出资10 亿美元，遴选出制造领域15 项前沿性、前瞻性的制造技术，成立15 个制造创新中心，以全面提升美国制造业竞争力。经过5 个多月的论证，“增材制造技术”被确定为首个制造业创新中心主题，并建立了“国家增材制造创新研究院”，同时在全国600 个国家实验室推动3D 打印技术的研发，意在未来的10 年时间替代世界50%左右的传统产品。欧洲研究人员和企业领导者也将添加制造技术视作一种重要的新兴技术，大学、企业和政府之间建立了多个添加制造技术联盟，有些甚至是跨国的联盟。此外，澳大利亚近期制定了金属3D 打印技术路线，南非正在扶持基于激光的大型3D 打印机的开发。

　　2. 2 3D 打印制造技术的工艺装备从高端昂贵向产品系列化、专业化、普及化方向发展，行业巨头正在加速崛起

　　装备是3D 打印制造技术的核心之一，目前欧美及日本在该领域处于世界领先水平，同时国际3D 打印装备制造业正处于迅速的兼并与整合过程中。在全球3D 打印机行业，美国3D Systems 和Stratasys 两家公司的产品占据了绝大多数市场份额，其中3DSystems 公司是全世界最大的快速成型设备开发公司，于2011 年11 月收购了3D 打印技术的最早发明者和最初专利拥有者Z Corporation 公司; Stratasys 公司于2011 年宣布与美国惠普公司合作生产3D 打印机，2012 年4 月与以色列著名3D 打印系统提供商Objet 宣布合并。在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有瑞典的Arcam 公司( 三维金属直接制造) 、德国的EOS 公司( 激光束三维制造)和荷兰的Shapeways 公司( 基于客户定制需求制造) 等。

　　2. 3 3D 打印制造技术的产业链形态正在形成，未来发展潜力巨大

　　随着信息、材料和生物领域技术的快速发展，3D 打印制造技术已在航空、航天、汽车、生物、电子等领域的器件制造过程中进行了验证性应用。据美国专门从事添加制造技术的技术咨询服务协会Wohlers发布的《Wohlers Ｒeport 2011》统计，全球3D 打印产业产值在1988—2010 年间保持着26%的年均增长速度，2010 年3D 打印制造的全球产业规模为20 亿美元左右; 并预计到2020 年，市场规模将达到108 亿美元。就全球的装机数量而言，北美和欧洲分别占全球装机数量的43% 和30%，亚太地区占23%。目前全球3D 打印制造技术发展速度较快，欧美国家已经逐步形成了包含材料制备、相关软件、工艺、装备、管理及创意服务和应用的相关产业链。预计在未来10 年，3D 打印制造技术的应用范围不断扩大，产业规模将会较快增长。

3 我国3D 打印制造技术发展现状

　　3. 1 我国已形成3D 打印制造技术的研发力量，并研发了3D 打印的相关工艺和装备

　　20 多年来，我国在多项科研计划中对3D 打印制造技术进行了持续支持，建成了华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室、西安交通大学快速制造国家工程研究中心，形成初步研发基础。其中，华中科技大学的选择性激光烧结技术在玉柴、东风汽车等公司的发动机钢铁缸盖等复杂铸件蜡模和砂型快速制造中进行了应用，提升了企业发动机的自主研发能力; 西安交通大学利用光固化成形方法制作飞机风洞模型，促进了飞机创新设计与开发;北京航空航天大学和西北工业大学利用激光烧结成形技术制造出钛合金飞机大型结构件，在C919 机头的样机/样件中得到了应用，并且北京航空航天大学王华明团队研发的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形”技术成果获得2012 年国家科技发明一等奖，代表着增材制造技术和重大装备高性能关键金属构件制造技术的国际战略竞争制高点。

　　3. 2 我国成立3D 打印技术产业联盟和技术创新中心，推动3D 打印技术在我国的产业化、市场化进程我国工业和信息化部积极推动3D 打印技术的产业化，并着手制定3D 打印技术发展路线图和中长期发展战略，推动3D 打印技术规范与标准制定。为推动我国3D 打印技术产业化、市场化进程，促进3D打印技术与传统制造技术的有机结合，2012 年10月，亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等科研机构及相关企业成立“中国3D 打印技术产业联盟”，从平台、标准、投融资等方面推进我国的3D 打印技术产业化。2013年3 月，中国3D 打印技术创新中心在南京成立，为积聚3D 打印技术上下游资源，引进和培育3D 打印技术及其产业化打下了良好的基础。

　　3. 3 我国在3D 打印制造技术研究开发和应用方面与国外还存在一定差距

　　截止2012 年底，全球大约1 /4 的3D 打印设备都在亚洲使用，其中，日本约占亚洲的一半，中国约占1 /4。这个趋势表明，3D 打印产品价值链的低端已经向亚洲移动，主要是3D 打印技术的应用，而非创新。同时，在我国整个3D 打印产业缺少龙头产业的带动作用，整体产业体量较小。另一方面，中国制造业还处于粗放形式，各个环节对3D 打印技术带来的冲击认识不足。此外，在装备制造和工艺控制方面，工艺控制、工艺稳定性、核心元器件等关键技术及产品有待突破; 在材料制备方面，材料特性研究、材料制备装备开发有待加强; 在科研和产业化的组织方面，以企业为主体、产学研用相结合的组织模式需进一步完善。