为什么要发展增材制造？

    一、增材制造发展的背景环境

 

    自2008年国际金融危机以来，以美国、欧盟为代表的西方发达国家开始积极寻找摆脱经济危机的方法，并重新审视实体经济和虚拟经济之间的关系。这些发达国家纷纷调整经济发展战略，提出“再工业化”概念，希望通过重振制造业来拉动经济复苏，保持发达国家在核心科技领域的优势，重塑国家竞争力。以美国为例，2009年以来先后制定出台了《重振美国制造业框架》、《制造业促进法案》、《先进制造伙伴（AMP）计划》和《先进制造业国家战略计划》，如图1所示，，从国家战略层面提出加快创新、促进美国先进制造业发展的具体建议和措施。

 

 

图1 美国先进制造政策里程碑

 

    2012年3月，奥巴马宣布实施投资10亿美元的“国家制造业创新网络”计划（NNMI），遴选出制造领域15项前沿性、前瞻性的制造技术，并建立制造业创新中心，全面提升美国制造业竞争力。同年4月，增材制造技术（也被称为3D打印）被确定为首个制造业创新中心；8月，总投入达7000万美元的国家增材制造创新中心（National Additive Manufacturing Innovation Institute）在俄亥俄州小城扬斯顿市剪彩成立。作为首个“样板示范”中心，国家增材制造创新中心是由产业界、学术界、联邦政府及州政府三方成员共同组成的公—私合作联盟，致力于增材制造技术和产品的开发，并成为新技术研究、开发、示范、转移和推广的基础平台。目前，中心成员已超过84家，其中包括波音、通用电气、霍尼韦尔、3M、3D System、Stratasys、阿勒格尼技术、拜耳材料科学等全球知名公司，卡内基-梅隆大学、阿克隆大学、MIT林肯实验室等全球知名研究机构，以及美国宇航局、能源部、教育部等美国政府部门。由此可见，增材制造不单单被认为是一项新兴技术，它同其他先进制造技术一起承载了美国重振制造业的希望，是美国实现先进制造业国家战略的技术保障。奥巴马总统在2013年和2014年的国情咨文演说中均谈到了增材制造的重要性，他指出“3D打印可以革新我们几乎任何东西的制造方法”，“我们现在有机会在下一轮高技术制造业岗位竞争中战胜其他国家。我们已经在罗利和扬斯敦开始运行高技术制造业中心（国家增材制造创新中心），把商业和研究型大学联系起来，帮助美国引领世界先进技术的发展。”

 

    随着美国政府强力推动增材制造的发展，美国民间的制造商协会、咨询公司、学者与媒体也纷纷发布报告或撰文，进行舆论宣传，营造良好的社会环境。2012年3月，美国国防部防务分析研究所（IDA）发布了题为“增材制造业：现状与机遇”的研究报告，全面介绍了增材制造的现状和关键技术的研究进展，面临的技术挑战，和政府应发挥的作用。同年4月，英国《经济学人》（The Economist） “第三次工业革命”（A third industrial revolution）专刊，通过7篇短文对制造业未来的发展趋势进行了展望，认为增材制造将“与其他数字化生产模式一起推动、实现第三次工业革命”。8月，高德纳（Gartner）公司发布的《高德纳2012年新兴技术炒作周期》报告认为综合了数字建模、材料与化学、自动化控制、信息技术等多方面知识的增材制造技术将彻底颠覆现有生产和商业模式。其制造方式跟打印数字相片相似，允许客户在家里面打印实体物件。结合3D 扫描技术，将可通过智能手机扫描特定对象，然后打印出相近的复制品。这项技术已经从技术萌芽期发展到期望膨胀期，与大数据一起成为当今最受市场关注的新技术之一。而生物三维打印也将在10年后达到期望膨胀期高点（见图2）。短期内大幅度的媒体曝光引爆了全球对此技术的关注，使得增材制造在全球迅速升温，如图3所示。继美国之后，欧洲及其他国家也在积极推动增材制造技术的研发及应用推广。英国、德国、加拿大、日本、澳大利亚、新加坡等国相继开始设立增材制造技术研究中心，建立大学、企业和政府之间的增材制造联盟，提供研究资金支持大型项目合作，制定增材制造路线图及相关标准，以促进本国增材制造技术的研发及产业化应用，抢占战略制高点。

 

 

 

   图2 高德纳2012年新兴技术炒作周期

 

    二、发展增材制造的意义

 

    1.为什么增材制造受到设计者、制造者和消费者的关注？

 

    增材制造是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术，以数字化模型文件为基础，通过软件与数控系统将特制材料逐层堆积固化，制造出实体产品的制造技术。它与传统的，对原材料进行切削、组装的加工模式不同，是通过材料累加的原理，从无到有地制造产品的新型技术工艺。也正是由于增材制造的这种技术特点，使得它受到全球的广泛关注，将有可能给传统的制造业来带一系列深刻的变革。

 

    第一，新的生产模式。作为一种“无需工具”的数字化制造技术，增材制造将有可能改变某些产品的生产模式，给企业和消费者带来巨大的经济和社会效益。目前大型工厂的生产需要众多的机器、大量专业设计与加工技术人员才能实现。而对于增材制造来说，设计师将不需在工厂工作，在家中就可以把设计好的数字化文件发送到网络上，客户通过文件下载，利用3D打印机制造出符合需求的产品。这将实现生产模式的根本变革，从传统制造业的批量化、规模化、标准化制造转变为定制化、个性化、分布式制造（见图3）。

 

 

图3 增材制造服务流程

 

    第二，新的设计理念。由于增材制造技术是通过层层堆积的方式来进行生产，可以制造出形状高度复杂的产品。这使得过去受到传统加工方式的约束，而无法实现的复杂结构制造变为可能。这将大大简化产品设计，提高零部件的集成度，加快产品开发周期。例如对于航空航天领域来说，可以通过优化产品的几何形状来降低零部件重量，以此改进强度-重量比，降低燃料消耗。还可以通过多种材料局部区域的组分调节，实现单一零件的多功能化（即零件的不同部位实现不同的力学性能），以满足实际需求。同时，由于不涉及熔炼、锻造、机加工等工序，增材制造可以使产品的研发周期缩短了30%-50%，明显缩短产品的开发成本与周期。

 

    第三，新的商业模式。随着数字技术的发展，增材制造与互联网结合起来还将使得消费者直接参与到产品生命周期当中，从最初的设计过程、到生产制造、再到后期产品的维修，并借助网络实现数字化文件的共享和交易。这大大规避了传统制造业和零售业的价值链，刺激了新的产品设计模式、销售商业模式和供应链管理模式的产生，使相关企业受益（图4）。消费者的参与一方面将大幅度提升企业的创新能力与研发实力，使创新边界得以延伸，另一方面使产品更容易适应市场需求，降低业务风险。

 

 

图4 增材制造对传统供应链的冲击示意图