为什么要发展增材制造？

    第四，实现个性化产品制造。由于具有“自由设计”和“无需工具”的优点，增材制造将使得商业化个性制造成为可能，从运用X线电子计算机断层扫描（CT）和核磁共振成像（MRI）扫描数据打印出百分百符合患者需求的植入物，到个性化的消费品如鞋子、珠宝和家庭用品。随着科技的进一步发展，利用增材制造技术还可以直接打印活体组织，制造出符合人体需求的人工器官，实现人工器官的再造将给现代医学带来一次革命性的变革。

 

    第五，顺应绿色经济发展模式。相对于利用切削机床对毛坯进行加工的“减材制造”，增材制造减少了原材料的使用量，降低了对自然资源和环境的压力。此外，增材制造还可大大压缩供应链，使得传统的离岸经济模式得以改变。它将允许在靠近消费区域的地点进行同步生产，实现分布式制造。这将显著地削减将量产商品从生产地运送到消费地所消耗的大量能源，对当地经济、环境和消费者都颇具益处。

 

    2.增材制造可以给中国带来什么？

 

    增材制造最初只是用于原型件制造，经过多年的发展，其应用领域已经开始拓展到电子、汽车、医疗、工业及商用机器、航空航天等众多行业。据《Wohlers Report 2013》发布的信息，2012年增材制造全球产值为22.04亿美元，比2011年的17.14亿美元增长28.6%。预计2015年产业规模将翻番达到40亿美元。虽然增材制造技术在近几年得到了快速的发展，但根据业内人士分析，目前此技术的市场渗透率仍然不足8%。一部分原因是由于此项技术的认知度不足，但更重要的是此项技术目前还面临一些技术瓶颈，限制了其更大规模的应用。如果可以突破这些瓶颈，那么此项技术的市场渗透率将达到92%，其产值将在2020年超过1000亿美元。对比之下，目前全球航天产业年产值约为3300亿美元。由此可见，作为一种高附加值的制造业经济，增材制造将有可能成长为一个庞大的产业，在中国未来经济发展中发挥重要作用。目前，这项技术已经在航空航天、医疗器械和创意行业等领域实现了小规模应用，并开始向其他行业拓展。与之相关的仪器装备、材料生产、软件开发及创意设计等行业也将迎来重大的市场机遇。除此之外，增材制造还具有其他方面的战略价值。

 

    第一，增材制造可提升制造业发展水平，增强国家先进制造技术的国际竞争力。虽然我国制造业规模已经位居世界第一，但总体上大而不强。随着制造业逐步实现数字化，个性化需求逐渐增多，新的变革正在悄然到来。这意味着一些传统工厂将逐渐消失，生产制造将从大型、复杂、昂贵、冗长的工业过程中分离出来。部分高附加值产品的生产方式将像圆圈一样又绕回到了原点，从大规模生产转回到个性化生产。生产目标将不再是追求规模经济，而是更快更灵活的生产。这一转变将有可能导致新兴市场的一些生产岗位重新回到发达国家手中。另外，增材制造和传统制造工艺的结合将可促进产业升级。例如，机械零件制造所用的复杂模具就可以通过增材制造技术生产。德国EOS通过此技术生产的一款产品，成本降低了近85%，生产周期降低了50%，有力的促进了复杂磨具和机械零件制造技术的进步。因此，面对发达国家实行的“制造业复兴计划”，积极发展以增材制造为代表的先进制造业技术，带动传统制造业实现转型升级，推动我国由制造大国向制造强国的转变，是巩固我国全球制造业第一大国地位的战略需要。

 

    第二，增材制造可以降低贵重资源的消耗，实现稀缺材料和其他资源的高效利用。由于增材制造采用堆积方式实现产品制造，超过90%的原材料可以回收再利用，此技术具有节料、节能、环保的特点。这对于一些大量应用于国民经济和国防工业的稀缺资源来说，具有重要的战略意义。例如在航空航天领域，为实现零件的高性能，需要大量使用钛合金和镍基合金等昂贵的战略材料。而这些材料的加工十分困难，传统的锻造工艺会切削产生大量难以再利用的废屑，造成巨大的原材料浪费。如F22战机的钛合金框重量为144kg，但其原始锻件质量高达到2 980kg，材料利用率仅为4.8%。运用增材制造技术，可以把高性能金属零件的材料利用率大幅度提高，节约2/3以上的昂贵原材料。

 

    第三，增材制造将在未来实现“活体”打印，催生生物医疗行业发生变革。增材制造技术最具开创性、革命性意义的应用是进行人体组织的“活体”打印。目前，全球器官移植的需求量巨大，仅美国就有11.4万人等待合适的器官配对，每年有超过6 600名患者在等待中过世。利用3D打印技术，则可以使用患者的细胞制作“活体组织”，用于器官移植解决此问题。虽然道路十分漫长，但前景非常令人期待。设计和制造有生命的人体组织，甚至是人体器官已经成为生命科学前沿研究中的重点方向，其发展和应用正在催生一个新的学科——再生医学。未来20年内，再生医学的年产值将突破5 000亿美元，替代常规的生物材料成为生物医用材料产业的主体。因此，发展增材制造不仅可以促进我国生物医药产业快速健康的发展，而且对提高国民健康水平也具有重大意义。

 

    第四，增材制造可激发的新型设计理念、生产方式和商业模式，将创造更加卓越的价值链体系形成。增材制造不仅是一种先进的制造技术，它还将对现有的设计理念、生产方式和商业模式产生冲击，使得制造和设计被整合成为“精益设计”模式。这不但会影响制造业本身，还将改变经济发展的模式和我们的生活方式。增材制造将使得制造过程的复杂性降至最低，而通过精益设计提高制造的灵活度将成为产业发展趋势。面向制造的设计与面向装配的设计理念将逐步为人接受，并成为行业领军企业实现创新之道的模式。

 

    这种变化恰恰迎合了信息技术快速发展的趋势，如iTunes等数码产品的兴起盘活了传统的音乐和影视产业，淘宝等电子商务的崛起激活了大众消费潜能释放一样，增材制造将有可能实现大量现有产品的数字化文件（3D模型文件）授权和交易。未来，随著互联网的愈发普及，人联网、物联网、服务网的大融合所产生的“智慧工厂”将取代传统封闭性的制造模式，即充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统，实现制造的智能化（见图5）。这不仅仅可以使公司内部人员得到解放，将精力投入到创新和增值业务上去，还可通过远程合作来实现众包（crowdsource）创意资源的最大化利用，使得公司可以从一个更大的视野看待产品研发。这种模式将释放整个社会的智慧，通过协同制造、全面参与构建兼具个性化和数值化的产品与服务，催生出新的活动领域和合作形式，演化出更加灵活和富有活力的商业模式，重组产业链分工、创造新的盈利模式和价值链体系。对我国制造业未来的发展来说，顺应信息化下制造方式的转变，通过先进技术引导实现“中国制造”到“中国创造”的转变将变得尤为重要。

 

 

图5 由人联网、物联网和服务网构建的人、物、商业交织的网络系统

 

    三、增材制造发展现状

 

    1.技术工艺现状

 

    自增材制造技术诞生以来，已经有十几种新工艺和新系统及设备先后面世。根据2012年1月美国材料与试验协会（ASTM）增材制造技术委员会F42颁布的标准——“增材制造技术标准用语(ASTM F2792-12)”，这种工艺被简洁地定义为：“基于3-D模型数据，通常采用与减式制造技术相反的逐层叠加的方式，结合材料来生产物品的过程”（The process of joining materials to make objects from 3-D model data， usually layer upon layer， as opposed to subtractive manufacturing technologies），见图6。

 

 

图6 增材制造过程示意图

 

    按照其工艺特点，增材制造可分为7大类，分别为粉末床熔合、定向能量沉积、材料喷射、粘结剂喷射、材料挤出、容器内光聚合和片层压。在此基础上，英国增材制造特别兴趣小组（AM SIG）又对7大工艺进行细化，整理出10余种分支工艺。表1总结了增材制造各工艺的整体情况，包括各工艺的基本描述、面向的市场、所采用的材料体系、包含的分支工艺和相关的代表企业及院校。从市场的角度来说，增材制造可用于样品原型制造、模具制造、直接零部件制造、零部件维护及修理等领域。样品原型制造是增材制造最早进入的市场，被用于评估和优化模型的尺寸、结构和功能等方面设计，使产品达到最佳性能。对于模具制造来说，熔模铸造和砂型铸件已开始通过增材制造进行生产，这种技术还可以用于硅胶模具和氨酯铸件等生产。直接零部件制造则是增材制造发展最快的一个领域，由于可以直接用于生产最终产品，该领域在增材制造应用市场中所占的比重已经上升到第1位。增材制造还越来越多的用于零部件的维护和修理，特别是当所用零件非常昂贵的时候。这种技术可以用来修复只有小部分损坏的大部件，由于其修复所产生的残余应力很小，非常适用于对热变形高度敏感的部件。对于不同的增材制造工艺，其适用的市场也有所区别。其中，大部分工艺普遍应用于模型制造，而对于直接零部件制造、零部件维护及修理来说，需选用所对应的专用技术工艺。

 

 

    2.应用现状

 

    由于增材制造的一些独特优势，这项技术近年来已在航空航天、医疗、文化创意、消费电子产品、军工等众多领域实现应用。表2根据7大技术工艺及所用材料体系，对国际上已经出现的相关应用进行了详细分析。从表中可以看出，每一种工艺都各有所长，所适用的应用领域也有所不同。在选用不同工艺时，主要的考虑因素包括工艺的生产速度、可用的材料种类、产品的尺寸限制、产品的表面光滑度和精密度、产品的力学性能、机器及材料的成本、操作的方便性和安全性等。比如，定向能量沉积工艺可生产高性能的金属部件，在高端工程领域的应用比较广泛。对比之下，粘结剂喷射工艺和材料挤出工艺则可以生产保真度很高的组件，主要用于样品原型制造和工艺品生产，但由于产品的机械性能较差，不适合航空航天等领域。粉末床熔合工艺的应用则最为广泛，此工艺可使用金属和高分子体系，在增材制造涉及的大部分领域进行使用。