3D打印技術成為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的一把新利器

在2016年柏林航空展上，空中客車公司（Airbus）推出了全球第一架3D打印飛機Thor。該飛機機身全長3.9米，重量僅約21千克（46磅），其中的非電子部分，諸如推進器、起落裝置等均采用綿綸制造。在飛機制造應用3D打印技術后，可以節(jié)約燃料，減少普通飛機制造所產(chǎn)生的垃圾，從而達到保護環(huán)境的目的。3D打印技術經(jīng)過20多年的發(fā)展，已先后進入航天航空、建筑、醫(yī)療等領域，在降低成本、節(jié)約能源和創(chuàng)新制造方面發(fā)揮了巨大作用，未來其應用范圍還會更加廣闊。

增材制造技術是20世紀80年代后期發(fā)展起來的新型制造技術。增材制造技術過去也被稱為“材料累加制造”、“快速原型”、“分層制造”、“實體自由制造”和“3D打印技術”等。廣義地講，以三維CAD設計數(shù)據(jù)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，都可視為增材制造技術。相對于以車銑刨磨為代表的減材制造和以鑄鍛焊為代表的增材制造技術，其發(fā)展時間短但潛力巨大。它從原理上解決了傳統(tǒng)制造技術受結構復雜性制約的難題，實現(xiàn)從材料微觀組織到宏觀結構的可控制造，引領制造技術向“設計—材料—制造”一體化方向發(fā)展。

增材制造的技術特點在于不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設計數(shù)據(jù)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(xiàn)“自由制造”，解決許多過去難以制造的復雜結構零件的成形問題，并有效減少了加工工序，縮短了加工周期。其優(yōu)勢表現(xiàn)在：

①適合復雜結構的快速制造，可制造傳統(tǒng)制造技術難加工（如自由曲面葉片、復雜內流道等）甚至是無法加工（如立體柵格結構、內空結構等）的復雜結構，在航空航天、汽車/模具及生物醫(yī)療等領域具有廣闊的應用前景。

②傳統(tǒng)大規(guī)模、批量生產(chǎn)需要做大量的工藝技術準備，以及大量的工裝、設備和刀具等制造資源準備，增材制造技術在快速生產(chǎn)和靈活性方面極具優(yōu)勢，適合珠寶、人體器官、文化創(chuàng)意等個性化產(chǎn)品定制生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)，可大幅降低個性化、定制生產(chǎn)和創(chuàng)新設計的制造成本。

③適合高附加值產(chǎn)品制造。目前，增材制造技術主要應用于航空航天、生物醫(yī)療等高附加值產(chǎn)品大規(guī)模生產(chǎn)前的研發(fā)與設計驗證以及個性化制造。

世界科技強國和新興國家都將增材制造技術作為未來產(chǎn)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(chǎn)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）。美國政府將增材制造技術作為國家制造業(yè)發(fā)展的首要戰(zhàn)略任務給予支持。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“高技術戰(zhàn)略2020”和“工業(yè)4.0”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。新加坡政府在2013年財政預算案中宣布，將5億美元的資金用于發(fā)展增材制造技術。日本政府在2014年預算案中劃撥了40億日元，由經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省組織實施以增材制造技術為核心的制造革命計劃。2014年6月，韓國政府宣布成立增材制造工業(yè)發(fā)展委員會，批準了一份旨在使韓國在增材制造領域爭取領先位置的總體規(guī)劃。增材制造的發(fā)展正在帶動世界新一輪的科技和產(chǎn)業(yè)競爭。

2013年美國麥肯錫咨詢公司發(fā)布的《展望2025》報告中，將增材制造技術列入決定未來經(jīng)濟的12大顛覆技術之一。增材制造技術通過材料、激光、信息、工藝、裝備和應用的交叉融合，突破制造工藝約束，向智能化、定制化、服務化方向拓展，解決傳統(tǒng)制造技術無法解決的復雜結構快速制造問題。增材制造技術在航空航天、生物醫(yī)療、汽車、消費電子、文化創(chuàng)意等領域有巨大的發(fā)展空間，將給制造技術帶來革命性變革，成為創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)的銳利工具。

增材制造技術為我國制造業(yè)發(fā)展和升級提供歷史性機遇。改革開放30年來，我國成為制造業(yè)大國。但是，制造業(yè)生產(chǎn)能力過剩、產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)能力嚴重不足，已經(jīng)成為制約我國制造業(yè)發(fā)展的瓶頸。促進創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)是未來我們的核心任務，而增材制造技術恰好為創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)開辟了巨大空間。

增材制造技術為創(chuàng)新開拓了巨大空間。3D打印適合應用于復雜形狀結構、多品種小批量的制造，使設計擺脫了傳統(tǒng)技術的約束，給創(chuàng)新設計釋放了巨大的空間，同時可提高新產(chǎn)品的研發(fā)速度。增材制造技術為創(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(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)個性化訂單、創(chuàng)客設計、制造設備這一生產(chǎn)模式，可以有效實現(xiàn)社會資源的最大限度發(fā)揮，為全民創(chuàng)業(yè)提供技術支撐。


在促進學科交叉革命性發(fā)展上，發(fā)展微型冶金實驗平臺，應用于材料基因研究，創(chuàng)造新合金材料。通過細胞打印、組織工程、基因打印等手段，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實驗，實現(xiàn)生命學科躍進式發(fā)展。增材制造技術也為我國制造業(yè)發(fā)展和升級帶來重大機遇。我國制造業(yè)發(fā)展的瓶頸是制造業(yè)生產(chǎn)能力過剩而產(chǎn)品開發(fā)能力嚴重不足。將增材制造在各個領域推廣應用，是發(fā)展高技術的服務業(yè)、調整制造業(yè)結構和促進制造業(yè)由大變強的重要手段。

增材制造技術近年來無論是在基礎研究、關鍵技術還是產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面都取得了飛速發(fā)展。在基礎研究方面，新工藝、新原理、新材料和新應用不斷涌現(xiàn)，4D打印、太空3D打印、電子3D打印、細胞3D打印、食品3D打印、建筑打印等新概念不斷出現(xiàn)，從傳統(tǒng)的制造業(yè)向社會的各個領域發(fā)展。2014年全球增材制造設備與服務增長35.2%，其中桌面3D打印機保持高速增長，增長率為92.5%。增材制造技術呈現(xiàn)出從工業(yè)品向消費品發(fā)展的高速增長勢頭。互聯(lián)網(wǎng)下萬眾創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)模式雛形已經(jīng)呈現(xiàn)。新材料與新工藝是增材制造技術保持活力并持續(xù)發(fā)展的核心動力。隨著增材制造工藝的發(fā)展，其所使用材料從最開始的液態(tài)光敏樹脂，擴展到種類繁多的工程塑料、金屬粉體材料，并且逐漸成熟，開展應用。增材制造工藝的發(fā)展依托于能源、材料及其交互方式的創(chuàng)新，涉及機械、材料、物理、力學等多學科交叉領域。未來，基于金屬材料、非金屬材料、生物材料等體系的增材制造工藝技術與裝備是發(fā)展和應用的主要方向。

PEEK 材料定制化顱骨替代物

我國3D打印技術的起步時間僅比歐美晚3～5年，擁有幾支處于國際先進水平的研究團隊，他們都已經(jīng)致力于3D打印研究20多年。我國的3D打印技術中，高性能大型金屬激光直接制造技術處于世界領先水平，相關技術已應用于新型飛機研制，顯著提高了我國飛機研制速度。我國率先在大尺寸激光選區(qū)燒結和選區(qū)熔化設備中采用多光束掃描技術，取得顯著進步。率先制造定制化骨替代物并應用于臨床，在生物組織制造和醫(yī)學應用方面走在國際前列。在產(chǎn)業(yè)化方面，我國近年來增材制造相關企業(yè)迅猛發(fā)展，增材設備擁有量于2014年趕超德國，以9.2%列第3位，設備產(chǎn)量僅次于美國排第2位。但從國家整體水平來看，我們在創(chuàng)新能力、產(chǎn)業(yè)鏈構建、資金投入、人才培養(yǎng)和社會普及方面與先進國家還有很大的差距。在未來，需要在增材制造技術上繼續(xù)加大投入，通過增材制造技術服務促進我國制造業(yè)轉型，支撐我國從“制造大國”向“創(chuàng)造大國”轉變。

來源  3D金屬打印粉
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