【詳解】為什么要發(fā)展增材制造？（上）

3D打印代表著未來制造業(yè)發(fā)展的方向之一，但受限于現(xiàn)有技術(shù)及材料缺乏，現(xiàn)階段3D打印技術(shù)試驗性用途大于實用性。哥本哈根未來研究學(xué)院（CIFS）名譽(yù)主任約翰·彼得·帕魯坦說過，我們的社會通常會高估新技術(shù)的可能性，同時卻又低估它們的長期發(fā)展?jié)摿ΑＤ蠘O熊認(rèn)為，3D打印技在未來的發(fā)展將會有無限可能，接下來我們就一起來看一下，為什么要發(fā)展增材制造？（文章分為兩部分，此為上半部分）

一、增材制造發(fā)展的背景環(huán)境

1.國際背景
自2008年國際金融危機(jī)以來，以美國、歐盟為代表的西方發(fā)達(dá)國家開始積極尋找擺脫經(jīng)濟(jì)危機(jī)的方法，并重新審視實體經(jīng)濟(jì)和虛擬經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)系。這些發(fā)達(dá)國家紛紛調(diào)整經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，提出“再工業(yè)化”概念，希望通過重振制造業(yè)來拉動經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，保持發(fā)達(dá)國家在核心科技領(lǐng)域的優(yōu)勢，重塑國家競爭力。以美國為例，2009年以來先后制定出臺了《重振美國制造業(yè)框架》、《制造業(yè)促進(jìn)法案》、《先進(jìn)制造伙伴（AMP）計劃》和《先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃》，如圖1所示從國家戰(zhàn)略層面提出加快創(chuàng)新、促進(jìn)美國先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的具體建議和措施。

2012年3月，奧巴馬宣布實施投資10億美元的“國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計劃（NNMI），遴選出制造領(lǐng)域15項前沿性、前瞻性的制造技術(shù)，并建立制造業(yè)創(chuàng)新中心，全面提升美國制造業(yè)競爭力。同年4月，增材制造技術(shù)（也被稱為3D打印）被確定為首個制造業(yè)創(chuàng)新中心；8月，總投入達(dá)7000萬美元的國家增材制造創(chuàng)新中心 （National Additive Manufacturing Innovation Institute）在俄亥俄州小城揚(yáng)斯頓市剪彩成立。作為首個“樣板示范”中心，國家增材制造創(chuàng)新中心是由產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界、聯(lián)邦政府及州政府三方成員共同組成的公-私合作聯(lián)盟，致力于增材制造技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)，并成為新技術(shù)研究、開發(fā)、示范、轉(zhuǎn)移和推廣的基礎(chǔ)平臺。
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目前，中心成員已超過84家，其中包括波音、通用電氣、霍尼韋爾、3M、3D System、 Stratasys、阿勒格尼技術(shù)、拜耳材料科學(xué)等全球知名公司，卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)、阿克隆大學(xué)、MIT林肯實驗室等全球知名研究機(jī)構(gòu)，以及美國宇航局、能源部、教育部等美國政府部門。由此可見，增材制造不單被認(rèn)為是一項新興技術(shù)，它同其他先進(jìn)制造技術(shù)一起承載了美國重振制造業(yè)的希望，是美國實現(xiàn)先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略的技術(shù)保障。

奧巴馬總統(tǒng)在2013年和2014年的國情咨文演說中均談到了增材制造的重要性，他指出“3D打印可以革新我們幾乎任何東西的制造方法”，“我們現(xiàn)在有機(jī)會在下一輪高技術(shù)制造業(yè)崗位競爭中戰(zhàn)勝其他國家。我們已經(jīng)在羅利和揚(yáng)斯敦開始運(yùn)行高技術(shù)制造業(yè)中心（國家增材制造創(chuàng)新中心），把商業(yè)和研究型大學(xué)聯(lián)系起來，幫助美國引領(lǐng)世界先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。” 隨著美國政府強(qiáng)力推動增材制造的發(fā)展，美國民間的制造商協(xié)會、咨詢公司、學(xué)者與媒體也紛紛發(fā)布報告或撰文，進(jìn)行輿論宣傳，營造良好的社會環(huán)境。

2012年3月，美國國防部防務(wù)分析研究所（IDA）發(fā)布了題為“增材制造業(yè)：現(xiàn)狀與機(jī)遇”的研究報告，全面介紹了增材制造的現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，和政府應(yīng)發(fā)揮的作用。同年4月，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》（The Economist）“第三次工業(yè)革命”（A third industrial revolution） �？�，通過7篇短文對制造業(yè)未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望，認(rèn)為增材制造將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起推動、實現(xiàn)第三次工業(yè)革命”。

8月，高德納（Gartner）公司發(fā)布的《高德納2012年新興技術(shù)炒作周期》報告認(rèn)為綜合了數(shù)字建模、材料與化學(xué)、自動化控制、信息技術(shù)等多方面知識的增材制造技術(shù)將徹底顛覆現(xiàn)有生產(chǎn)和商業(yè)模式。其制造方式跟打印數(shù)字相片相似，允許客戶在家里面打印實體物件。結(jié)合3D掃描技術(shù)，將可通過智能手機(jī)掃描特定對象，然后打印出相近的復(fù)制品。這項技術(shù)已經(jīng)從技術(shù)萌芽期發(fā)展到期望膨脹期，與大數(shù)據(jù)一起成為當(dāng)今最受市場關(guān)注的新技術(shù)之一。而生物三維打印也將在10年后達(dá)到期望膨脹期高點(diǎn)（見圖2）。

短期內(nèi)大幅度的媒體曝光引爆了全球?qū)Υ思夹g(shù)的關(guān)注，使得增材制造在全球迅速升溫。繼 美國之后，歐洲及其他國家也在積極推動增材制造技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用推廣。英國、德國、加拿大、日本、澳大利亞、新加坡等國相繼開始設(shè)立增材制造技術(shù)研究中心，建立大學(xué)、企業(yè)和政府之間的增材制造聯(lián)盟，提供研究資金支持大型項目合作，制定增材制造路線圖及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以促進(jìn)本國增材制造技術(shù)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

2.國內(nèi)情況
我國自20世紀(jì)90年代初就開始開展快速成型技術(shù)/增材制造技術(shù)的研究和應(yīng)用。在國家自然科學(xué)基金委員會、科技部、工信部等多個部門的持續(xù)支持下，我國在設(shè)備制造、材料技術(shù)、軟件開發(fā)、工業(yè)應(yīng)用等方面開展了積極的探索，打下了良好的基礎(chǔ)。隨著近期國際關(guān)注的持續(xù)升溫，此項技術(shù)也成為國內(nèi)媒體、科研院所、企業(yè)、各地政府關(guān)注的熱點(diǎn)，增材制造中心在全國許多高校遍地開花，產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。2012年10月中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立；2013年3月中國首個3D打印研究院落戶南京。

珠海，青島、武漢、成都等城市也已經(jīng)開始興建增材制造產(chǎn)業(yè)園，并在資金、土地、配套政策上給予支持。與此同時，增材制造業(yè)也逐步被提升到國家戰(zhàn)略層面。2013年中國工程院制定了《增材制造技術(shù)工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究報告》；同年，科技部首次將增材制造納入“國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）和國家科技支撐計劃制造領(lǐng)域2014年度備選項目征集指南”；工業(yè)和信息化部也正在醞釀增材制造的頂層設(shè)計和統(tǒng)籌規(guī)劃，制定技術(shù)路線圖和產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項政策。

2013年12月，中共中央政治局委員、國務(wù)院副總理馬凱到北京航空航天大學(xué)調(diào)研考察時指出，增材制造這項技術(shù)的成功研發(fā)，不僅會對我國傳統(tǒng)工業(yè)的改造發(fā)揮巨大作用，同時也會對中國制造業(yè)的國際競爭產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。他強(qiáng)調(diào)，必須高度重視對高性能增材制造技術(shù)研究的支持和引導(dǎo)，堅持市場導(dǎo)向、企業(yè)主體和政府引導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向,堅持創(chuàng)新驅(qū)動、產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)和人才支撐等產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略，突出抓好設(shè)備、材料和相關(guān)軟件的科技攻關(guān)。

二、發(fā)展增材制造的意義

1.為什么增材制造受到設(shè)計者、制造者和消費(fèi)者的關(guān)注？
增材制造是融合了計算機(jī)輔助設(shè)計、材料加工與成形技術(shù)，以數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將特制材料逐層堆積固化，制造出實體產(chǎn)品的制造技術(shù)。它與傳統(tǒng)的、對原材料進(jìn)行切削、組裝的加工模式不同，是通過材料累加的原理，從無到有地品。這使得過去受到傳統(tǒng)加工方式的約束，而無法實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造變?yōu)榭赡�。這將大大簡化產(chǎn)品設(shè)計，提高零部件的集成度，加快產(chǎn)品開發(fā)周期。


第一，新的生產(chǎn)模式。作為一種“無需工具”的數(shù)字化制造技術(shù)，增材制造將有可能改變某些產(chǎn)品的生產(chǎn)模式，給企業(yè)和消費(fèi)者帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。目前大型工廠的生產(chǎn)需要眾多的機(jī)器、大量專業(yè)設(shè)計與加工技術(shù)人員才能實現(xiàn)。而對于增材制造來說，設(shè)計師將不需在工廠工作，在家中就可以把設(shè)計好的數(shù)字化文件發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，客戶通過文件下載，利用3D打印機(jī)制造出符合需求的產(chǎn)品。這將實現(xiàn)生產(chǎn)模式的根本變革，從傳統(tǒng)制造業(yè)的批量化、規(guī)�；�、標(biāo)準(zhǔn)化制造轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄖ苹�、個性化、分布式制造（見圖3）。

第二，新的設(shè)計理念。由于增材制造技術(shù)是通過層層堆積的方式來進(jìn)行生產(chǎn)，可以制造出形狀高度復(fù)雜的產(chǎn)品。這使得過去受到傳統(tǒng)加工方式的約束，而無法實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造變?yōu)榭赡�。這將大大簡化產(chǎn)品設(shè)計，提高零部件的集成度，加快產(chǎn)品開發(fā)周期。例如對于航空航天領(lǐng)域來說，可以通過優(yōu)化產(chǎn)品的幾何形狀來降低零部件重量，以此改進(jìn)強(qiáng)度-重量比，降低燃料消耗。還可以通過多種材料局部區(qū)域的組分調(diào)節(jié)，實現(xiàn)單一零件的多功能化（即零件的不同部位實現(xiàn)不同的力學(xué)性能），以滿足實際需求。同時，由于不涉及熔煉、鍛造、機(jī) 加工等工序，增材制造可以使產(chǎn)品的研發(fā)周期縮短了30%～50%，明顯縮短產(chǎn)品的開發(fā)成本與周期。  

第三，新的商業(yè)模式。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，增材制造與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來還將使得消費(fèi)者直接參與到產(chǎn)品生命周期當(dāng)中，從最初的設(shè)計過程、到生產(chǎn)制造、再到后期產(chǎn)品的維修，并借助網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)字化文件的共享和交易。這大大規(guī)避了傳統(tǒng)制造業(yè)和零售業(yè)的價值鏈，刺激了新的產(chǎn)品設(shè)計模式、銷售商業(yè)模式和供應(yīng)鏈管理模式的產(chǎn)生，使相關(guān)企業(yè)受益（圖4）。消費(fèi)者的參與一方面將大幅度提升企業(yè)的創(chuàng)新能力與研發(fā)實力，使創(chuàng)新邊界得以延伸，另一方面使產(chǎn)品更容易適應(yīng)市場需求，降低業(yè)務(wù)風(fēng)險。

第四，實現(xiàn)個性化產(chǎn)品制造。由于具有“自由設(shè)計”和“無需工具”的優(yōu)點(diǎn)，增材制造將使得商業(yè)化個性制造成為可能，從運(yùn)用X線電子計算機(jī)斷層掃描（CT）和核磁共振成像（MRI）掃描數(shù)據(jù)打印出百分百符合患者需求的植入物，到個性化的消費(fèi)品如鞋子、珠寶和家庭用品。隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，利用增材制造技術(shù)還可以直接打印活體組織，制造出符合人體需求的人工器官，實現(xiàn)人工器官的再造將給現(xiàn)代醫(yī)學(xué)帶來一次革命性的變革。

第五，順應(yīng)綠色經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。相對于利用切削機(jī)床對毛坯進(jìn)行加工的“減材制造”，增材制造減少了原材料的使用量，降低了對自然資源和環(huán)境的壓力。此外，增材制造還可大大壓縮供應(yīng)鏈，使得傳統(tǒng)的離岸經(jīng)濟(jì)模式得以改變。它將允許在靠近消費(fèi)區(qū)域的地點(diǎn)進(jìn)行同步生產(chǎn)，實現(xiàn)分布式制造。這將顯著地削減將量產(chǎn)商品從生產(chǎn)地運(yùn)送到消費(fèi)地所消耗的大量能源，對 當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、環(huán)境和消費(fèi)者都頗具益處。

2.增材制造可以給中國帶來什么？
增材制造最初只是用于原型件制造，經(jīng)過多年的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)開始拓展到電子、汽車、醫(yī)療、工業(yè)及商用機(jī)器、航空航天等眾多行業(yè)。據(jù)《Wohlers Report 2013》發(fā)布的信息，2012年增材制造全球產(chǎn)值為22.04億美元，比2011年的17.14億美元增長28.6%。預(yù)計2015年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將翻番達(dá)到40億美元。雖然增材制造技術(shù)在近幾年得到了快速的發(fā)展，但根據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，目前此技術(shù)的市場滲透率仍然不足8%。一部分原因是由于此項技術(shù)的認(rèn)知度不足，但更重要的是此項技術(shù)目前還面臨一些技術(shù)瓶頸，限制了其更大規(guī)模的應(yīng)用。如果可以突破這些瓶頸，那么此項技術(shù)的市場滲透率將達(dá)到92%，其產(chǎn)值將在2020年超過1 000億美元。對比之下，目前全球航天產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值約為3 300億美元。

由此可見，作為一種高附加值的制造業(yè)經(jīng)濟(jì)，增材制造將有可能成長為一個龐大的產(chǎn)業(yè)，在中國未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。目前，這項技術(shù)已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療器械和創(chuàng)意行業(yè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了小規(guī)模應(yīng)用，并開始向其他行業(yè)拓展。與之相關(guān)的儀器裝備、材料生產(chǎn)、軟件開發(fā)及創(chuàng)意設(shè)計等行業(yè)也 將迎來重大的市場機(jī)遇。除此之外，增材制造還具有其他方面的戰(zhàn)略價值。

第一，增材制造可提升制造業(yè)發(fā)展水平，增強(qiáng)國家先進(jìn)制造技術(shù)的國際競爭力。雖然我國制造業(yè)規(guī)模已經(jīng)位居世界第一，但總體上大而不強(qiáng)。隨著制造業(yè)逐步實現(xiàn)數(shù)字化，個性化需求逐漸增多，新的變革正在悄然到來。這意味著一些傳統(tǒng)工廠將逐漸消失，生產(chǎn)制造將從大型、復(fù)雜、昂貴、冗長的工業(yè)過程中分離出來。部分高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)方式將像圓圈一樣又繞回到了原點(diǎn)，從大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)回到個性化生產(chǎn)。

生產(chǎn)目標(biāo)將不再是追求規(guī)模經(jīng)濟(jì)，而是更快更靈活的生產(chǎn)。這一轉(zhuǎn)變將有可能導(dǎo)致新興市場的一些生產(chǎn)崗位重新回到發(fā)達(dá)國家手中。另外，增材制造和傳統(tǒng)制造工藝的結(jié)合將可促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級。例如，機(jī)械零件制造所用的復(fù)雜模具就可以通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)。德國EOS通過此技術(shù)生產(chǎn)的一款產(chǎn)品，成本降低了近85%，生產(chǎn)周期降低了50%，有力的促進(jìn)了復(fù)雜磨具和機(jī)械零件制造技術(shù)的進(jìn)步。因此，面對發(fā)達(dá)國家實行的“制造業(yè)復(fù)興計劃”，積極發(fā)展以增材制造為代表的先進(jìn)制造業(yè)技術(shù)，帶動傳統(tǒng)制造業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，推動我國由制造大國向制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，是鞏固我國全球制造業(yè)第一大國地位的戰(zhàn)略需要。

第二，增材制造可以降低貴重資源的消耗，實現(xiàn)稀缺材料和其他資源的高效利用。由于增材制造采用堆積方式實現(xiàn)產(chǎn)品制造，超過90%的原材料可以回收再利用，此技術(shù)具有節(jié)料、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)。這對于一些大量應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)和國防工業(yè)的稀缺資源來說，具有重要的戰(zhàn)略意義。例如在航空航天領(lǐng)域，為實現(xiàn)零件的高性能，需要大量使用鈦合金和鎳基合金等昂貴的戰(zhàn)略材料。而這些材料的加工十分 困難，傳統(tǒng)的鍛造工藝會切削產(chǎn)生大量難以再利用的廢屑，造成巨大的原材料浪費(fèi)。如F22戰(zhàn)機(jī)的鈦合金框重量為144kg，但其原始鍛件質(zhì)量高達(dá)到2 980kg，材料利用率僅為4.8%。運(yùn)用增材制造技術(shù)，可以把高性能金屬零件的材料利用率大幅度提高，節(jié)約2/3以上的昂貴原材料。

第三，增材制造將在未來實現(xiàn)“活體”打印，催生生物醫(yī)療行業(yè)發(fā)生變革。增材制造技術(shù)最具開創(chuàng)性、革命性意義的應(yīng)用是進(jìn)行人體組織的“活體”打印。目前，全球器官移植的需求量巨大，僅美國就有11.4萬人等待合適的器官配對，每年有超過6 600名患者在等待中過世。利用3D打印技術(shù)，則可以使用患者的細(xì)胞制作“活體組織”，用于器官移植解決此問題。雖然道路十分漫長，但前景非常令人期待。設(shè)計和制造有生命的人體組織，甚至是人體器官已經(jīng)成為生命科學(xué)前沿研究中的重點(diǎn)方向，其發(fā)展和應(yīng)用正在催生一個新的學(xué)科——再生醫(yī)學(xué)。未來20年內(nèi)，再生醫(yī)學(xué)的年產(chǎn)值將突破5 000億美元，替代常規(guī)的生物材料成為生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)的主體。因此，發(fā)展增材制造不僅可以促進(jìn)我國生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)快速健康的發(fā)展，而且對提高國民 健康水平也具有重大意義。

第四，增材制造可激發(fā)的新型設(shè)計理念、生產(chǎn)方式和商業(yè)模式，將創(chuàng)造更加卓越的價值鏈體系形成。增材制造不僅是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，它還將對現(xiàn)有的設(shè)計理念、生產(chǎn)方式和商業(yè)模式產(chǎn)生沖擊，使得制造和設(shè)計被整合成為“精益設(shè)計”模式。這不但會影響制造業(yè)本身，還將改變經(jīng)濟(jì)發(fā)展的模式和我們的生活方式。增材制造將使得制造過程的復(fù)雜性降至最低，而通過精益設(shè)計提高制造的靈活度將成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。面向制造的設(shè)計與面向裝配的設(shè)計理念將逐步為人接受，并成為行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)實現(xiàn)創(chuàng)新之道的模式。這種變化恰恰迎合了信息技術(shù)快速發(fā)展的趨勢，如iTunes等數(shù)碼產(chǎn)品的興起盤活了傳統(tǒng)的音樂和影視產(chǎn)業(yè)，淘寶等電子商務(wù)的崛起激活了大眾消費(fèi)潛能釋放一樣，增材制造將有可能實現(xiàn)大量現(xiàn)有產(chǎn)品的數(shù)字化文件（3D模型文件）授權(quán)和交易。

未 來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的愈發(fā)普及，人聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)網(wǎng)的大融合所產(chǎn)生的“智慧工廠”將取代傳統(tǒng)封閉性的制造模式，即充分利用信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)，實現(xiàn)制造的智能化（見圖5）。這不僅僅可以使公司內(nèi)部人員得到解放，將精力投入到創(chuàng)新和增值業(yè)務(wù)上去，還可通過遠(yuǎn)程合作來實現(xiàn)眾包（crowdsource）創(chuàng)意資源的最大化利用，使得公司可以從一個更大的視野看待產(chǎn)品研發(fā)。

這種模式將釋放整個社會的智慧，通過協(xié)同制造、全面參與構(gòu)建兼具個性化和數(shù)值化的產(chǎn)品與服務(wù)，催生出新的活動領(lǐng)域和合作形式，演化出更加靈活和富有活力的商業(yè)模式，重組產(chǎn)業(yè)鏈分工、創(chuàng)造新的盈利模式和價值鏈體系。對我國制造業(yè)未來的發(fā)展來說，順應(yīng)信息化下制造方式的轉(zhuǎn)變，通過先進(jìn)技術(shù)引導(dǎo)實現(xiàn)“中國制造”到“中國創(chuàng)造”的轉(zhuǎn)變將變得尤為重要。

編輯：南極熊
作者：于灝（北京新材料發(fā)展中心）  黃  瑤（北京石油機(jī)械廠）