重磅好文，深度剖析丨《我國增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究》

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來源：《中國工程科學(xué)》2022年第4期
作者：王磊、盧秉恒

摘要：增材制造作為新興的制造技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，成為先進制造領(lǐng)域發(fā)展最快的技術(shù)方向之一；增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展為現(xiàn)代制造業(yè)的培育壯大以及傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供了寶貴契機。本文在分析全球增材制造技術(shù)發(fā)展態(tài)勢與產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)的基礎(chǔ)上，全面梳理了我國增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展態(tài)勢，剖析了我國增材制造產(chǎn)業(yè)面臨的共性技術(shù)研究及基礎(chǔ)器件能力不足、面向國際市場的專利布局滯后、產(chǎn)業(yè)規(guī)模與產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)有待深化等問題。著眼增材制造產(chǎn)業(yè)前瞻布局，論證提出了生物醫(yī)藥與醫(yī)療器械增材制造、大型高性能復(fù)雜構(gòu)件增材制造、空間增材制造、基于增材制造的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與新材料發(fā)明等重點發(fā)展方向。研究建議：建立增材制造協(xié)同創(chuàng)新機制并支持企業(yè)開展應(yīng)用創(chuàng)新，圍繞重大裝備需求開展增材制造工藝變革專項技術(shù)攻關(guān)，深化區(qū)域性增材制造產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)。

一、前言

當(dāng)前，以增材制造（亦稱 3D 打�。�為代表的新制造技術(shù)，其基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)業(yè)孵化等都在快速發(fā)展。增材制造技術(shù)完全改變了產(chǎn)品的設(shè)計制造過程，被視為諸多領(lǐng)域科技創(chuàng)新的“加速器”、支撐制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)；進一步改變了產(chǎn)品的生產(chǎn)模式，驅(qū)動定制化、個性化、分布式制造；通過云制造并與大數(shù)據(jù)技術(shù)結(jié)合，加快傳統(tǒng)制造升級，實現(xiàn)制造的個性化、智能化、社會化；對制造業(yè)起到巨大的推動和顛覆性變革作用，助推航空、航天、能源、國防、汽車、生物醫(yī)療等領(lǐng)域核心制造技術(shù)的突破和跨越式發(fā)展 [1]。

增材制造的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)研究是國內(nèi)外熱點課題。美國麥肯錫咨詢公司認為增材制造是決定2025年經(jīng)濟發(fā)展的12大顛覆技術(shù)之一，發(fā)布的《增材制造發(fā)展的主流化》探討了增材制造40年發(fā)展歷程，作出了增材制造將成為主流制造技術(shù)的判斷。中國工程院戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)項目組近年來持續(xù)關(guān)注增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)，研討了面向“十四五”時期及中長期的增材制造產(chǎn)業(yè)路線圖 [2]。有研究指出，增材制造技術(shù)作為面向材料的制造技術(shù)，在聚合物、金屬、陶瓷、玻璃、復(fù)合材料中仍普遍存在打印精度、打印尺度、打印速度難以兼顧的矛盾 [3]；在比較分析國內(nèi)外增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展概況、宏觀策略、典型應(yīng)用的基礎(chǔ)上，探討了增材制造相關(guān)的標準體系、人才培育、行業(yè)趨勢等 [4]。世界經(jīng)濟論壇等機構(gòu)聯(lián)合發(fā)布了《增材制造突破：可擴展化與克服關(guān)鍵挑戰(zhàn)的操作指南》，認為未來10年3D打印的工業(yè)部件將大規(guī)模用于生產(chǎn)制造，闡述了新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情防控與增材制造技術(shù)應(yīng)用的關(guān)聯(lián)性。

我國制造業(yè)面臨著復(fù)雜的國際合作形勢和激烈的產(chǎn)業(yè)競爭態(tài)勢，高端裝備制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展難以避免地受到干擾，前沿技術(shù)與工程的自主發(fā)展面臨潛在挑戰(zhàn)；在進行高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型的過程中，需要堅定實施制造強國戰(zhàn)略 [5]。需要注意到，盡管我國制造業(yè)對于以增材制造為代表的新制造技術(shù)推廣應(yīng)用具有較高的熱度，但增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)相比世界先進水平仍有差距；國內(nèi)多數(shù)制造企業(yè)還處于接觸增材制造技術(shù)、開展探索應(yīng)用階段，沒有達到全面掌握、轉(zhuǎn)化應(yīng)用、創(chuàng)造增量價值的目標；結(jié)合國情開展的增材制造技術(shù)規(guī)劃與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究也不夠深入和充分。針對于此，本文力求全面梳理增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)進展，剖析當(dāng)前發(fā)展存在的問題，突出生物醫(yī)藥與醫(yī)療器械、大型高性能復(fù)雜構(gòu)件、空間增材制造、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與新材料發(fā)明等重點方向，以期為我國增材制造領(lǐng)域的技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)業(yè)升級、宏觀策略等研究提供基礎(chǔ)參考。

二、國際增材制造的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

（一）國際增材制造技術(shù)動態(tài)
世界范圍內(nèi)增材制造相關(guān)的新工藝、新原理、新材料、新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，4D打印 [6]、空間3D打印 [1,7]、電子3D打印、細胞3D打印 [8]、微納3D打印 [9]等新概念層出不窮。針對工程塑料、陶瓷、樹脂基纖維增強復(fù)合材料等的增材制造技術(shù)逐漸成熟，適用材料的種類與應(yīng)用范圍有所拓展，典型金屬增材制造結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能趨于穩(wěn)定甚至部分超過鍛件性能（見表1）。高熵非晶合金等新種類合金材料的成分設(shè)計、材料基因組設(shè)計、多材料功能梯度結(jié)構(gòu)、超材料結(jié)構(gòu)、仿生材料及其結(jié)構(gòu)、具有電磁屏蔽功能的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、材料結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計、3D打印納米結(jié)構(gòu) [9]、軸向立體光刻打印 [10]、4D 打印智能材料、活體細胞打印、極端環(huán)境下的增材制造及應(yīng)用等創(chuàng)新型、交叉性技術(shù)研究進展明顯。無支承金屬成形、大幅面高能束密集陣列區(qū)域化選區(qū)熔化金屬（或燒結(jié)尼龍）成型、金屬摩擦沉積制造、混合制造 [11]、多機器人協(xié)作的大尺寸結(jié)構(gòu)的增材制造等先進成形工藝獲得突破。增材制件長周期服役的顯微組織演變規(guī)律、人工智能檢測成形過程缺陷、機器學(xué)習(xí)改進材料成分增強綜合性能、耐高溫合金材料組織 ‒ 性能的熱處理調(diào)控工藝 [12,13]等前沿基礎(chǔ)研究成果豐富。

在企業(yè)應(yīng)用方面，增材制造技術(shù)賦予了零部件集成打印、輕量化、高效換熱、新材料應(yīng)用、多材料功能梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計等創(chuàng)新功能；正在規(guī)�；�地集成到現(xiàn)有產(chǎn)品的制造流程甚至供應(yīng)鏈中，革新傳統(tǒng)制造方法并降低制造成本。一些優(yōu)勢制造企業(yè)建立了包括基于增材制造技術(shù)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)（如拓撲優(yōu)化、晶狀點陣結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)功能一體化）設(shè)計能力，增材制造成形工藝控制、后處理及質(zhì)量檢測評價等在內(nèi)的全流程技術(shù)體系。以德國弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進協(xié)會為代表的一批研究機構(gòu)，持續(xù)深化增材制造的工業(yè)化生產(chǎn)和智能化技術(shù)研究。

在標準建設(shè)方面，傳統(tǒng)制造強國在增材制造技術(shù)方面進展較快，較多采用政府部門、高校、科研機構(gòu)、企業(yè)、標準化機構(gòu)組成標準化聯(lián)盟，以國防裝備、工程化場景應(yīng)用需求為牽引，注重標準類基礎(chǔ)研究的發(fā)展模式；以發(fā)布增材制造標準建設(shè)路線圖的形式來推動相關(guān)建設(shè)，如《增材制造標準化路線圖》（美國）《增材制造標準領(lǐng)航行動計劃（2020—2022年）》（中國）[14]。美國還發(fā)布了《增材制造標準化路線圖差距進展報告》，推動解決增材制造標準化的實施問題。截至2022年3月，世界范圍內(nèi)發(fā)布、在編、擬編標準超過200項，已發(fā)布的標準涉及增材制造技術(shù)的術(shù)語和定義、數(shù)據(jù)格式、設(shè)計、材料、成形工藝、零件檢測、裝備產(chǎn)品、人員操作、安全、評估、修理、行業(yè)應(yīng)用等方面；在航空、航天、汽車、焊接、船舶、計量、檢測、印刷電路板、消費類3D打印、醫(yī)療、安全等領(lǐng)域/ 方向也開展了標準研究與制定 [15]。值得指出的是，增材制造的標準建設(shè)仍處于初期階段，明顯滯后于技術(shù)自身發(fā)展和產(chǎn)業(yè)推廣需求。

在技術(shù)路線圖方面，傳統(tǒng)制造強國積極研究并發(fā)布各自版本。美國國防部發(fā)布了《增材制造路線圖》（2016年），分為設(shè)計、材料、工藝、價值鏈四方面，面向維修與保障、部署與遠征、新部件/系統(tǒng)采辦3類應(yīng)用范圍，為實施合作、協(xié)調(diào)投資提供了基礎(chǔ)框架。在歐盟資助下，增材制造行業(yè)技能戰(zhàn)略聯(lián)盟發(fā)布了《歐洲增材制造技能路線圖》（2021年），明確了2030年前的應(yīng)用需求及技術(shù)挑戰(zhàn)，從消除增材制造技術(shù)差距的角度提出了目標和舉措。我國在2019 年發(fā)布了面向 2035 年的增材制造路線圖研究成果 [16,17]，梳理了中國增材制造技術(shù)的中長期發(fā)展方向。近期，我國學(xué)者綜述了增材制造的設(shè)計方法、材料、工藝與設(shè)備、智能結(jié)構(gòu)、生物結(jié)構(gòu)、極端環(huán)境應(yīng)用進展，認為當(dāng)前的增材制造技術(shù)不能全面滿足傳統(tǒng)制造業(yè)的標準化、規(guī)模化生產(chǎn)需求，闡述了未來10年增材制造技術(shù)的研究路線圖 [18]。

在科技論文與專利方面，近年來國際上與增材制造相關(guān)的數(shù)量迅猛上升，中國、美國、德國、韓國、日本是增材制造技術(shù)研究最為活躍的國家 [19]。將全球增材制造專利申請按照發(fā)明人國別、優(yōu)先權(quán)國別進行排序（見圖1）可見，美國仍保持了增材制造原創(chuàng)專利產(chǎn)出的重要地位，在增材制造核心技術(shù)方面的創(chuàng)新能力較強。

（二）國際增材制造產(chǎn)業(yè)動態(tài)
面向未來產(chǎn)業(yè)布局，制造強國實施積極的增材制造產(chǎn)業(yè)政策。例如，美國著眼于持續(xù)增強制造業(yè)創(chuàng)新能力和競爭力，通過頂層設(shè)計、戰(zhàn)略規(guī)劃來引領(lǐng)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展 [20]；組建國家增材制造創(chuàng)新機構(gòu)，發(fā)布《國防部增材制造路線圖》《增材制造標準化路線圖》《國防部增材制造戰(zhàn)略》等，啟動增材制造推進計劃“AM Forward”，協(xié)調(diào)推動增材制造在國防裝備、先進制造業(yè)中的示范應(yīng)用并形成產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

國際增材制造產(chǎn)業(yè)從起步期轉(zhuǎn)入成長期。隨著技術(shù)成熟度提升、單位成本降低、產(chǎn)業(yè)配套能力增強，增材制造已經(jīng)逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域的主流制造方式，以綜合效益（如成本、周期、輕量化等）改善促進了下游應(yīng)用發(fā)展。行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)規(guī)劃了多種增材制造技術(shù)發(fā)展路線，采取加大資金投入、設(shè)立研發(fā)中心等形式布局增材制造軟硬件及創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)平臺，快速推進商業(yè)化應(yīng)用；超前應(yīng)對增材制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)的潛在競爭，在專利、標準方面進行布局，力求把握新型制造技術(shù)制高點，在民用飛機、發(fā)動機、醫(yī)療器械等裝備制造方面取得創(chuàng)新發(fā)展。

國際增材制造產(chǎn)業(yè)鏈不斷拓展。航空、航天、航海、能源動力、汽車與軌道交通、電子工業(yè)、模具制造、醫(yī)療健康、數(shù)字創(chuàng)意、建筑等領(lǐng)域的企業(yè)和服務(wù)廠商不斷涌入這一新興市場。增材制造技術(shù)在航空/ 航天發(fā)動機制造方面獲得廣泛應(yīng)用，如航空發(fā)動機燃油噴嘴、傳感器外殼、低壓渦輪葉片等零件通過了適航認證并批量應(yīng)用到商用航空發(fā)動機，渦輪機部件具備了批生產(chǎn)能力且金屬增材制件的成本接近鑄造。在汽車行業(yè)，增材制造技術(shù)應(yīng)用覆蓋原型設(shè)計、模具制造、批量化打印零件等。在數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)鏈中，出現(xiàn)了配套有3D打印頭的數(shù)控機床和機器人產(chǎn)品，將增材功能模塊與減材設(shè)備（機床）、等材設(shè)備（鑄鍛焊、熱處理）配套，形成各類制造功能的復(fù)合化；同時將增材制造裝備作為工作母機產(chǎn)業(yè)鏈的一部分進行推廣。增材制造在個性醫(yī)療器械生產(chǎn)方面應(yīng)用廣泛，如新型3D打印醫(yī)療器械產(chǎn)品趨于多樣化，從生物假體制造擴展至細胞、組織、器官的打印；還可用于制造醫(yī)用機器人 [21]。優(yōu)勢企業(yè)將增材制造裝備、高端機床、智能工業(yè)機器人引入生產(chǎn)線，部分實現(xiàn)了混線生產(chǎn)，在生產(chǎn)效率、質(zhì)量控制、柔性生產(chǎn)等方面提高了市場競爭力。

國際增材制造產(chǎn)業(yè)增長態(tài)勢良好，包括設(shè)備、材料、服務(wù)在內(nèi)的綜合增長率超過20%，金屬增材制造的年復(fù)合增長率超過30%；2021年市場規(guī)模為152億美元（同比增長19.5%），其中材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模為26億美元（同比增長23.4%） [22]。增材制造市場競爭格局相對集中，美國、中國占據(jù)著主要市場（前者占比為34.4%，后者占比為10.8%）；預(yù)計增材制造裝備市場仍將保持快速增長。

也要注意到，受國際形勢、COVID-19 疫情、各國政策導(dǎo)向的影響，主要國家之間的高端裝備制造業(yè)競爭格局正在出現(xiàn)調(diào)整；大型裝備企業(yè)傾向于采用兼并收購、服務(wù)增值等方式提升核心競爭力，將促進形成增材制造新產(chǎn)業(yè)鏈格局�？鐕�企業(yè)主導(dǎo)區(qū)域內(nèi)的供應(yīng)鏈布局調(diào)整，供應(yīng)鏈逐漸縮短將成為新趨勢；各國應(yīng)對氣候變化、實施碳減排所采取的積極措施，也將推動全球范圍內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈加速重構(gòu)，呈現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈趨于完整、供應(yīng)鏈多元化、產(chǎn)業(yè)分工區(qū)域化等趨勢。未來15年，制造業(yè)各領(lǐng)域原有的供應(yīng)鏈體系將被打斷并進行重組，考慮到技術(shù)成熟帶來的單位成本效益、本地打印制造的零件相比全球制造中心提供的零件更具成本效益，增材制造有望改變?nèi)�球制造產(chǎn)業(yè)鏈的價值結(jié)構(gòu)。因此，未來增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望進一步擴大。

三、我國增材制造技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀及面臨問題

（一）我國增材制造技術(shù)進展
我國初步建立了涵蓋3D打印材料、工藝、裝備技術(shù)到重大工程應(yīng)用的全鏈條增材制造技術(shù)創(chuàng)新體系，相關(guān)技術(shù)研究涉及從光固化材料的原型制造（產(chǎn)品開發(fā)）到大尺寸金屬材料的增減材一體化制造（裝備應(yīng)用）的完整環(huán)節(jié)，包括各類工藝的增材制造裝備與增材制造數(shù)據(jù)處理、各類成形工藝的路徑規(guī)劃軟件、模擬增材制造過程物理化學(xué)變化的數(shù)字仿真軟件、數(shù)字孿生體建模仿真、空間原位增材制造等。工程應(yīng)用技術(shù)拓展至工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品裝備創(chuàng)新、工業(yè)領(lǐng)域高價值部件的再制造修復(fù)、重大裝備的原位修復(fù)與制造等。在醫(yī)療領(lǐng)域，生物醫(yī)療3D打印成為精準醫(yī)療、康復(fù)保健研究的前沿技術(shù) [21]，相應(yīng)產(chǎn)品以面向患者的定制化解決方案，增材制造的康復(fù)器具、手術(shù)導(dǎo)航以及醫(yī)療植入物等為代表，極具應(yīng)用前景。

“十三五”時期以來，完成了10多類關(guān)鍵部件（如超高速激光熔覆頭、電子槍、微滴噴射打印頭）的技術(shù)攻關(guān)和自主生產(chǎn)，體現(xiàn)了核心部件的良好研制進展。開發(fā)的光內(nèi)送粉等20余種規(guī)格的激光熔覆噴頭，適用于1~20 kW激光直接能量沉積，在電機轉(zhuǎn)子、風(fēng)機轉(zhuǎn)子等動力部件的增材修復(fù)中獲得應(yīng)用。激光加熱陰極電子槍、大尺寸數(shù)字式動態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)、在線檢測系統(tǒng)等打破了國外公司的技術(shù)壁壘，國產(chǎn)3kW六硼化鑭單晶陰極電子槍的陰極壽命提升至800h；相關(guān)的電子槍及動態(tài)聚焦掃描系統(tǒng)配置于國產(chǎn)大幅面陣列式電子束選區(qū)熔化裝備。

通過持續(xù)努力，我國增材制造技術(shù)研究在工藝與裝備穩(wěn)定性、精度控制、變形與應(yīng)力調(diào)控等方面取得良好進展，大幅面動態(tài)鋪粉的旋轉(zhuǎn)粉末床增材制造裝備、新一代高性能難加工合金大型復(fù)雜構(gòu)件增減材制造裝備等系列產(chǎn)品研制成功并投入應(yīng)用。目前，增材制造技術(shù)在航空、航天、動力、能源領(lǐng)域的高端裝備制造方面獲得了廣泛認可，如采用激光熔覆沉積技術(shù)實現(xiàn)了投影面積達到16㎡的飛機發(fā)動機承力框、起落架的增材制造，解決了傳統(tǒng)方法難以處理的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、功能集成整體制造難題；采用多絲協(xié)同的電弧熔絲增減材工藝裝備，實現(xiàn)了10m尺寸級高強鋁合金運載火箭連接環(huán)樣件制造；開發(fā)了“融鑄鍛焊”一體化的創(chuàng)新工藝。此外，工業(yè)級顆粒料熔融擠出成型、樹脂及陶瓷漿料的光固化成型、金屬激光熔融沉積成型 [23]、等離子束/電弧熔絲成型、大幅面激光選區(qū)熔化成型、增減材混合制造等裝備實現(xiàn)了穩(wěn)定的工業(yè)級應(yīng)用；金屬黏合劑噴射3D打印技術(shù)能夠改善自身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的不足，有望走向低成本、批量化應(yīng)用。

科研院所、裝備制造企業(yè)與下游用戶組成“產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合體，協(xié)同開展大尺寸金屬增材制件的成形工藝與裝備、檢測技術(shù)、標準的研制。裝備企業(yè)積極推動增材制造技術(shù)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、材料、裝備、工藝、檢測評價等環(huán)節(jié)融入現(xiàn)有制造體系，提升新型號制造保障能力；開展復(fù)雜異形構(gòu)件研制及批產(chǎn)工作，帶動成熟的航天動力型號演進升級。以火箭發(fā)動機部件的增材制造為示范，掌握了鈦合金、高溫合金、不銹鋼、鋁合金、銅合金5類合金共16種牌號材料的應(yīng)用特性，實現(xiàn)了材料經(jīng)熱處理后5類力學(xué)性能指標與同成分鍛件水平相當(dāng)?shù)哪繕�；研究的材料種類覆蓋70%以上的常用鑄/ 鍛件難加工材料，實現(xiàn)了200余種產(chǎn)品的增材制造成形（含通過試車考核的90余種構(gòu)件、批量交付的30余種構(gòu)件）。

（二）我國增材制造產(chǎn)業(yè)進展
我國形成了國家級、省級、重要行業(yè)的增材制造創(chuàng)新中心協(xié)同布局，骨干企業(yè)率先發(fā)展的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)與產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系；增材制造產(chǎn)業(yè)鏈的各環(huán)節(jié)，包括原材料、關(guān)鍵零部件配套、裝備研制、共性技術(shù)研發(fā)平臺、應(yīng)用服務(wù)商以及各應(yīng)用領(lǐng)域，都在快速發(fā)展。我國消費級增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模全球領(lǐng)先。在高性能金屬增材制造原材料及其生產(chǎn)裝備方面，基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化替代，具有批量化供應(yīng)和成本競爭優(yōu)勢；核心器件及零部件的國產(chǎn)化進程加速，在國產(chǎn)中低端裝備上實現(xiàn)了規(guī)模化配套；高性能金屬增材制造裝備基本突破了規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化瓶頸，5軸增減材混合制造裝備已實現(xiàn)商用。增材制造砂型成為鑄造行業(yè)轉(zhuǎn)型升級突破口，建成萬噸級鑄造3D打印制造工廠；實現(xiàn)新型飛機研制過程中的增材制造結(jié)構(gòu)件占比超過3%，建成火箭發(fā)動機零組件的智能生產(chǎn)車間。此外，國家藥品監(jiān)督管理局成立了醫(yī)用增材制造技術(shù)醫(yī)療器械標準化技術(shù)歸口單位，圍繞增材制造醫(yī)療器械軟件、設(shè)備、原材料、工藝控制等，制定標準和規(guī)范，保障產(chǎn)業(yè)發(fā)展；針對多款增材制造產(chǎn)品批準了醫(yī)療器械注冊證，醫(yī)用增材制造產(chǎn)品的臨床應(yīng)用案例超過1×10000個，一批醫(yī)用增材制造產(chǎn)品（如3D打印可降解支架）進入了動物實驗、個例臨床試驗階段。

我國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模穩(wěn)步增長。中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟數(shù)據(jù)表明，2021年我國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模為265億元，30%的增速超出世界平均水平約10個百分點。增材制造產(chǎn)業(yè)鏈上的大、中、小企業(yè)融通發(fā)展格局顯現(xiàn)，國內(nèi)增材制造設(shè)備供應(yīng)商積極從跟隨狀態(tài)轉(zhuǎn)向自主創(chuàng)新發(fā)展，龍頭企業(yè)具備了參與國際市場競爭的技術(shù)能力。以京津冀地區(qū)、長江三角洲（長三角）地區(qū)、珠江三角洲（珠三角）地區(qū)為核心，中西部地區(qū)為紐帶的增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的地域空間格局基本形成，區(qū)域性產(chǎn)業(yè)鏈集聚優(yōu)勢逐步體現(xiàn)。

為應(yīng)對國際市場與技術(shù)交流的形勢變化，促進我國增材制造產(chǎn)業(yè)鏈的健康發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界積極推動增材制造“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同發(fā)展模式，補齊產(chǎn)業(yè)鏈薄弱環(huán)節(jié)，突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。增材制造產(chǎn)業(yè)鏈的上、中、下游機構(gòu)與企業(yè)緊密合作：下游的用戶從需求出發(fā)解決了合適的技術(shù)來源，上游的增材制造原材料生產(chǎn)與銷售商、中游的增材制造設(shè)備與打印產(chǎn)品服務(wù)廠商明確了技術(shù)開發(fā)重點及市場方向。例如，航空、航天、核電、醫(yī)療領(lǐng)域的用戶，與國內(nèi)相關(guān)企事業(yè)單位組成技術(shù)攻關(guān)聯(lián)合體，開展增材制件的實驗驗證與認證工作，實現(xiàn)國產(chǎn)材料、工藝裝備在各領(lǐng)域的“能用、敢用、規(guī)�；瘧�(yīng)用”。

未來經(jīng)濟發(fā)展的良好預(yù)期以及超大規(guī)模的內(nèi)需市場，是我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本動力�！�3D打印+”正在向汽車、模具、精準醫(yī)療、新能源、再制造等制造業(yè)的細分方向、社會生活的多個方面深入發(fā)展 [2]。隨著增材制造技術(shù)成熟度的提升，材料及生產(chǎn)成本的持續(xù)下降，增材制造技術(shù)的應(yīng)用范圍及產(chǎn)業(yè)規(guī)模有望進一步拓展，增材制造、減材制造、等材制造將逐漸在制造業(yè)價值鏈上形成“三分天下”格局。

（三）我國增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題
1. 共性技術(shù)研究及基礎(chǔ)器件能力存在不足
增材制造產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，依賴于關(guān)鍵技術(shù)的全面突破、技術(shù)體系成熟度的綜合提升，表現(xiàn)在擴展材料種類、改善成形效率、革新質(zhì)量控制手段、降低綜合成本。我國增材制造產(chǎn)業(yè)盡管增速較快，但原始創(chuàng)新能力依然不強，基礎(chǔ)共性技術(shù)、基礎(chǔ)器件配套能力、產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)研究差距客觀存在，工業(yè)軟件及核心器件的國產(chǎn)配套能力不足，部分核心關(guān)鍵技術(shù)受制于人。高端增材制造裝備使用的核心元器件（如打印頭、激光器、長壽命電子槍、掃描振鏡、微滴噴頭、精密光學(xué)器件等）、關(guān)鍵零部件、商業(yè)化工業(yè)軟件較多依賴進口；部分激光器、掃描器件已完成自主研制，但配套應(yīng)用規(guī)模較小，品質(zhì)與可靠性有待提高。國產(chǎn)高端金屬成形裝備在專用工藝包開發(fā)與成型精度方面較世界先進水平仍有差距。

增材制造行業(yè)的共性關(guān)鍵技術(shù)支撐能力有所不足，成為規(guī)�；瘧�(yīng)用的瓶頸環(huán)節(jié)。增材制造涉及學(xué)科眾多、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V，導(dǎo)致基礎(chǔ)理論研究、應(yīng)用基礎(chǔ)研究、學(xué)科交叉研究繁重而迫切。尤其是在民航、軌道交通、核電、醫(yī)療等行業(yè)，因嚴格監(jiān)管而面臨嚴格的產(chǎn)品準入要求 [21,24]，但面向產(chǎn)品全生命周期（設(shè)計、制造、經(jīng)銷、服役用、維修保養(yǎng)、回收/再用處置）的質(zhì)量保證與認證研究仍處于初期階段，不利于增材制造技術(shù)及產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏、標準建設(shè)滯后的整體態(tài)勢類似，增材制造高性能專用材料及其成形工藝包等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累較少，標準及質(zhì)量評價體系不完整。特別是面向各領(lǐng)域應(yīng)用的缺陷檢測及質(zhì)量評價技術(shù)研究不足，導(dǎo)致增材制件在復(fù)雜工況/環(huán)境服役的可靠性數(shù)數(shù)據(jù)偏少，增材制件在高溫、超高壓、深冷、復(fù)雜腐蝕等極端條件下的缺陷檢驗檢測與臨界失效預(yù)測預(yù)警技術(shù)，系統(tǒng)工程風(fēng)險評估技術(shù)，超期服役、長周期運行的結(jié)構(gòu)完整性評價技術(shù)等均有待突破，制約了增材制造產(chǎn)業(yè)的規(guī)�；�發(fā)展。

2. 面向國際市場的專利布局滯后
面向國際市場開展專利布局，才能保障我國增材制造產(chǎn)業(yè)的未來競爭力。美國、德國、日本、韓國都高度重視專利布局并偏重國際市場，如德國籍專利發(fā)明人申請的專利有66.2%的在國外申請，日本的海外專利占比達到48.4%。相比之下，我國專利申請人的專利布局重點仍局限于本土，如國內(nèi)申請的專利占總量的97.8%，即僅有2.2%的專利瞄準海外布局 [19]。因此，發(fā)達國家構(gòu)建的專利壁壘對我國企業(yè)在增材制造、激光制造領(lǐng)域的投入及研究產(chǎn)生了明顯干擾。擁有核心自主知識產(chǎn)權(quán)體系，是打破國外技術(shù)壁壘與封鎖的依托，也是壯大國內(nèi)增材制造產(chǎn)業(yè)的核心環(huán)節(jié)。在增材制造領(lǐng)域日益激烈的國際市場競爭背景下，我國增材制造技術(shù)專利的保護力度相對不足，信息與技術(shù)的市場化共享渠道不暢；應(yīng)把握增材制造技術(shù)的國際制高點，以更大力度實施相關(guān)專利的海外市場布局，化解增材制造產(chǎn)業(yè)國際化的發(fā)展風(fēng)險。

3. 產(chǎn)業(yè)規(guī)模與產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)有待深化
我國增材制造產(chǎn)業(yè)初步形成了完整的生態(tài)鏈，構(gòu)建了產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈風(fēng)險的應(yīng)對機制，但客觀來看仍存在分布不集中、企業(yè)規(guī)模小、綜合競爭力弱等問題�！皩＞�特新”企業(yè)數(shù)量少、成立時間短，研發(fā)強度和市場競爭力在短期內(nèi)離不開產(chǎn)業(yè)政策扶持；各應(yīng)用領(lǐng)域的示范推廣和商業(yè)應(yīng)用規(guī)模仍待發(fā)展 [25]，國際化僅處于起步階段。工業(yè)企業(yè)除了因成本控制而限制推廣規(guī)模之外，對增材制造技術(shù)的認識仍不夠深入，實施創(chuàng)新應(yīng)用的開拓能力不足；多是沿用國外案例經(jīng)驗或由市場競爭倒逼，偏好短期規(guī)模效益、跟隨市場熱點進行重復(fù)投資，而對技術(shù)創(chuàng)新難度大的產(chǎn)品缺乏持續(xù)投入動力�，F(xiàn)有的增材制造產(chǎn)業(yè)集群呈現(xiàn)“小集中、大分散”分布特征，產(chǎn)業(yè)鏈過于圍繞中游（增材制造裝備）展開；通用技術(shù)薄弱、創(chuàng)新能力體系不強、人才與研發(fā)經(jīng)費保障不充分、行業(yè)利潤不足以支撐可持續(xù)發(fā)展，成為增材制造行業(yè)面臨的共性問題。

跨部門和區(qū)域的協(xié)調(diào)發(fā)展機制不完善，各省份的產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)劃互補性弱，部分增材制造產(chǎn)業(yè)園區(qū)同質(zhì)化競爭現(xiàn)象嚴重；地區(qū)之間的搶鏈風(fēng)險和局部市場壁壘問題，阻礙了增材制造產(chǎn)業(yè)鏈的優(yōu)質(zhì)發(fā)展。在區(qū)域內(nèi)，大型企業(yè)的獨立性較高，業(yè)務(wù)覆蓋原材料、裝備、應(yīng)用等環(huán)節(jié)，幾乎包攬所有研發(fā)與生產(chǎn)任務(wù)，小型企業(yè)尤其是初創(chuàng)公司難以參與配套的發(fā)展模式有待革新。國有企業(yè)在設(shè)備采購中過分強調(diào)業(yè)績記錄，導(dǎo)致自主創(chuàng)新技術(shù)不易獲得應(yīng)用實踐機會。因此，增材制造產(chǎn)業(yè)集群的發(fā)展水平和發(fā)展質(zhì)量不平衡問題較為突出，亟待破解。

四、面向未來的增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)前瞻布局

（一）生物醫(yī)藥與醫(yī)療器械增材制造
生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)、新型治療技術(shù)的發(fā)展，對生物醫(yī)藥與醫(yī)療器械制造技術(shù)提出更高要求。增材制造是實現(xiàn)個性化診療方案與植入物制造的關(guān)鍵技術(shù)。在當(dāng)前3D打印應(yīng)用于精準醫(yī)療的基礎(chǔ)上，繼續(xù)完善醫(yī)用增材制造產(chǎn)品的認證標準、法規(guī)、評價體系，創(chuàng)新發(fā)展高效增材制造的新工藝、新技術(shù)、新裝備：基于3D打印技術(shù)，發(fā)展受控釋放的藥物制劑打印產(chǎn)品，制造滿足生物相容性的骨科植入物以及基于可降解材料的打印產(chǎn)品；發(fā)展基于生長因子的3D打印技術(shù)，形成人體器官再造的重大突破；探索體內(nèi)原位打印修復(fù)技術(shù)，為骨缺損臨床修復(fù)填充、部分功能器官修復(fù)提供新手段。針對社會老齡化現(xiàn)象，基于增材制造技術(shù)研究人體老化器官功能再生方案，延長人類的健康壽命、提升人類的生活質(zhì)量，從而取得生命科學(xué)的重大創(chuàng)新成果，開創(chuàng)規(guī)模化的新興產(chǎn)業(yè)。

（二）大型高性能復(fù)雜構(gòu)件的增材制造
瞄準航空、航天、船舶、核能等領(lǐng)域重大裝備的發(fā)展需求，突破大型復(fù)雜精密構(gòu)件研發(fā)生產(chǎn)的“卡脖子”技術(shù)環(huán)節(jié)，如高性能鋁合金、鈦合金、船用鋼、高溫難熔難加工合金、復(fù)合材料等材料的大型復(fù)雜構(gòu)件高效增材制造工藝，系列化的工程成套裝備性能控制及質(zhì)量評價、檢測標準認證與工程化應(yīng)用等；重點攻關(guān)大型高性能復(fù)雜構(gòu)件制造的組織性能調(diào)控、在線質(zhì)量檢測、服役性能預(yù)測、裝備集成與可靠性等技術(shù)。以增材制造技術(shù)的應(yīng)用提升來推動重點工程、重大裝備的建設(shè)突破，提升相關(guān)產(chǎn)品的研制水平和更新?lián)Q代能力。

（三）空間增材制造
在形成空間新材料、新裝備、新工藝、新應(yīng)用，提高空間活動能力，增強空間開發(fā)利用優(yōu)勢方面具有重要價值。面向工程實際需求，針對宇航器、空間站、衛(wèi)星的在軌制造與維修，太陽能電池陣列、天線、光學(xué)系統(tǒng)等大型空間結(jié)構(gòu)的在軌制造與組裝，外星球基地建設(shè)等長遠發(fā)展規(guī)劃，著力提升空間增材制造技術(shù)。系統(tǒng)級的研究布局有艙內(nèi)微重力環(huán)境下的增材制造技術(shù)與裝備、適應(yīng)艙外極端環(huán)境的新材料成形技術(shù)與裝備、空間巨型結(jié)構(gòu)的多方位增材制造技術(shù)、在軌制造工廠。突破真空微重力環(huán)境下的金屬冶金與部件原位修復(fù)，輕質(zhì)金屬及新合金的原位增材制造，復(fù)合材料空間增材制造，多材料、多功能器件的空間增材制造，生物器官的空間增材制造等技術(shù)，構(gòu)建在軌制造技術(shù)體系。此外，利用外星物質(zhì)進行新合金原位冶金及增材制造、月壤基地3D打印等也是亟待發(fā)展的大規(guī)�？臻g開發(fā)支撐技術(shù)。以空間增材制造技術(shù)的基礎(chǔ)研究為突破口，快速轉(zhuǎn)化應(yīng)用能力，探索商業(yè)應(yīng)用示范。未來結(jié)合民用、商業(yè)、國防需求，開辟新的制造體系、人類新的制造基地，為解決地外資源原位利用、拓展人類地外持續(xù)生存與活動能力提供戰(zhàn)略性保障。
（四）基于增材制造的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與新材料發(fā)明
面向能源領(lǐng)域發(fā)展需求，基于增材制造技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計將顯著縮小換熱器結(jié)構(gòu)，支持小型化、模塊化、可移動的核電小堆裝備工程化開發(fā)，為核電安全性提升及潛在的電力供應(yīng)安全提供保障；研究堆芯燃料組件、核主泵、換熱器、熱電轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，新材料及相應(yīng)的增材制造技術(shù)，探索增材制造在線增強增韌技術(shù)，提高增材制件的復(fù)雜工況服役性能，超前布局并構(gòu)建核電行業(yè)增材制造標準及質(zhì)量評價體系。針對前沿新材料，發(fā)揮增材制造技術(shù)在材料基因組設(shè)計新合金、多材料及功能復(fù)合材料構(gòu)件制造方面的平臺技術(shù)作用，研究基于增材制造的新材料合成技術(shù)、新材料增材制造工藝及其應(yīng)用，形成高端裝備用特種合金、電子打印材料、生物醫(yī)用材料、智能仿生材料、高性能纖維復(fù)合材料、高性能陶瓷基復(fù)合材料、新型合金材料等；依托增材制造技術(shù)，構(gòu)建新材料發(fā)明的創(chuàng)新體系，提升材料研發(fā)能力和新材料產(chǎn)業(yè)競爭力。

五、我國增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

（一）建立增材制造協(xié)同創(chuàng)新機制并支持企業(yè)開展應(yīng)用創(chuàng)新
建議以國家整體目標、產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求為導(dǎo)向，統(tǒng)籌正在規(guī)劃建設(shè)、以各類創(chuàng)新中心為代表的國家戰(zhàn)略科技力量；在增材制造重點領(lǐng)域給予連續(xù)性政策支持，借鑒國際先進科研機構(gòu)的管理模式與經(jīng)驗，構(gòu)建穩(wěn)定適用的團隊管理模式，兼顧科研團隊的穩(wěn)定發(fā)展與分工協(xié)同。建立由國家級科研機構(gòu)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、第三方機構(gòu)組成的產(chǎn)業(yè)鏈安全預(yù)警機制，加強增材制造前沿技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略研究，制定增材制造工業(yè)基礎(chǔ)能力與關(guān)鍵共性技術(shù)提升計劃、發(fā)展目錄、標準開發(fā)以及增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖。建設(shè)各類科研機構(gòu)、科研項目的協(xié)同機制，開展增材制造產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)與關(guān)鍵共性技術(shù)研究，支持解決前沿技術(shù)和創(chuàng)新成果的工程轉(zhuǎn)化難題，為裝備制造行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈高級化、產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化提供堅實支撐。

建議制定鼓勵企業(yè)應(yīng)用自主技術(shù)產(chǎn)品的獎勵和補助政策、符合技術(shù)創(chuàng)新規(guī)律的新型科技機構(gòu)考核與管理辦法。明確考核導(dǎo)向，提高技術(shù)創(chuàng)新在考核中的比重，分類考核長期研發(fā)投入和產(chǎn)出，形成長期扶持、鼓勵創(chuàng)新、寬容失敗的考核機制，激發(fā)企業(yè)創(chuàng)新動力；引導(dǎo)企業(yè)從依靠過度資源消耗、低性能/低成本競爭模式轉(zhuǎn)向依靠技術(shù)與應(yīng)用創(chuàng)新、實施差別化競爭模式，提升中國制造行業(yè)的國際競爭力。

（二）圍繞重大裝備需求開展增材制造工藝變革專項技術(shù)攻關(guān)
圍繞國防重大戰(zhàn)略需求、國際前沿競爭需要，開展重大裝備發(fā)展的頂層設(shè)計，從原始創(chuàng)新、新材料、核心器件、工業(yè)軟件、高端裝備、創(chuàng)新應(yīng)用等方面著手，強化增材制造技術(shù)創(chuàng)新體系。建議設(shè)立增材制造工藝變革科技專項（簡稱“科技專項”），建設(shè)用戶牽頭、多元主體參與的協(xié)同機制并形成“產(chǎn)學(xué)研用”聯(lián)合體；建設(shè)增材制造產(chǎn)業(yè)鏈的產(chǎn)品質(zhì)量保障體系，覆蓋原材料規(guī)范、成形精度、生產(chǎn)效率、專用軟件、制造裝備、后處理、檢測檢驗、標準等；破解增材制造產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)瓶頸環(huán)節(jié)，為重大裝備制造提供配套技術(shù)支撐。

科技專項將重點支持增材制造在重大裝備研發(fā)與生產(chǎn)單位中的技術(shù)擴散和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，推動國產(chǎn)的材料、軟件、器件、制造裝備、應(yīng)用工藝流程等全鏈條技術(shù)在大型飛機及無人機、航空/航天發(fā)動機、重型運載火箭、空間飛行器、汽車、醫(yī)療器械、海洋裝備等工程裝備及關(guān)鍵部件整體化制造中的應(yīng)用示范，培育并提升中小企業(yè)在增材制造產(chǎn)業(yè)鏈中的參與程度�？萍紝ｍ棇⒅攸c引導(dǎo)增材制造技術(shù)在真實場景中的加速應(yīng)用及技術(shù)迭代，建設(shè)面向應(yīng)用對象的增材制造全工藝流程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，適應(yīng)技術(shù)研究、性能驗證、產(chǎn)品研制的實際需要；在深層次解決國產(chǎn)材料、關(guān)鍵功能部件、工業(yè)軟件等產(chǎn)業(yè)配套問題的同時，實質(zhì)性提升增材制造關(guān)鍵技術(shù)與裝備的國產(chǎn)化能力及國際市場競爭力。

（三）深化區(qū)域性增材制造產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)
把握國際高端裝備產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展趨勢與規(guī)律，立足國情實際與裝備需求，優(yōu)化頂層設(shè)計并統(tǒng)籌區(qū)域性增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。針對增材制造創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)密集、資金密集、人才密集特點，建議整合各地區(qū)的優(yōu)勢科技資源與先進制造產(chǎn)業(yè)鏈資源，高效推動“3D 打印+”細分行業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展。圍繞世界級產(chǎn)業(yè)集群建設(shè)目標，以京津冀地區(qū)、長三角地區(qū)、珠三角地區(qū)、中西部地區(qū)的增材制造產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢聚集區(qū)為基礎(chǔ)，推進增材制造技術(shù)與各地區(qū)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈的深度融合；打破不合理的地區(qū)限制和隱性壁壘，推動產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈的跨區(qū)域協(xié)同發(fā)展，形成具有國際競爭優(yōu)勢的中國增材制造產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)。

建議成立由管理部門、創(chuàng)新平臺、企業(yè)用戶共同參與的增材制造產(chǎn)業(yè)鏈“雙鏈主”，在整機及關(guān)鍵功能部件、應(yīng)用創(chuàng)新方面提供必要支持，實施技術(shù)攻關(guān)和應(yīng)用示范，實現(xiàn)增材制造產(chǎn)業(yè)鏈與區(qū)域內(nèi)各應(yīng)用行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展。合理給予稅收優(yōu)惠或金融支持，引導(dǎo)中小企業(yè)向“專精特新”方向成長，支持深耕基礎(chǔ)零部件、材料、元器件、傳感器、工業(yè)軟件、專用裝備等細分領(lǐng)域，以差異化發(fā)展實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈提升。鼓勵各類企業(yè)采取投資入股、聯(lián)合投資等方式，與增材制造創(chuàng)新平臺開展深度合作，實現(xiàn)創(chuàng)新資源高效整合、創(chuàng)新驅(qū)動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。推動各領(lǐng)域的重點企業(yè)加大國產(chǎn)增材制造裝備、國產(chǎn)器件的應(yīng)用力度，推動軍民技術(shù)的一體化發(fā)展，以應(yīng)用創(chuàng)新促進能力提升。

參考文獻：略