【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)有技術及材料缺乏，現(xiàn)階段3D打印技術試驗性用途大于實用性。哥本哈根未來研究學院（CIFS）名譽主任約翰·彼得·帕魯坦說過，我們的社會通常會高估新技術的可能性，同時卻又低估它們的長期發(fā)展?jié)摿�。南極熊認為，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年國際金融危機以來，以美國、歐盟為代表的西方發(fā)達國家開始積極尋找擺脫經濟危機的方法，并重新審視實體經濟和虛擬經濟之間的關系。這些發(fā)達國家紛紛調整經濟發(fā)展戰(zhàn)略，提出“再工業(yè)化”概念，希望通過重振制造業(yè)來拉動經濟復蘇，保持發(fā)達國家在核心科技領域的優(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)促進法案》、《先進制造伙伴（AMP）計劃》和《先進制造業(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、促進美國先進制造業(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)新網絡”計劃（NNMI），遴選出制造領域15項前沿性、前瞻性的制造技術，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（也被稱為3D打�。┍淮_定為首個制造業(yè)創(chuàng)新中心；8月，總投入達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)新中心是由產業(yè)界、學術界、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和產品的開發(fā)，并成為新技術研究、開發(fā)、示范、轉移和推廣的基礎平臺。
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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、拜耳材料科學等全球知名公司，卡內基-梅隆大學、阿克隆大學、MIT林肯實驗室等全球知名研究機構，以及美國宇航局、能源部、教育部等美國政府部門。由此可見，增材制造不單被認為是一項新興技術，它同其他先進制造技術一起承載了美國重振制造業(yè)的希望，是美國實現(xiàn)先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略的技術保障。

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)在有機會在下一輪高技術制造業(yè)崗位競爭中戰(zhàn)勝其他國家。我們已經在羅利和揚斯敦開始運行高技術制造業(yè)中心（國家增材制造創(chuàng)新中心），把商業(yè)和研究型大學聯(lián)系起來，幫助美國引領世界先進技術的發(fā)展�！� 隨著美國政府強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、學者與媒體也紛紛發(fā)布報告或撰文，進行輿論宣傳，營造良好的社會環(huán)境。

2012年3月，美國國防部防務分析研究所（IDA）發(fā)布了題為“增材制造業(yè)：現(xiàn)狀與機遇”的研究報告，全面介紹了增材制造的現(xiàn)狀和關鍵技術的研究進展，面臨的技術挑戰(zhàn)，和政府應發(fā)揮的作用。同年4月，英國《經濟學人》（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)展趨勢進行了展望，認為增材制造將“與其他數字化生產模式一起推動、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年新興技術炒作周期》報告認為綜合了數字建模、材料與化學、自動化控制、信息技術等多方面知識的增材制造技術將徹底顛覆現(xiàn)有生產和商業(yè)模式。其制造方式跟打印數字相片相似，允許客戶在家里面打印實體物件。結合3D掃描技術，將可通過智能手機掃描特定對象，然后打印出相近的復制品。這項技術已經從技術萌芽期發(fā)展到期望膨脹期，與大數據一起成為當今最受市場關注的新技術之一。而生物三維打印也將在10年后達到期望膨脹期高點（見圖2）。

短期內大幅度的媒體曝光引爆了全球對此技術的關注，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的研發(fā)及應用推廣。英國、德國、加拿大、日本、澳大利亞、新加坡等國相繼開始設立增材制造技術研究中心，建立大學、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標準，以促進本國增材制造技術的研發(fā)及產業(yè)化應用，搶占戰(zhàn)略制高點。

2.國內情況
我國自20世紀90年代初就開始開展快速成型技術/增材制造技術的研究和應用。在國家自然科學基金委員會、科技部、工信部等多個部門的持續(xù)支持下，我國在設備制造、材料技術、軟件開發(fā)、工業(yè)應用等方面開展了積極的探索，打下了良好的基礎。隨著近期國際關注的持續(xù)升溫，此項技術也成為國內媒體、科研院所、企業(yè)、各地政府關注的熱點，增材制造中心在全國許多高校遍地開花，產業(yè)蓬勃發(fā)展。2012年10月中國3D打印技術產業(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、成都等城市也已經開始興建增材制造產業(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“國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）和國家科技支撐計劃制造領域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計和統(tǒng)籌規(guī)劃，制定技術路線圖和產業(yè)發(fā)展專項政策。

2013年12月，中共中央政治局委員、國務院副總理馬凱到北京航空航天大學調研考察時指出，增材制造這項技術的成功研發(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)的國際競爭產生深遠影響。他強調，必須高度重視對高性能增材制造技術研究的支持和引導，堅持市場導向、企業(yè)主體和政府引導的產業(yè)發(fā)展方向,堅持創(chuàng)新驅動、產業(yè)引領和人才支撐等產業(yè)發(fā)展策略，突出抓好設備、材料和相關軟件的科技攻關。

二、發(fā)展增材制造的意義

1.為什么增材制造受到設計者、制造者和消費者的關注？
增材制造是融合了計算機輔助設計、材料加工與成形技術，以數字化模型文件為基礎，通過軟件與數控系統(tǒng)將特制材料逐層堆積固化，制造出實體產品的制造技術。它與傳統(tǒng)的、對原材料進行切削、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)的復雜結構制造變?yōu)榭赡堋＿@將大大簡化產品設計，提高零部件的集成度，加快產品開發(fā)周期。


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

第二，新的設計理念。由于增材制造技術是通過層層堆積的方式來進行生產，可以制造出形狀高度復雜的產品。這使得過去受到傳統(tǒng)加工方式的約束，而無法實現(xiàn)的復雜結構制造變?yōu)榭赡堋＿@將大大簡化產品設計，提高零部件的集成度，加快產品開發(fā)周期。例如對于航空航天領域來說，可以通過優(yōu)化產品的幾何形狀來降低零部件重量，以此改進強度-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)不同的力學性能），以滿足實際需求。同時，由于不涉及熔煉、鍛造、機 加工等工序，增材制造可以使產品的研發(fā)周期縮短了30%～50%，明顯縮短產品的開發(fā)成本與周期。  

第三，新的商業(yè)模式。隨著數字技術的發(fā)展，增材制造與互聯(lián)網結合起來還將使得消費者直接參與到產品生命周期當中，從最初的設計過程、到生產制造、再到后期產品的維修，并借助網絡實現(xiàn)數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，刺激了新的產品設計模式、銷售商業(yè)模式和供應鏈管理模式的產生，使相關企業(yè)受益（圖4）。消費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，另一方面使產品更容易適應市場需求，降低業(yè)務風險。

第四，實現(xiàn)個性化產品制造。由于具有“自由設計”和“無需工具”的優(yōu)點，增材制造將使得商業(yè)化個性制造成為可能，從運用X線電子計算機斷層掃描（CT）和核磁共振成像（MRI）掃描數據打印出百分百符合患者需求的植入物，到個性化的消費品如鞋子、珠寶和家庭用品。隨著科技的進一步發(fā)展，利用增材制造技術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)學帶來一次革命性的變革。

第五，順應綠色經濟發(fā)展模式。相對于利用切削機床對毛坯進行加工的“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鏈，使得傳統(tǒng)的離岸經濟模式得以改變。它將允許在靠近消費區(qū)域的地點進行同步生產，實現(xiàn)分布式制造。這將顯著地削減將量產商品從生產地運送到消費地所消耗的大量能源，對 當地經濟、環(huán)境和消費者都頗具益處。

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，經過多年的發(fā)展，其應用領域已經開始拓展到電子、汽車、醫(yī)療、工業(yè)及商用機器、航空航天等眾多行業(yè)。據《Wohlers Report 2013》發(fā)布的信息，2012年增材制造全球產值為22.04億美元，比2011年的17.14億美元增長28.6%。預計2015年產業(yè)規(guī)模將翻番達到40億美元。雖然增材制造技術在近幾年得到了快速的發(fā)展，但根據業(yè)內人士分析，目前此技術的市場滲透率仍然不足8%。一部分原因是由于此項技術的認知度不足，但更重要的是此項技術目前還面臨一些技術瓶頸，限制了其更大規(guī)模的應用。如果可以突破這些瓶頸，那么此項技術的市場滲透率將達到92%，其產值將在2020年超過1 000億美元。對比之下，目前全球航天產業(yè)年產值約為3 300億美元。

由此可見，作為一種高附加值的制造業(yè)經濟，增材制造將有可能成長為一個龐大的產業(yè)，在中國未來經濟發(fā)展中發(fā)揮重要作用。目前，這項技術已經在航空航天、醫(yī)療器械和創(chuàng)意行業(yè)等領域實現(xiàn)了小規(guī)模應用，并開始向其他行業(yè)拓展。與之相關的儀器裝備、材料生產、軟件開發(fā)及創(chuàng)意設計等行業(yè)也 將迎來重大的市場機遇。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，增強國家先進制造技術的國際競爭力。雖然我國制造業(yè)規(guī)模已經位居世界第一，但總體上大而不強。隨著制造業(yè)逐步實現(xiàn)數字化，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，生產制造將從大型、復雜、昂貴、冗長的工業(yè)過程中分離出來。部分高附加值產品的生產方式將像圓圈一樣又繞回到了原點，從大規(guī)模生產轉回到個性化生產。

生產目標將不再是追求規(guī)模經濟，而是更快更靈活的生產。這一轉變將有可能導致新興市場的一些生產崗位重新回到發(fā)達國家手中。另外，增材制造和傳統(tǒng)制造工藝的結合將可促進產業(yè)升級。例如，機械零件制造所用的復雜模具就可以通過增材制造技術生產。德國EOS通過此技術生產的一款產品，成本降低了近85%，生產周期降低了50%，有力的促進了復雜磨具和機械零件制造技術的進步。因此，面對發(fā)達國家實行的“制造業(yè)復興計劃”，積極發(fā)展以增材制造為代表的先進制造業(yè)技術，帶動傳統(tǒng)制造業(yè)實現(xiàn)轉型升級，推動我國由制造大國向制造強國的轉變，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)產品制造，超過90%的原材料可以回收再利用，此技術具有節(jié)料、節(jié)能、環(huán)保的特點。這對于一些大量應用于國民經濟和國防工業(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生大量難以再利用的廢屑，造成巨大的原材料浪費。如F22戰(zhàn)機的鈦合金框重量為144kg，但其原始鍛件質量高達到2 980kg，材料利用率僅為4.8%。運用增材制造技術，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。增材制造技術最具開創(chuàng)性、革命性意義的應用是進行人體組織的“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，則可以使用患者的細胞制作“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。設計和制造有生命的人體組織，甚至是人體器官已經成為生命科學前沿研究中的重點方向，其發(fā)展和應用正在催生一個新的學科——再生醫(yī)學。未來20年內，再生醫(yī)學的年產值將突破5 000億美元，替代常規(guī)的生物材料成為生物醫(yī)用材料產業(yè)的主體。因此，發(fā)展增材制造不僅可以促進我國生物醫(yī)藥產業(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)的新型設計理念、生產方式和商業(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的制造技術，它還將對現(xiàn)有的設計理念、生產方式和商業(yè)模式產生沖擊，使得制造和設計被整合成為“精益設計”模式。這不但會影響制造業(yè)本身，還將改變經濟發(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雜性降至最低，而通過精益設計提高制造的靈活度將成為產業(yè)發(fā)展趨勢。面向制造的設計與面向裝配的設計理念將逐步為人接受，并成為行業(yè)領軍企業(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快速發(fā)展的趨勢，如iTunes等數碼產品的興起盤活了傳統(tǒng)的音樂和影視產業(yè)，淘寶等電子商務的崛起激活了大眾消費潛能釋放一樣，增材制造將有可能實現(xiàn)大量現(xiàn)有產品的數字化文件（3D模型文件）授權和交易。

未 來，隨著互聯(lián)網的愈發(fā)普及，人聯(lián)網、物聯(lián)網、服務網的大融合所產生的“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和網絡空間虛擬系統(tǒng)，實現(xiàn)制造的智能化（見圖5）。這不僅僅可以使公司內部人員得到解放，將精力投入到創(chuàng)新和增值業(yè)務上去，還可通過遠程合作來實現(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、全面參與構建兼具個性化和數值化的產品與服務，催生出新的活動領域和合作形式，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，順應信息化下制造方式的轉變，通過先進技術引導實現(xiàn)“中國制造”到“中國創(chuàng)造”的轉變將變得尤為重要。

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