我国增材制造产业化实现路径

增材制造（3D打印）技术是通过 CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造零件的技术，相对于传统的材料去除（切削加工）技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。

世界科技强国和新兴市场国家都将这一技术作为未来产业发展新的增长点加以培育和支持，力争抢占未来科技和产业的制高点。

国际金融危机爆发后，美国将发展增材制造技术作为重振制造业的第一个政府科技计划。美国总统奥巴马提出用原先一半的时间、一半的费用完成产品开发，以保持美国作为世界创新“发动机”的地位。2012年8月，奥巴马以“我们不能再等待了”为主题，宣布实施增材制造技术计划项目，还在2013年初的国情咨文中多次强调增材制造技术的重要性，称其将加速美国经济的增长。

欧盟国家认识到增材制造技术对工业乃至整个国家发展的重要作用及巨大潜力，纷纷加大支持力度。德国于2008年成立了增材制造研究中心（DMRC），西门子等公司为该中心提供资助。德国在金属零件增材制造方面处于全球领先地位，占市场总份额的50%以上。英国在《未来高附加值制造技术展望》报告中把增材制造技术作为提升国家竞争力、应对未来挑战亟须发展的22项先进技术之一，且自2011年开始持续增加增材制造技术的研发经费。目前，已在四所大学建成四个增材制造研究中心。法国增材制造协会（AFPR）致力于增材制造技术标准的研究和增材制造技术的应用。

澳大利亚政府宣布支持一项航空航天领域革命性的项目“微型发动机增材制造技术”。

日本较早就开始重视增材制造技术，积极领导企业发展。从1988年到2011年，日本各增材制造设备厂商共销售了1825套设备。新加坡2013年财政预算案宣布，政府将在5年内投资5亿美元，以提高国家的先进制造业，包括让增材制造行业迅速崛起。

2011年南非增材制造技术快速发展。增材制造设备在南非的数量翻了一番，而且囊括了从低端到高端的所有类型产品。南非增材制造委员会制定了增材制造技术可持续发展的行动计划，力图使南非成为非洲各国技术引进的门户。

自上世纪90年代初，我国也开展了增材制造技术相关研究，形成了以高校和科研院所为研发力量、高校派生企业为产业化主体、航空和医疗应用为主要领域的发展格局。目前主要设备已形成了产业化，广泛应用于医疗、航空航天、汽车、军工、模具、电子电器、造船等行业。在全国已建立了20多个服务中心，从模具设计、制造到新产品开发开展了多方位的服务，推动了我国制造技术和制造业的发展。特别在航空领域取得了较大进展，最典型的应用是在歼15舰载机的飞机研制过程中，显著提高了飞机研发速度。在医学领域我国较早开展了有关工作，2001年就有实施国际首例增材制造技术颌面个性化修复的案例。

我国发展增材制造技术起步不晚且已取得较大进展，形成了较好的基础，但在基础研究、产业化发展、工程应用和推广应用方面与美欧发达国家相比还有很大差距。我国增材制造技术与产业尚未形成材料-工艺-装备-应用完整的科研和产业链。材料的基础研究、材料的制备工艺以及产业化方面与国外相比存在相当大的差距。很多增材制造工艺装备国内都已研制成功，但智能化程度低于国外先进水平。我国大部分增材制造装备的核心元器件还主要依靠进口。

我国增材制造产业化前景

增材制造技术作为一项正在发展中的制造技术，其成熟度还远不能同金属切削、铸、锻、焊、粉末冶金等制造技术相比，还有大量研究工作需要进行，包括激光成形专用合金体系、零件的组织与性能控制、应力变形控制、缺陷的检测与控制、先进装备的研发等，涉及到从科学基础、工程化应用到产业化生产的质量保证各个层次的研究工作。

增材制造技术代表着制造技术发展的趋势，满足社会多样化需求，优势在于制造周期短、适合单件个性化需求、大型薄壁件制造、钛合金等难加工易热成形零件制造、结构复杂零件制造，在航空航天、医疗等领域，产品开发阶段和创新教育上具有广阔发展空间。

增材制造技术向着如下几个方向发展：（1）向日常消费品制造方向发展；（2）向功能零件制造发展；（3）向智能化装备发展；（4）向组织与结构一体化制造发展。

增材制造技术的应用，为许多新产业和新技术的发展提供了快速响应制造技术。例如，在生物假体与组织工程上的应用，为人工定制化假体制造、三维组织支架制造提供了有效的技术手段。在汽车车型快速开发和飞机外形设计上应用增材制造技术，加快了产品设计速度。国外增材制造技术在航空领域应用量超过12%，而我国的应用量则非常低。增材制造技术尤其适合于航空航天产品中的零部件单件小批量的制造，具有成本低和效率高的优点，在航空发动机的空心涡轮叶片、风洞模型制造和复杂精密结构件制造方面具有巨大的应用潜力。

增材制造技术制造高性能钛合金零部件是打造高附加值钛及钛合金产业的一个重要方向，在大型客机、高档汽车以及生物医用等钛合金零部件市场有广阔的市场前景。据不完全统计，C919飞机的中央翼肋、机头窗框、襟缝翼滑轨等重要承力钛合金部件，年市场规模12亿元左右；石油化工、航空发动机、汽车用各类钛合金及TiAl叶片、叶盘、阀体等复杂零件，年市场规模3.6亿元左右；而生物医用植入体产业更为巨大，据不完全统计市场规模产值约150亿元左右。

我国增材制造产业化过程中的问题

我国增材制造的产业化过程中目前面临的主要问题是：

（1）原材料。增材制造工艺中采用的原材料有液态光敏树脂、高分子颗粒、金属粉末等，虽然各种材料在我国国内均有生产商，但是市场上大部分增材制造用原材料需从国外进口，价格昂贵。例如，用于光固化成形的光敏树脂进口价格在1500元/公斤左右，国产价格为800元/公斤左右，但是国产树脂性能（成形精度、成形件力学性能等）距国外同类产品还有一定的差距。在高品质球形钛及钛合金粉末方面，以美国、德国、俄罗斯为代表的发达工业强国拥有多种钛及钛合金球形粉末制备技术，包括先进的气雾化技术（GA技术）、旋转电极雾化技术（PREP技术）以及等离子球化技术等，开发的球形钛及钛合金粉末不仅满足传统近净成形工艺的要求，而且满足增材制造等新型近净成形工艺的新要求，粉末粒度可达d50≤74μm，已经形成了具有高附加值的稀有金属粉末产业。我国在球形钛及钛合金粉末起步于上世纪80年代，经过几十年的发展，国内的有关科研单位自主开发出了PREP装备及技术，生产的球形钛及钛合金d50≈150μm，只是初步满足了增材制造技术的要求。但是对于采用铺粉工艺的增材制造技术所需的细粒径的球形钛合金粉末还是主要依赖进口。由此可见原材料的缺乏将会限制我国增材制造技术的推广及产业化发展。

（2）增材制造装备及关键元器件。根据Wohlers 2012年报告中提供的数据，我国增材制造装备安装量占全球8.6%，装备生产量占全球3.6%，这意味着我国作为一个制造业大国，增材制造装备及其生产能力远远落后于欧美发达国家，由于增材制造的应用水平是未来衡量一个国家创新能力水平的重要方面，我国如不加快装备研发，差距将会进一步拉大；限制增材制造装备生产力的一个重要因素是关键元器件，如激光器、扫描振镜、精密光学器件等大部分均依赖进口，激光器市场被如IPG、DPSS、AOC等国际企业占有，扫描振镜市场则主要被德国Scanlab公司占有，进口元器件昂贵的价格直接影响我国增材制造装备价格水平，阻碍了工艺推广和产业应用，装备及关键元器件的国产化是实现我国增材制造领域产业化发展的关键。

（3）设计、工艺与控制等软件系统。在国内增材制造行业，控制软件由设备制造商针对设备独立开发，而数据处理软件在很大程度上依赖国外专业软件。部分厂家依托科研院所进行自主研发，部分国内厂商选择和国外软件提供商联合开发。

相对于国内依托科研院校进行研发，缺乏专业软件公司参与的现状，国外的软件很多由专业的软件公司来完成，拥有完善的开发流程，甚至个人开发的软件，在易用性、文档完备性、网络支持、响应速度、社区维护方面，都比国内公司更为规范，需要国内的设备制造厂商和专业的软件研发厂家联合努力改变这种现状。

（4）增材制造产业链。增材制造技术是一门综合机械、光学、控制、计算机、材料等多门技术的先进制造技术，整个产业链包含机械制造、高性能激光器、高性能振镜扫描系统、数字控制、图形图像处理软件、材料等多个环节的研发和生产。还包含上游的数字化三维数据的采集和设计，下游的增材制造技术的广泛应用。所有这些结合起来，组成了整个增材制造技术的完整产业链。

如上所述，我国在增材制造技术的产业链上，还有几个关键的地方没有获得核心的技术成果，尚未完善。如果要做大、做强增材制造产业，在进行新技术开发的同时，要进一步完善增材制造产业从产品设计、原材料、关键元器件、装备、应用、服务等各个环节，从产业链的各个环节上加强关键技术的研发和生产，打通产业链上各个环节的壁垒，从而从各个环节上发现新的商机，促进我国增材制造技术及产业的大发展。

除了技术创新，增材制造的产业化道路上还应重视产业模式和商业模式的创新。我们要明白，增材制造技术并不是万能的，它真正的魅力在于制造出传统制造业所不能完成的工作或很难做的工作，它可以克服传统制造方法的很多缺陷，但是并不能代替传统制造方法，它可以对传统制造方法进行补充、改造和提升。

要找到我国增材制造的比较优势，要大力促进我国增材制造技术及产业的发展，就需要真正打开国内的增材制造技术应用市场，只有应用获得了极大的发展，才会促进增材制造技术研发、设备、材料及服务的飞速发展，使产业能够落地，产值能够做大，改变目前增材制造技术及产业发展过程中“叫好不叫座”的尴尬局面。

加快我国增材制造技术及产业发展的对策与建议

目前，世界工业发达国家已经或正在制定增材制造技术的战略规划。考虑到增材制造技术具有跨学科交叉、综合集成的特点和对经济社会发展的深刻影响，为了尽快缩小与发达国家的差距，建议未来十年我国实施“统筹规划、重点突破、面上推广、人才培训、专项带动、协同创新、规制有度”的战略方针，采取国家主导、市场推动的方式，加快发展增材制造技术与产业。

统筹规划。为适应并促进我国增材制造产业健康有序的发展，由国务院主导，组织有关部门尽快制定国家层面的增材制造产业发展战略，并将增材制造产业作为振兴制造业的新型战略性产业，纳入《中国制造2025》规划，明确增材制造产业发展的宗旨、中长期目标、推进步骤、重点支持领域、政策举措和实施保障机制。

重点突破。明确重点，集中突破，在较短时期内，力争在几个领域进入世界前列。针对国防装备、社会民生、支柱产业和未来需求，建议以航空航天产品高效研制、医学组织器官定制化制造、汽车及其发动机创新开发、微纳器件三维制造四个方面为重点，集中力量研究解决这些应用中的增材制造关键技术、应用推广和产业化示范，并期望在较短时期内居于世界先进水平。其中尤其要将航空航天产品高效研制作为重中之重，争取率先实现突破。支持可控自组装（SelfAssembly）（4D打印）系统及其功能化的基础研究，为可控自组装的产业化提供理论支撑和技术支持。

面上推广。建立区域服务产品创新中心，发展众创空间等新型创新服务平台，建设新常态下的增材制造创新生态，支持中小企业提升研发能力，形成社会创新环境。加强人才队伍建设，完善装备技术条件，创新技术服务机制，按市场规律为社会各界提供服务，大力推进增材制造技术在各行各业的应用，帮助中小企业技术进步。同时带动文化创意产业、创新教育行业发展，实现增材制造技术的社会化普及与应用，提升整个社会的创新能力。面上的广泛应用，将极大推动增材制造技术与产业的发展，从而使之成为迅速壮大的新兴产业。

培育与增材制造技术相关的消费品市场。市场的形成也会带动增材制造技术本身的发展。

动员地方政府和民间资本特别是风投企业支持与增材制造技术相关的初创企业和中小企业，放宽对增材制造技术众筹（Crowdfunding）的限制，注意培育相关的产业链。

人才培养。在初等教育中引入简易的增材制造CAD文档、3D打印机，让学生尽可能早地接触三维制造物，激发其对增材制造技术的兴趣，提高其立体认知能力、培养三维的创造力。（美国为了在初高中普及增材制造设计及制造物品的知识，计划在1000所高中配备包含3D打印机在内的工作机械。民营企业也开始实施在美国的包括中小学在内的所有公立学校引入3D打印机的措施。）

由于增材制造涉及到机械制造、信息技术、数字化设计等方面的专业知识，故建议高校开设相关专业，培养“制造+信息技术”与“设计+制造技术”的复合型人才，以适应增材制造产业发展对专业人才的需求。

专项带动。国家设立支持增材制造技术的科技专项或专门计划，加大财政投入，给予专项支持。国家计划的主要任务有四方面：研究共性技术与标准；建立研发中心和创新联盟；实施重大工程应用；推进社会市场化服务。

协同创新。加强产学官合作，建立科研、应用和产业快速转化桥梁/通道，实现科技推动生产力发展。建立多学科交叉的科研体系，加强源头创新，开展科技、产业、社会的融合研究。建立稳定的研发平台，在具有良好科研、产业化和应用基础的地区建立协同研发中心。中心集中全国优势资源，开展创新研究，为产业化提供原创成果和产业化技术。通过技术与产业协调，推动产业化发展。

规制有度。为保障增材制造产业良性发展，政府应对某些违法、违禁的增材制造生产相关的信息和产品的销售、传播、使用严加监管，特别应明确禁止利用增材制造技术制造武器和毒品等违禁品。鉴于增材制造产业在我国尚处于发展阶段，亟须吸引、鼓励更多的初创企业、创客和个人3D打印机用户加入增材制造技术的研发、应用和推广，故现阶段应遵循谦抑原则，对于增材制造、生物打印引发的知识产权、伦理、产品责任等问题宜放松规制，以利于拓展、壮大增材制造市场，进而促进增材制造产业的快速发展。

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