我国3D打印制造技术产业化发展分析

扬海成

以新兴信息技术主导的新一轮科技革命正在全世界范围内进行，在这场科技革命中，最引人往目的是以3D打印、协同制造，智能制造等为核心的数字化制造技术引发的制造业的革命。“第三次工业革命即将到来”，它将是信息技术与制造业的深度融合、以制造业教字化为核心的新—轮产业变革，将带动整个制造业的升级换代，并对人类经济括动和社会生活产生根本性影响。美国，德国，英国、日本等世界主要发达国家纷纷实施以重振制造业为核心的“再工业化”“重新夺回制造业”重振经济”的国家战略，对我国而言，这既是极其重要的战略机遇，也是极其严峻的新挑战，如何认识及如何应对将对我国制造业乃至国家的发展产生深远影响。

3D打印制造（增材制造）技术是现代信息技术和制造技术融合的产物，丰富和发展了制造技术的内涵和产业形态，是现代先进制造技术的重要发展方向之一。3D打印制造技术将从产品设计、制造工艺过程、生产装备、材料制备、相关工业标准、制造企业形态等多个方面，为制造业带来新的发展。

一、3D打印制造技术对我国制造业发展的影响分析

党的十八提出，2D20年全面建成小康社会、工业化基本实现的重大战略部署。从现在到202睥，也是我国进入制造强国行列、基本实现工业化的关键时期。对于我国当前经济社会发展现状来看，积极有序地发展3D打印制造技术对提高我国制造业总体水平、提升我国制造业创新能力、促进传统产业转型升级以及加速推动从制造大国向制造强国转变，都具有特别的战略意义。

首先，发展3D打印制造技术是提升我国制造业总体水平的突破口。基于以增材制造为特征的3D打印制造与工艺技术，能够突破零部件的结构几何约束，制造出传统方法无法加工的非常规结构特征，这种工艺能力对于实现零部件轻量化，优化性能有极其重要的意义。同时，3D打印制造技术通过与传统制造工艺（如铸造、金属冷喷涂、硅胶模、机加等工艺）相结合，能够极大提升工艺制造能力。此外，由于3D打印制造所需的模具、工装、刀具等工艺资源较少，能够显著降低工艺准备周期及制造成本。

其次，发展3D打印制造技术是提升我国制造业产品创新能力，实现从“中国制造’走向“中国创造”的重要途径。设计人员不再受传统工艺和制造资源约束，专注于产品形态创意和功能创新，在‘设计即生产” “设计即产品。理念下，追求‘创造无极限’，同时，在制造环节，由于简化了工艺准备、试验等环节，使得基于产品三纬模型的设计、制造、分析高度一体化技术能够得到广泛应用，显著缩短了新产品开发、定型周期。此外，设计人员在设计过程中，可以设计出空心／多孔结构，异质材料功能梯度结构，并配合合金／复合材料等高性能材料的使用，可以实现产品结构轻量化和高性能，提升产品质量。

再次，发展3D打印制造技术能够变革传统制造模式，促进制造与服务融合发展，对我国制造业发展方式的转变和产业结构的升级提供新的思路。3D打印制造技术能够极大降低定制化成本，促使我国制造业从粗放的大规模生产方式，向向“按需定制” “因人定制。的个性化定制方式发展，激发个性化制造市场活力。同时．3D打印制造技术便于设计、工艺知识传递，为“社会化制造” “泛在制造”提供了技术基础，能够均衡、有效地利用社会化制造资源。此外，3D打印制造技术的发展还将催生和培育新型专业化创新服务模式，如众包创意设计、专业产品设计，委托加工，数据服务等制造服务业，促进产业向价值链高端的两头拓展，实现制造业与服务业融合发展。也将进一步推动众包创意设计，个性化定制，专业化服务和绿色制造等新兴制造模式，促进产业升级和结构优化。

二、我国3D打印制造技术发展情况

我国对3D打印制造技术的研究，已经有了长达20多年的探索和积累。在科技部、国防科工局、教育部、发改委、总装等部委以及一些地方政府的支持和重大工程需求的拉动下，我国3D打印制造技术尤其是工艺装备得到了长足的发展。我国3D打印制造技术水平与发达国家差距不大，一些技术领域已经达到国际领先水平，形成了体系结构基本完整的3D打印制造技术研发与服务体系，研制了一批先进的工艺装备，并得到了初步应用。

在3D打印制造基础技术方面，华中科技大学、北京航空航天大学，西北工业大学和北京航空625所相继开展了熔融沉积制造，电子束融合技术、选择性激光烧结等技术研究。这些研究成果在航空发动机叶片制造、飞机承力件制造、汽车车型开发、个性化骨科植入、颌骨重建和义齿加工等方面得到了应用。

在3D打印制造装备研制方面，我国已成功研制了一批先进光固化、激光选区烧结、激光选区熔化，激光近成形、熔融沉积、电子束制造等工艺装备。

在3D打印制造产业化发展方面，我国已经涌现出30多家3D打印制造技术设备制造与服务企业。并在上海，深圳、宁波等地相继出现了一批3D打印制造技术服务中心与公共服务平台，辅助当地企业的新产品快速开发，为个陛化的家电、数码等产品的快速研发与更新换代提供了技术支撑。

三、我国3D打印制造技术面临的瓶颈问题

虽然我国在3D打印制造技术研发和产业发展方面取得了长足进步或者局部领先，但总体上仍面临巨大挑战。一是在材料成形机理、关键技术，装备开发，工业标准等方面还面临大量基础理论和关键技术尚未突破，未能形成原创技术源泉。材料特性研究及材料体系构建、材料制备装备、成形过程与性能控制、缺陷检测与控制、先进工艺装备研发等方面还需要进一步开展研究。3D打印制造装备所需的大功率激光器、工业喷头和高精度控制器等核心零部件目前还没有突破。二是我国尚未形成3D打印制造公共技术平台，创新资源集中度低。当前，科研机构各自为战，合作研究的动力不足，缺乏对技术兼容性研究和相关标准的制定，开放式的集成创新体系尚未形成。三是我国3D打印制造产业化尚处于萌芽阶段，金融资本参与度不高，产业缺乏资金支持。在我国，直接从事3D打印业务的企业多属于典型的中小企业，产值普遍处于千万量级以下，多数企业处于生存边缘，盈利艰难。从全产业链的角度来看，尚未形成精细化分工，总体呈现产业发展初期的“作坊式”生产模式，劣质产品多，知识产权意识弱，缺乏产品标准和客观权威的评测。四是工程化应用技术研究不够，尚未形成具有广泛工程意义的完备技术体系，工程领域和产业界对3D打印制造技术需求不够迫切，技术发展缺乏市场的强大牵引。

四、3D打印制造技术发展与应用趋势

国外3D打印制造技术发展与应用趋势，主要可分为五大方面：

一是从快遵原型、工艺辅助等间接制造向零部件直接制造转变。2012年奥巴马政府重振美国制造业实施的“国家制造创新网络计划”首项内容就是组建“国家增材制造创新中心”，重点研究用3D打印制造技术直接生产最终零件备的发展，3D打印制造已从快速原型和工艺辅助等间接制造向金属，陶瓷、复合材料等零部件直接制造转变，

二是多学科交又融合发展，应用领域不断扩大。3D打印制造技术不仅与装备制造进行深度交叉融合，与生物医疗、电子制造等学科交叉发展趋势明显，并逐步应用到航空航天、汽车、模具、生物制造、电子、个人消费品等行业。

三是装备向产品化、系列化和专业化方向发展，增材制造技术的核心之一是成形装备。欧美及日本在该领域处于世界领先水平，并已形成了众多专业化和规模化增材制造装备生产企业。据《Wohlers Repmt2010》统计，2009年世界范围内生产和销售增材制造装备的知名企业达35家，欧美占29家之多·

四是形成了相对完整的集装备、材料、软件，服务于一体的产业链，并形成了一定的产业规模和市场销售。欧美国家现已形成了包含材料制备，相关软件，工艺、装备、管理，创意服务和应用等相对完整的产业链，消费产品/电子产品是最主要的应用行业，汽车其次，医疗／牙科行业已经确定了其重要地位，处于第三位，其他如工业、航空航天、学术机构，政府／军队、建筑等也获得相应应用。

五是3口打印制造装备从高端型走向普及型。3D打印产品从航空航天、汽车、模具等高端领域延伸到与人们生活息息相关的日用品（如首饰、衣服、自行车等）。3D打印装备产品价格和技术门槛越来越低，3D打印产品逐渐由科研和工业等高端领域走向办公、个人消费等大众化领域。

五，我国3D打印制造技术产业化发展建议

我国3D打印制造技术产业化发展距国外发达国家差距咀显，在持续加大对基础理论研究、关键共性技术攻关、新型装备及特色工艺研发的同时，要进一步完善3D打印制造技术产业链（从产品设计、原材料、关键元器件、装备，应用、服务等环节）的发展，以重点产业应用示范为主线以提升3D打印制造的科技创新能力为核心，前瞻布局、突出重点、整合资源，积极右序地推动3D打印制造技术发展，突破3D打印制造技术产业瓶颈，建立完备的技术创新、产业化与服务支撑体系，掌握产业发展主动权。

第一，行业示范带动，分类引导产业发展，探索新的产业化模式。在以技术密集特征的高端应用领域（航空航天，生物制造等）建设相对集中的高科技创新应用中心，集中发展具有特定应用对象的3D打印制飯术，形成一系列高端应用产业；在以应用密集特征的工业原型制造领域(如产品椭模具等)依托3D打印制造技术联盟，或依托政府建立3D打印制造技术服务中心，形成产品设计、原材料、关键元器件、装备、工业应用服务等完整产业链条，与传统制造业向融合进行系统创新发展：在具有大众普及特征的个性化消费、创意产业领域（动漫、礼品、日常消费品等）依托互联网、云服务技术，建立3D打印制造云服务平台，实现集创意，设计，制造、销售为一体的公共创新体系，支撑产品的创新应用、产业的可持续创新发展。

第二，加强人才队伍建设，注重多层次人才培养。加强创新团队建设，培养造就一批支撑创新发展的高素质人才队伍。建立和完善人才激励机制，面向高层次创新科技人才，努力造就一批世界水平的科技领军人才，工程师和高水平创新团队，同时培养一批产品设计相关的应用创新型人才和技术操作型人才，促进3D打印制造技术产业的持续发展。

第三，政府积极引导，加大政策扶持力度。整合高新技术企业税收优惠、科技成果转化、科技融资与担保、孵化器等一系列科技政策和手段，扩大3D打印制造技术的应用市场，培育3D打印制造产业，尽快使我目3D打印制造技术设备制造与服务企业数量及规模增加，形成基本涵盖装备及核心器件生产，材料制备，软件开发、制造服务的完整的3D打印制造产业链。

（作者单位：中国航天科技集团奋司）