为什么要发展增材制造

为什么要发展增材制造？我们的社会通常会高估新技术的可能性，同时却又低估它们的长期发展潜力。——哥本哈根未来研究学院（CIFS）名誉主任约翰·彼得·帕鲁坦文/于灏1黄瑶21.北京新材料发展中心2.北京石油机械厂一、增材制造发展的背景环境1.国际背景自2008年国际金融危机以来，以美国、欧盟为代表的西方发达国家开始积极寻找摆脱经济危机的方法，并重新审视实体经济和虚拟经济之间的关系。这些发达国家纷纷调整经济发展战略，提出“再工业化”概念，希望通过重振制造业来拉动经济复苏，保持发达国家在核心科技领域的优势，重塑国家竞争力。以美国为例，2009年以来先后制定出台了《重振美国制造业框架》、《制造业促进法案》、《先进制造伙伴（AMP）计划》和《先进制造业国家战略计划》，如图1所示从国家战略层面提出加快创新、促进美国先进制造业发展的具体建议和措施。2012年3月，奥巴马宣布实施投资10亿美元的“国家制造业创新网络”计划（NNMI），遴选出制造领域15项前沿性、前瞻性的制造技术，并建立制造业创新中心，全面提升美国制造业竞争力。同年4月，增材制造技术（也被称为3D打印）被确定为首个制造业创新中心；8月，总投入达7000万美元的国家增材制造创新中心（NationalAdditiveManufacturingInnovationInstitute）在俄亥俄州小城扬斯顿市剪彩成立。作为首个“样板示范”中心，国家增材制造创新中心是由产业界、学术界、联邦政府及州政府三方成员共同组成的公-私合作联盟，致力于增材制造技术和产品的开发，并成为新技术研究、开发、示范、转移和推广的基础平台。目前，中心成员已超过84家，其中包括波音、通用电气、霍尼韦尔、3M、3DSystem、Stratasys、阿勒格尼技术、拜耳材料科学等全球知名公司，卡内基-梅隆大学、阿克隆大学、MIT林肯实验室等全球知名研究机构，以及美国宇航局、能源部、教育部等美国政府部门。由此可见，增材制造不单被认为是一项新兴技术，它同其他先进制造技术一起承载了美国重振制造业的希望，是美国实现先进制造业国家战略的技术保障。奥巴马总统在2013年和2014年的国情咨文演说中均谈到了增材制造的重要性，他指出“3D打印可以革新我们几乎任何东西的制造方法”，“我们现在有机会在下一轮高技术制造业岗位竞争中战胜其他国家。我们已经在罗利和扬斯敦开始运行高技术制造业中心（国家增材制造创新中心），把商业和研究型大学联系起来，帮助美国引领世界先进技术的发展。”随着美国政府强力推动增材制造的发展，美国民间的制造商协会、咨询公司、学者与媒体也纷纷发布报告或撰文，进行舆论宣传，营造良好的社会环境。2012年3月，美国国防部防务分析研究所（IDA）发布了题为“增材制造业：现状与机遇”的研究报告，全面介绍了增材制造的现状和关键技术的研究进展，面临的技术挑战，和政府应发挥的作用。同年4月，英国《经济学人》（TheEconomist）“第三次工业革命”（Athirdindustrialrevolution）专刊，通过7篇短文对制造业未来的发展趋势进行了展望，认为增材制造将“与其他数字化生产模式一起推动、实现第三次工业革命”。8月，高德纳（Gartner）公司发布的《高德纳2012年新兴技术炒作周期》报告认为综合了数字建模、材料与化学、自动化控制、信息技术等多方面知识的增材制造技术将彻底颠覆现有生产和商业模式。其制造方式跟打印数字相片相似，允许客户在家里面打印实体物件。结合3D扫描技术，将可通过智能手机扫描特定对象，然后打印出相近的复制品。这项技术已经从技术萌芽期发展到期望膨胀期，与大数据一起成为当今最受市场关注的新技术之一。而生物三维打印也将在10年后达到期望膨胀期高点（见图2）。短期内大幅度的媒体曝光引爆了全球对此技术的关注，使得增材制造在全球迅速升温。继美国之后，欧洲及其他国家也在积极推动增材制造技术的研发及应用推广。英国、德国、加拿大、日本、澳大利亚、新加坡等国相继开始设立增材制造技术研究中心，建立大学、企业和政府之间的增材制造联盟，提供研究资金支持大型项目合作，制定增材制造路线图及相关标准，以促进本国增材制造技术的研发及产业化应用，抢占战略制高点。2.国内情况我国自20世纪90年代初就开始开展快速成型技术/增材制造技术的研究和应用。在国家自然科学基金委员会、科技部、工信部等多个部门的持续支持下，我国在设备制造、材料技术、软件开发、工业应用等方面开展了积极的探索，打下了良好的基础。随着近期国际关注的持续升温，此项技术也成为国内媒体、科研院所、企业、各地政府关注的热点，增材制造中心在全国许多高校遍地开花，产业蓬勃发展。2012年10月中国3D打印技术产业联盟成立；2013年3月中国首个3D打印研究院落户南京。珠海，青岛、武汉、成都等城市也已经开始兴建增材制造产业园，并在资金、土地、配套政策上给予支持。与此同时，增材制造业也逐步被提升到国家战略层面。2013年中国工程院制定了《增材制造技术工程科技发展战略研究报告》；同年，科技部首次将增材制造纳入“国家高技术研究发展计划（863计划）和国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南”；工业和信息化部也正在酝酿增材制造的顶层设计和统筹规划，制定技术路线图和产业发展专项政策。2013年12月，中共中央政治局委员、国务院副总理马凯到北京航空航天大学调研考察时指出，增材制造这项技术的成功研发，不仅会对我国传统工业的改造发挥巨大作用，同时也会对中国制造业的国际竞争产生深远影响。他强调，必须高度重视对高性能增材制造技术研究的支持和引导，坚持市场导向、企业主体和政府引导的产业发展方向,坚持创新驱动、产业引领和人才支撑等产业发展策略，突出抓好设备、材料和相关软件的科技攻关。二、发展增材制造的意义1.为什么增材制造受到设计者、制造者和消费者的关注？增材制造是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术，以数字化模型文件为基础，通过软件与数控系统将特制材料逐层堆积固化，制造出实体产品的制造技术。它与传统的、对原材料进行切削、组装的加工模式不同，是通过材料累加的原理，从无到有地制造产品的新型技术工艺。也正是由于增材制造的这种技术特点，使得它受到全球的广泛关注，将有可能给传统的制造业来带一系列深刻的变革。第一，新的生产模式。作为一种“无需工具”的数字化制造技术，增材制造将有可能改变某些产品的生产模式，给企业和消费者带来巨大的经济和社会效益。目前大型工厂的生产需要众多的机器、大量专业设计与加工技术人员才能实现。而对于增材制造来说，设计师将不需在工厂工作，在家中就可以把设计好的数字化文件发送到网络上，客户通过文件下载，利用3D打印机制造出符合需求的产品。这将实现生产模式的根本变革，从传统制造业的批量化、规模化、标准化制造转变为定制化、个性化、分布式制造（见图3）。第二，新的设计理念。由于增材制造技术是通过层层堆积的方式来进行生产，可以制造出形状高度复杂的产品。这使得过去受到传统加工方式的约束，而无法实现的复杂结构制造变为可能。这将大大简化产品设计，提高零部件的集成度，加快产品开发周期。例如对于航空航天领域来说，可以通过优化产品的几何形状来降低零部件重量，以此改进强度-重量比，降低燃料消耗。还可以通过多种材料局部区域的组分调节，实现单一零件的多功能化（即零件的不同部位实现不同的力学性能），以满足实际需求。同时，由于不涉及熔炼、锻造、机加工等工序，增材制造可以使产品的研发周期缩短了30%～50%，明显缩短产品的开发成本与周期。第三，新的商业模式。随着数字技术的发展，增材制造与互联网结合起来还将使得消费者直接参与到产品生命周期当中，从最初的设计过程、到生产制造、再到后期产品的维修，并借助网络实现数字化文件的共享和交易。这大大规避了传统制造业和零售业的价值链，刺激了新的产品设计模式、销售商业模式和供应链管理模式的产生，使相关企业受益（图4）。消费者的参与一方面将大幅度提升企业的创新能力与研发实力，使创新边界得以延伸，另一方面使产品更容易适应市场需求，降低业务风险。第四，实现个性化产品制造。由于具有“自由设计”和“无需工具”的优点，增材制造将使得商业化个性制造成为可能，从运用X线电子计算机断层扫描（CT）和核磁共振成像（MRI）扫描数据打印出百分百符合患者需求的植入物，到个性化的消费品如鞋子、珠宝和家庭用品。随着科技的进一步发展，利用增材制造技术还可以直接打印活体组织，制造出符合人体需求的人工器官，实现人工器官的再造将给现代医学带来一次革命性的变革。第五，顺应绿色经济发展模式。相对于利用切削机床对毛坯进行加工的“减材制造”，增材制造减少了原材料的使用量，降低了对自然资源和环境的压力。此外，增材制造还可大大压缩供应链，使得传统的离岸经济模式得以改变。它将允许在靠近消费区域的地点进行同步生产，实现分布式制造。这将显著地削减将量产商品从生产地运送到消费地所消耗的大量能源，对当地经济、环境和消费者都颇具益处。2.增材制造可以给中国带来什么？增材制造最初只是用于原型件制造，经过多年的发展，其应用领域已经开始拓展到电子、汽车、医疗、工业及商用机器、航空航天等众多行业。据《WohlersReport2013》发布的信息，2012年增材制造全球产值为22.04亿美元，比2011年的17.14亿美元增长28.6%。预计2015年产业规模将翻番达到40亿美元。虽然增材制造技术在近几年得到了快速的发展，但根据业内人士分析，目前此技术的市场渗透率仍然不足8%。一部分原因是由于此项技术的认知度不足，但更重要的是此项技术目前还面临一些技术瓶颈，限制了其更大规模的应用。如果可以突破这些瓶颈，那么此项技术的市场渗透率将达到92%，其产值将在2020年超过1000亿美元。对比之下，目前全球航天产业年产值约为3300亿美元。由此可见，作为一种高附加值的制造业经济，增材制造将有可能成长为一个庞大的产业，在中国未来经济发展中发挥重要作用。目前，这项技术已经在航空航天、医疗器械和创意行业等领域实现了小规模应用，并开始向其他行业拓展。与之相关的仪器装备、材料生产、软件开发及创意设计等行业也将迎来重大的市场机遇。除此之外，增材制造还具有其他方面的战略价值。第一，增材制造可提升制造业发展水平，增强国家先进制造技术的国际竞争力。虽然我国制造业规模已经位居世界第一，但总体上大而不强。随着制造业逐步实现数字化，个性化需求逐渐增多，新的变革正在悄然到来。这意味着一些传统工厂将逐渐消失，生产制造将从大型、复杂、昂贵、冗长的工业过程中分离出来。部分高附加值产品的生产方式将像圆圈一样又绕回到了原点，从大规模生产转回到个性化生产。生产目标将不再是追求规模经济，而是更快更灵活的生产。这一转变将有可能导致新兴市场的一些生产岗位重新回到发达国家手中。另外，增材制造和传统制造工艺的结合将可促进产业升级。例如，机械零件制造所用的复杂模具就可以通过增材制造技术生产。德国EOS通过此技术生产的一款产品，成本降低了近85%，生产周期降低了50%，有力的促进了复杂磨具和机械零件制造技术的进步。因此，面对发达国家实行的“制造业复兴计划”，积极发展以增材制造为代表的先进制造业技术，带动传统制造业实现转型升级，推动我国由制造大国向制造强国的转变，是巩固我国全球制造业第一大国地位的战略需要。第二，增材制造可以降低贵重资源的消耗，实现稀缺材料和其他资源的高效利用。由于增材制造采用堆积方式实现产品制造，超过90%的原材料可以回收再利用，此技术具有节料、节能、环保的特点。这对于一些大量应用于国民经济和国防工业的稀缺资源来说，具有重要的战略意义。例如在航空航天领域，为实现零件的高性能，需要大量使用钛合金和镍基合金等昂贵的战略材料。而这些材料的加工十分困难，传统的锻造工艺会切削产生大量难以再利用的废屑，造成巨大的原材料浪费。如F22战机的钛合金框重量为144kg，但其原始锻件质量高达到2980kg，材料利用率仅为4.8%。运用增材制造技术，可以把高性能金属零件的材料利用率大幅度提高，节约2/3以上的昂贵原材料。第三，增材制造将在未来实现“活体”打印，催生生物医疗行业发生变革。增材制造技术最具开创性、革命性意义的应用是进行人体组织的“活体”打印。目前，全球器官移植的需求量巨大，仅美国就有11.4万人等待合适的器官配对，每年有超过6600名患者在等待中过世。利用3D打印技术，则可以使用患者的细胞制作“活体组织”，用于器官移植解决此问题。虽然道路十分漫长，但前景非常令人期待。设计和制造有生命的人体组织，甚至是人体器官已经成为生命科学前沿研究中的重点方向，其发展和应用正在催生一个新的学科——再生医学。未来20年内，再生医学的年产值将突破5000亿美元，替代常规的生物材料成为生物医用材料产业的主体。因此，发展增材制造不仅可以促进我国生物医药产业快速健康的发展，而且对提高国民健康水平也具有重大意义。第四，增材制造可激发的新型设计理念、生产方式和商业模式，将创造更加卓越的价值链体系形成。增材制造不仅是一种先进的制造技术，它还将对现有的设计理念、生产方式和商业模式产生冲击，使得制造和设计被整合成为“精益设计”模式。这不但会影响制造业本身，还将改变经济发展的模式和我们的生活方式。增材制造将使得制造过程的复杂性降至最低，而通过精益设计提高制造的灵活度将成为产业发展趋势。面向制造的设计与面向装配的设计理念将逐步为人接受，并成为行业领军企业实现创新之道的模式。这种变化恰恰迎合了信息技术快速发展的趋势，如iTunes等数码产品的兴起盘活了传统的音乐和影视产业，淘宝等电子商务的崛起激活了大众消费潜能释放一样，增材制造将有可能实现大量现有产品的数字化文件（3D模型文件）授权和交易。未来，随著互联网的愈发普及，人联网、物联网、服务网的大融合所产生的“智慧工厂”将取代传统封闭性的制造模式，即充分利用信息通信技术和网络空间虚拟系统，实现制造的智能化（见图5）。这不仅仅可以使公司内部人员得到解放，将精力投入到创新和增值业务上去，还可通过远程合作来实现众包（crowdsource）创意资源的最大化利用，使得公司可以从一个更大的视野看待产品研发。这种模式将释放整个社会的智慧，通过协同制造、全面参与构建兼具个性化和数值化的产品与服务，催生出新的活动领域和合作形式，演化出更加灵活和富有活力的商业模式，重组产业链分工、创造新的盈利模式和价值链体系。对我国制造业未来的发展来说，顺应信息化下制造方式的转变，通过先进技术引导实现“中国制造”到“中国创造”的转变将变得尤为重要。三、增材制造发展现状1.技术工艺现状自增材制造技术诞生以来，已经有十几种新工艺和新系统及设备先后面世。根据2012年1月美国材料与试验协会（ASTM）增材制造技术委员会F42颁布的标准——“增材制造技术标准用语(ASTMF2792-12)”，这种工艺被简洁地定义为：“基于3-D模型数据，通常采用与减式制造技术相反的逐层叠加的方式，结合材料来生产物品的过程”（Theprocessofjoiningmaterialstomakeobjectsfrom3-Dmodeldata,usuallylayeruponlayer,asopposedtosubtractivemanufacturingtechnologies），见图6。按照其工艺特点，增材制造可分为7大类，分别为粉末床熔合、定向能量沉积、材料喷射、粘结剂喷射、材料挤出、容器内光聚合和片层压。在此基础上，英国增材制造特别兴趣小组（AMSIG）又对7大工艺进行细化，整理出10余种分支工艺。表1总结了增材制造各工艺的整体情况，包括各工艺的基本描述、面向的市场、所采用的材料体系、包含的分支工艺和相关的代表企业及院校。从市场的角度来说，增材制造可用于样品原型制造、模具制造、直接零部件制造、零部件维护及修理等领域。样品原型制造是增材制造最早进入的市场，被用于评估和优化模型的尺寸、结构和功能等方面设计，使产品达到最佳性能。对于模具制造来说，熔模铸造和砂型铸件已开始通过增材制造进行生产，这种技术还可以用于硅胶模具和氨酯铸件等生产。直接零部件制造则是增材制造发展最快的一个领域，由于可以直接用于生产最终产品，该领域在增材制造应用市场中所占的比重已经上升到第1位。增材制造还越来越多的用于零部件的维护和修理，特别是当所用零件非常昂贵的时候。这种技术可以用来修复只有小部分损坏的大部件，由于其修复所产生的残余应力很小，非常适用于对热变形高度敏感的部件。对于不同的增材制造工艺，其适用的市场也有所区别。其中，大部分工艺普遍应用于模型制造，而对于直接零部件制造、零部件维护及修理来说，需选用所对应的专用技术工艺。2.应用现状由于增材制造的一些独特优势，这项技术近年来已在航空航天、医疗、文化创意、消费电子产品、军工等众多领域实现应用。表2根据7大技术工艺及所用材料体系，对国际上已经出现的相关应用进行了详细分析。从表中可以看出，每一种工艺都各有所长，所适用的应用领域也有所不同。在选用不同工艺时，主要的考虑因素包括工艺的生产速度、可用的材料种类、产品的尺寸限制、产品的表面光滑度和精密度、产品的力学性能、机器及材料的成本、操作的方便性和安全性等。比如，定向能量沉积工艺可生产高性能的金属部件，在高端工程领域的应用比较广泛。对比之下，粘结剂喷射工艺和材料挤出工艺则可以生产保真度很高的组件，主要用于样品原型制造和工艺品生产，但由于产品的机械性能较差，不适合航空航天等领域。粉末床熔合工艺的应用则最为广泛，此工艺可使用金属和高分子体系，在增材制造涉及的大部分领域进行使用。在诸多领域中，航空航天、生物医疗和创意产业领域的增材制造技术应用发展最为快速，表3列出了部分典型应用实例。对于航空航天领域来说，增材制造由于其独特的应用优势，可满足高精度、复杂形状、小批量的生产要求，正在成为此领域中广泛使用的技术。波音公司已经制造出大约2万多增材制造零部件，用于商业和军用飞机上面。其中，32种部件用于波音787梦想客机中。空客公司则正在进行一系列增材制造产品的检验测试，包括减重的起落架、机舱和冷却系统等。生物医疗领域则是增材制造技术应用的另一重要领域，已成功应用的产品包括颅骨植入物、髋关节置换物、牙冠、体外模型等。预计全球使用3D打印的矫正骨骼植入物患者已经超过3万人，仅瑞典Arcam公司就制作2万多个经过FDA批准、CE认证的植入物；美国Invisalign公司则已经销售了超过200万个透明3D打印定制牙套；西门子等公司使用3D技术生产的助听器也成为了产品的主流。此外，创意产业方面的增材制造也正在快速发展。除了逐步火热起来的3D打印人像模型、装饰品、工艺品以外，增材制造技术还拓展到更多的产品创作上面。2013年巴黎时装周上推出了一款由比利时Materialise公司利用3D打印技术生产的时装，实现了复杂几何图案和独特材质的完美结合。几种增材制造产品实例如图7所示。四、增材制造未来发展趋势1.增材制造未来发展对各应用领域的影响对于不同的应用领域来说，短期内增材制造技术还不足以代替传统的制造方式。但随着打印材料价格的下降，打印尺寸和速度的提升，增材制造技术在各应用领域的渗透也将逐步加深，人们会越来越多地使用到包含3D打印的零部件产品，甚至是完全通过3D打印制造的产品。如《WohlersReport2013》报告展示的远景一样（图8），我们所能看到的往往只是整个冰山的一小部分，而海面下隐藏的巨大冰山才是尚待开发的领域，也是增材制造未来的潜力所在。虽然我们还无法清晰的描述未来增材制造的全貌，但足以预期其技术发展趋势。海平面上方的冰川，代表了多年以来增材制造技术活跃的应用领域，如原型件和模型的制造。而处于海平面下方附近的区域则是增材制造正在发展的应用领域，包括医疗植入器械、金属航空部件的制造等。在更深的区域则是人们期望的人体器官“活体”打印和外太空3D打印。在未来，增材制造还能实现哪些不可思议的应用，我们现在还不得而知，但这些未知领域的应用将是非常令人期待。从细分领域的预期来看，我们则可发现增材制造技术逐步渗透的方式有所区别，见图9。就航空航天和汽车领域来说，增材制造将从局部零件制造发展到整体打印。相比较之下，生物医疗领域则将从“非活体”打印逐步进阶到“活体”打印。对于创意行业而言，增材制造技术所带来的冲击并非制造方式的改变，而是创意设计模式的逐步改变。从更加宏观的角度来看，增材制造对于通用制造、供应链和商业的影响都可归于模式的革新，即生产模式、供应模式、商业模式的革新。这将意味着将有大量的新兴中小企业将依靠新创意蓬勃发展，他们将有能力以最小的资金投入实现生产的迅速扩大。这些具有敏捷性和极短产品上市周期的新公司，将成为未来市场的有力竞争者。而对于大型设计和制造企业来说，增材制造技术是IT与制造业实现融合的机会。如上文所述，增材制造不仅仅是一种制造技术，更是一种数字化技术。借助互联网所形成的“信息物理系统”，它所具有的开放型和大众性，将为未来的创新搭建了广阔的舞台。正如美国航空航天局喷气推进实验室战略中提到的：“IT”的涵义从信息技术（informationtechnology）转变为共同创新（innovatetogether）。2.增材制造未来对全球经济的冲击虽然目前增材制造产业在全球所占的份额还很小，但其发展速度和潜在的增值能力是惊人的。根据麦肯锡全球研究院的研究表明，到2