張麗嬌

1 增材制造涵義

制造業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，其發(fā)展水平在一定程度上代表國家現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展水平，隨著智能化技術(shù)和制造業(yè)的充分發(fā)展和融合，正在引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)變革，中國發(fā)布的《中國制造2025》旨在全面推進(jìn)中國的智能制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，引發(fā)了全世界的關(guān)注與重視。增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM）作為推動我國智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提高我國整體制造水平的關(guān)鍵技術(shù)手段，是《中國制造2025》的發(fā)展重點(diǎn)。增材制造技術(shù)已有近30年的發(fā)展，但直到近些年才作為一種真正的制造模式進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用。增材制造技術(shù)被科學(xué)家們認(rèn)定為能夠?yàn)楝F(xiàn)代零件制造業(yè)和物流格局帶來系統(tǒng)性變革的生產(chǎn)手段，是一種直接的數(shù)字化制造手段，融合了現(xiàn)代科技最先進(jìn)的計算機(jī)設(shè)計、制造工藝手段、新材料技術(shù)等多科目，具有較高的技術(shù)壁壘和較強(qiáng)的市場競爭力。

美國試驗(yàn)材料學(xué)會（ASTM）將增材制造定義為“一種從3D數(shù)據(jù)模型中連接各種特定材料通過一定的成型工藝來制造零件的過程，通過一層一層的疊加，與傳統(tǒng)的減材制造方法相反。”增材制造通過設(shè)備接收三維設(shè)計圖形轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)信號快速精密地進(jìn)行材料逐層累積并進(jìn)行快速凝固工藝處理，可加工出各種形狀復(fù)雜的零件，實(shí)現(xiàn)零件像打印一樣的“自由制造”，因此增材制造又稱為“3D打印”。增材制造分為廣義和狹義2個范疇，狹義的增材制造主要以激光、電子束等為熱源與CAD、CAM結(jié)合分層成型，主要適用于快速原形制造、快速生物模型制造，快速模具制造、金屬零件直接制造等快速制造方法，廣義的增材制造除了包含狹義的增材制造外還包括了復(fù)合制造、塊體組焊、冷/熱噴涂成型、化學(xué)氣相沉積、堆焊成型、電化學(xué)沉積成型、噴焊成型、噴射成形、物理氣相沉積等所有材料增加形式進(jìn)行的加工方式。本文主要針對狹義的增材制造方式進(jìn)行主要闡述。

2 增材制造的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

近些年美國、德國、日本、英國對增材制造顯示出了極大的興趣，取得了較大的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，技術(shù)成果主要用于航空航天等需要高度輕量化的特殊應(yīng)用場景。美國的Relativity Space公司采用3D打印技術(shù)制造了火箭Terran 1，為衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)，對航天事業(yè)帶來了極大的技術(shù)沖擊，采用3D打印技術(shù)后可以提高火箭的可靠性，使得零件的數(shù)量減少了100倍，極大地提高了生產(chǎn)效率，生產(chǎn)時間較傳統(tǒng)工藝加快10倍，具有很強(qiáng)的靈活性，沒有固定的工具，材料供應(yīng)鏈簡單，可以隨時進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)行復(fù)合質(zhì)量優(yōu)化設(shè)計與迭代，繼續(xù)縮短加工時間。該公司從打印火箭開始，集成了機(jī)器人技術(shù)（AI）、各種設(shè)計及分析軟件、3D打印技術(shù)，通過數(shù)字化制造手段，不斷優(yōu)化用于航空航天領(lǐng)域的各種載體，實(shí)現(xiàn)更快、更優(yōu)的太空器件制造。Relativity Space公司在他們的Stargate工廠能夠在60天內(nèi)打印出Terran1，而常規(guī)火箭制造的交付周期通常超過一年。Stargate負(fù)責(zé)制造火箭結(jié)構(gòu)和推進(jìn)劑油箱，而較小的部件和發(fā)動機(jī)則在直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）3D打印機(jī)上打印，并計劃用于商用火箭發(fā)射。

英國的Orbex公司采用3D打印技術(shù)制造了火箭的發(fā)動機(jī)。美國加利福尼亞Rocket Lab公司采用3D打印技術(shù)制造盧瑟福引擎，通過設(shè)計整個生產(chǎn)過程與電子束熔化3D打印技術(shù)相結(jié)合，24h即可完成一個引擎的制造，充分實(shí)現(xiàn)高效、低成本的生產(chǎn)目標(biāo)。布魯克林的Launcher公司與EOS和AMCM合作，采用金屬粉末3D打印技術(shù)制造了世界上最大的一體式燃燒室，由此制造的推進(jìn)器效率高達(dá)98%，提高了生產(chǎn)效率，減少了連接、焊接等工藝操作。

空客旗下Stelia航宇公司通過采用絲束電弧的增材制造技術(shù)制造出世界首個自加強(qiáng)機(jī)身壁板，采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組件的設(shè)計方案將加筋鋁絲成績到壁板內(nèi)表面，較傳統(tǒng)的通過手工緊固或者焊接的連接手段更加穩(wěn)定、高效、智能、輕量化。西門子采用3D打印的制造方法制造了燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室，可以實(shí)現(xiàn)8 000h高效、可靠、無故障運(yùn)行，充分證明了3D打印制造方法的可靠性、羅羅使用3D打印技術(shù)制造了發(fā)動機(jī)advance3核心機(jī)中的關(guān)鍵部件，并對該發(fā)動機(jī)進(jìn)行了100多個小時的測試，該發(fā)動機(jī)齒輪箱設(shè)計只能用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)部分零件的制造，可實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇在低噪下低速工作，提高發(fā)動機(jī)可靠性、降低耗油率和使用、維修成本，提高減振降噪效果。

3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)領(lǐng)域也取得一定的進(jìn)展，2020年保時捷911 GT2 RS采用金屬粉末激光熔敷3D打印技術(shù)制造了汽車活塞，減重10%，具有集成的冷卻系統(tǒng)，具有更高的效率，提高了車的動力性能。除此之外，保時捷還嘗試了采用3D打印技術(shù)制造座墊，此外保時捷還投資了連續(xù)碳纖維3D打印的優(yōu)勢企業(yè)Markforged公司，進(jìn)行增材制造產(chǎn)業(yè)的布局。

在民用領(lǐng)域，各國公司都在發(fā)掘3D打印在交通工具上的輕量化潛力，AREVO公司與Superstrata公司合作通過連續(xù)碳纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)制造了碳纖維復(fù)合材料車架，整輛自行車質(zhì)量僅為1.3kg左右，這種制造方式減少不必要的連接工藝，使得自行車車架“具有極強(qiáng)的抗沖擊性”和輕量化。Renishaw公司主要從事金屬材料打印機(jī)設(shè)備的研制，該公司與英國汽車公司Lotus和自行車工程公司Hope Technology合作，設(shè)計了一款新型履帶自行車。阿姆斯特丹一家機(jī)器人增材制造公司MX3D在2019年9月發(fā)布了其3D打印自行車“ Arc Bike II”，采用線弧增材制造（WAAM）技術(shù)制造了自行車車架及部分零件。除此，專門定制自行車車架的Quirk Cycles公司采用3D打印技術(shù)，完成了無縫設(shè)計的金屬自行車架。

面對2020年的新冠疫情的特殊情況，3D打印技術(shù)為防控疫情，完成部分重要醫(yī)療物資的制造，一定程度上解決了疫情防控應(yīng)急物資短缺的難題，美國、意大利等疫情嚴(yán)重國采用用3D打印機(jī)生產(chǎn)部分醫(yī)療設(shè)施，如呼吸機(jī)配件、個人防護(hù)面罩等。3D打印技術(shù)在全球疫情防控中發(fā)揮了重要作用，充分反映出這項技術(shù)在民生、醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力。

國際制造業(yè)較為先進(jìn)的國家均加大了對于增材制造、智能制造的研發(fā)力度，給予了足夠的關(guān)注，說明該項技術(shù)代表著先進(jìn)制造業(yè)未來的發(fā)展方向，隨著智能化制造產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，增材制造作為智能制造的典型制造方式必將迎來新一輪的制造業(yè)的變革與騰飛。近些年，世界范圍內(nèi)增材制造的年復(fù)合增長率居高不減。根據(jù)2020年3月賽迪顧問發(fā)布的《2019年全球及中國3D打印行業(yè)數(shù)據(jù)》顯示，2019年全球3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)119.56億美元，增長率為29.9%，同比增長增加4.5%。據(jù)國際數(shù)據(jù)公司IDC預(yù)計，全球3D打印市場將以22.3%的年復(fù)合增長率擴(kuò)大，2020年全球產(chǎn)值可達(dá)到150億～200億美元。在3D打印市場里，主要分3部分：3D打印設(shè)備、3D打印服務(wù)和3D打印材料，根據(jù)賽迪前瞻產(chǎn)業(yè)研究院2019年發(fā)布的數(shù)據(jù)來看，3部分的所占比分別為44.3%、31.6%和24.1%。打印設(shè)備比重最高，其次是3D打印服務(wù)和3D打印材料。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

全球3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展，美國仍是最大的市場，其次是德國，中國位居第3。中國在3D打印技術(shù)上起步較晚，但是近幾年也在加大步伐，不斷創(chuàng)新，逐漸縮小與歐美的差距，中國龐大的市場體量使得3D打印具有廣闊的市場，吸引了很多優(yōu)勢技術(shù)企業(yè)來中國發(fā)展，一定程度上推動了國內(nèi)的3D打印技術(shù)的發(fā)展。但是近期國際形勢變幻，美國發(fā)起單邊主義的“貿(mào)易戰(zhàn)”導(dǎo)致高新科技合作受阻，中國亟需建立自己在3D打印上的實(shí)力，以供應(yīng)數(shù)量和質(zhì)量日漸增長的龐大市場。在龐大市場的催生下，中國3D打印應(yīng)用程度逐步深化，在各重要產(chǎn)業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用，成為產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計、快速原型制造的重要實(shí)現(xiàn)方式。用于3D打印的材料種類不斷增多，性能不斷加強(qiáng)，工藝的穩(wěn)定性不斷提高。在中國3D打印材料中，非金屬材料占比62%，金屬材料占比38%。非金屬材料主要有脂環(huán)族環(huán)氧樹脂、聚乳酸、有機(jī)硅材料，碳纖維等，金屬材料主要有3D打印用合金粉末、高速熔覆用合金粉末材料。寧波尚材三維氣霧化粉末制備系統(tǒng)生產(chǎn)球形鈦合金粉末，該粉末在球形度、粒徑分布、雜質(zhì)含量、流動性、衛(wèi)星球和空心球比例等性能指標(biāo)達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平，可被廣泛應(yīng)用于3D打印、噴涂、激光修復(fù)等技術(shù)領(lǐng)域，可以應(yīng)用于粉末冶金、注射成型（MIM）、3D打印、熱冷噴涂、激光修復(fù)等制造工藝。應(yīng)用的行業(yè)涵蓋航空航天、醫(yī)療器械、人體植入、體育、汽車、石油、化工等領(lǐng)域。

中航邁特粉冶科技有限公司（以下簡稱“中航邁特”）早在2016年就自主開發(fā)了國內(nèi)首批鈦粉電極感應(yīng)氣霧化生產(chǎn)裝備，研制出球形度高、氧含量滴，良好細(xì)粉收得率的鈦合金粉末系列，涉及純鈦、鈦合金、高強(qiáng)鈦合金等高強(qiáng)度高品質(zhì)鈦合金3D打印系列產(chǎn)品。2020年8月，中航邁特突破降成本工藝生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了鈦粉各項性能指標(biāo)不下降，而生產(chǎn)直接制造成本下降50%的降本增效，提高了3D打印鈦粉在全球競爭力。

中車工業(yè)研究院有限公司在3D打印鋁合金粉末制造上取得重大進(jìn)展，開發(fā)了突破空客專利限制的新型高強(qiáng)鋁合金粉末，同時開發(fā)了相關(guān)3D打印工藝和熱處理技術(shù)。該高強(qiáng)粉末的拉伸強(qiáng)度≥560MPa，屈服強(qiáng)度≥500Mpa，延伸率≥10%，性能優(yōu)于空客Scalmalloy鋁合金粉末打印性能和其他7系鍛造高強(qiáng)鋁合金，且高溫性能提高近一倍。此材料還具備較強(qiáng)的耐環(huán)境腐蝕性能，可以滿足軌道交通、航空航天、汽車等復(fù)雜工況環(huán)境使用。

3 增材制造的應(yīng)用前景

增材制造技術(shù)是一門凝聚多門學(xué)科的先進(jìn)性制造技術(shù)，作為一種能夠根本性改變現(xiàn)有傳統(tǒng)制造技術(shù)的手段，能夠推動產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，具有廣闊的應(yīng)用前景。增材制造是能夠?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的重要支撐性技術(shù)，可以根據(jù)客戶應(yīng)用需求定制化設(shè)計，制造加工出最優(yōu)化的設(shè)計方案，擺脫傳統(tǒng)技術(shù)的可制造性約束，釋放創(chuàng)新性設(shè)計的無限潛能，刺激新產(chǎn)品體系的形成，是為產(chǎn)品設(shè)計和制造帶來顛覆性變革的重要現(xiàn)代化技術(shù)。

3.1 各領(lǐng)域復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造與修復(fù)

隨著制造行業(yè)不斷迭代前進(jìn)，由逆向設(shè)計逐漸會過渡到大數(shù)據(jù)支撐下的正向設(shè)計，零件設(shè)計復(fù)雜性加大，制造難度提高，傳統(tǒng)的制造方法難以滿足客戶多樣化、定制化的需求。3D打印制造方案可以實(shí)現(xiàn)對制造產(chǎn)品的快速響應(yīng)、快速制造、快速修復(fù)。可以在多個領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，如軌道交通、精密零件、航空航天、醫(yī)療器械、藝術(shù)品制造、文化教育、汽車等。

3.2 3D打印的基礎(chǔ)理論研究及材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展

3D打印通過將結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)信號，通過多層材料的累積并結(jié)合基礎(chǔ)材料的凝固工藝調(diào)節(jié)，完成最終產(chǎn)品制造。對于過程中的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的控制與提高都需要結(jié)合設(shè)計本身與材料本身的性質(zhì)及凝固工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)共同完成。例如金屬材料3D打印，通過3D粉末的激光熔覆進(jìn)行固化完成材料累積固化成型，金屬材料是在強(qiáng)非平衡態(tài)凝固過程中進(jìn)行，如何控制晶粒的生長，提高材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要不斷的去探索新的工藝條件或新的工藝方法，或直接采用新的材料形式，深化基礎(chǔ)理論技術(shù)的研究，并通過3D打印這項新的制造方式激發(fā)出更多新工藝、新材料、新概念、新理論。例如3D打印過程中使用功能梯度材料的概念，在不同的設(shè)計位置采用不同的材料完成不同的功能，這就需要克服不同材料之間界面如何處理的難題，使得材料的復(fù)合更加智能化、功能化、多樣化。只有強(qiáng)化了3D打印的理論基礎(chǔ)，提高了材料的性能及固化工藝，才能使這種先進(jìn)的制造方式具有更廣闊的市場。

3.3 3D打印的應(yīng)用場景高端化

隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，通過3D打印技術(shù)打印出來的產(chǎn)品的性能更加穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)形式更加復(fù)雜，因此，3D打印技術(shù)得到越來越多的高端制造領(lǐng)域零件制造商的青睞。3D打印設(shè)備的發(fā)展程度影響3D打印技術(shù)對結(jié)構(gòu)復(fù)雜形狀零件的適應(yīng)性，可以將之前的多個零件去掉連接結(jié)構(gòu)直接集成到一個零件，這種設(shè)計上的改動主要出現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域，可以最大程度的降低零件質(zhì)量，減少焊縫帶來的強(qiáng)度破壞和可能引起的故障，實(shí)現(xiàn)航空航天安全、可靠、減重的目標(biāo)。

除了在航空航天上的應(yīng)用，3D打印也大量用于建筑，目前，低層建筑的3D打印應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，而高層的建筑還有一定的難度，3D打印在建筑方面的應(yīng)用程度主要取決于建筑用3D打印材料的改進(jìn)和凝固工藝的發(fā)展。采用3D打印技術(shù)制造模具應(yīng)用也較為廣泛，例如制作家電時用3D打印硅橡膠去復(fù)制模具，在做汽車覆蓋件的時候用3D打印的金屬噴涂法覆蓋模具，采用3D打印復(fù)雜的復(fù)合材料成型的模具等都可以大大節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)中所需要的費(fèi)用和時間。所以，3D打印應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣，從民用的快消品、藝術(shù)創(chuàng)作產(chǎn)品到微型建筑設(shè)計再到航空航天的精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)，應(yīng)用場景越來越高端，使得產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)的效率提高，成本降低，越來越顯示3D打印的技術(shù)顛覆性對于現(xiàn)代制造業(yè)的巨大影響。

4 我國增材制造產(chǎn)業(yè)主要問題

我國的增材制造產(chǎn)業(yè)在發(fā)展過程中得到了廣泛的關(guān)注和支持，但是仍存在一些較為普遍的問題：

①增材制造行業(yè)中領(lǐng)軍企業(yè)較少，大多數(shù)的企業(yè)做的是較低端的產(chǎn)品制造，缺少龍頭企業(yè)的行業(yè)引領(lǐng)，大多數(shù)企業(yè)存在生產(chǎn)效率低下、材料短缺、缺乏核心技術(shù)等問題，不能形成批量、規(guī)?；?、高質(zhì)量的產(chǎn)品生產(chǎn)。

②整個增材制造行業(yè)未能充分認(rèn)識到3D打印技術(shù)為整個傳統(tǒng)制造業(yè)帶來的顛覆性改變。

③適用于3D打印的材料發(fā)展不充分，性能穩(wěn)定性較差且價格昂貴，固化及凝固工藝基礎(chǔ)研究不足，限制了3D打印技術(shù)的整體發(fā)展。

④3D打印設(shè)備性能國內(nèi)外差距較大，國外進(jìn)口設(shè)備價格較高，國內(nèi)設(shè)備價格低但打印效果較差，在設(shè)備制造商存在較大的技術(shù)差異。

5 我國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

建議我國增材制造的重點(diǎn)任務(wù)主要從以下幾個方面實(shí)現(xiàn)：

①提高技術(shù)水平。著重開發(fā)重點(diǎn)行業(yè)應(yīng)用的工藝裝備、專用材料及核心器件，不斷提升增材制造產(chǎn)品的效費(fèi)比。對于增材制造產(chǎn)業(yè)的專用材料、制造裝備等重要環(huán)節(jié)及關(guān)鍵核心技術(shù)應(yīng)用與國際接軌，力求同步甚至超越發(fā)展，合理配置資源，保證在研技術(shù)的先進(jìn)性。

②深化行業(yè)應(yīng)用。尋找適宜的應(yīng)用場景，通過開展應(yīng)用范圍廣、實(shí)施效果佳的試點(diǎn)示范項目，培育創(chuàng)新業(yè)績突出，具有技術(shù)先進(jìn)性的示范企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，以此推動增材制造產(chǎn)業(yè)的全方位發(fā)展，實(shí)現(xiàn)在軌道交通、航空、航天、汽車、船舶、精密儀器、醫(yī)療等領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用。

③完善生態(tài)體系建設(shè)。打造從材料、工藝、軟件、核心器件到裝備的完整的增材制造產(chǎn)業(yè)鏈，形成計算、標(biāo)準(zhǔn)、檢測、認(rèn)證等全部過程的增材制造生態(tài)體系，建立服務(wù)于增材制造的公共服務(wù)平臺和產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。

④實(shí)現(xiàn)全球布局。統(tǒng)籌利用國際國內(nèi)多重資源，建立從技術(shù)開發(fā)、生產(chǎn)制造、資本運(yùn)作、市場影響到品牌塑造的多元化、深層次合作模式，培育具有較強(qiáng)國際競爭力的龍頭企業(yè)，打造具有國際影響里的知名品牌，推動中國技術(shù)、裝備、產(chǎn)品、標(biāo)準(zhǔn)走向國際。

⑤提高創(chuàng)新能力，較強(qiáng)增材制造創(chuàng)新體系建設(shè)，強(qiáng)化基礎(chǔ)、關(guān)鍵、共性技術(shù)研發(fā)。

6 結(jié)語

中國增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展應(yīng)著手解決現(xiàn)有短板問題，通過市場進(jìn)行良性驅(qū)動，加大基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)力度，以產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合的方式進(jìn)行技術(shù)開發(fā)。國家應(yīng)加大3D打印產(chǎn)業(yè)扶持力度，優(yōu)化科研生態(tài)環(huán)境，引入外圍資本促進(jìn)創(chuàng)新技術(shù)孵化，加快3D打印設(shè)備、材料、成型技術(shù)的開發(fā)，爭取早日達(dá)到中國3D打印產(chǎn)業(yè)的行業(yè)國際引領(lǐng)。