國外增材制造發(fā)展政策與研究進展概述

萬勇 黃健

一、增材制造領(lǐng)域國外制定的相關(guān)政策舉措

為搶占增材制造這一技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點，主要國家和地區(qū)紛紛將增材制造列為未來優(yōu)先發(fā)展方向，制定了發(fā)展規(guī)劃及扶持政策。美國增材制造研究所是該國制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)下的第1家研究所；英國、德國、韓國、澳大利亞等在各自的科技戰(zhàn)略中，不約而同將增材制造作為突破的技術(shù)方向之一，有的還出臺了相關(guān)的技術(shù)發(fā)展路線圖；俄羅斯和新加坡等通過發(fā)布研究計劃，支持包括增材制造在內(nèi)的新型制造技術(shù)的發(fā)展。

.美國

2012年2月，美國國家科技委員會《先進制造國家戰(zhàn)略計劃》提出要加強增材制造、納米技術(shù)、綠色化工、機器人、智能制造等平臺技術(shù)，強化美國工業(yè)基礎(chǔ)[1]。在該戰(zhàn)略指引下，2012年月，國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)下的第1家研究所——國家增材制造創(chuàng)新研究所National Additive Manufacturing nnovation Institute，NAMII）成立了?？紤]到NAMII這個縮寫不能完全或恰當(dāng)?shù)乇磉_機構(gòu)的意圖或使命，次年更名為“America Makes”，增材制造作為美國推動制造創(chuàng)新最優(yōu)先技術(shù)之一的地位進一步得到了鞏固。2016年3月，美國應(yīng)用研究實驗室、賓夕法尼亞州立大學(xué)聯(lián)合發(fā)布了《下一代增材制造材料戰(zhàn)略路線圖》，為未來10年建設(shè)必要的增材制造基礎(chǔ)知識，加快增材制造材料設(shè)計與應(yīng)用提供了戰(zhàn)略指引[2]。美國材料與試驗協(xié)會建立了針對增材制造的F42國際委員會來開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，同時與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO進行標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合制定工作，部分標(biāo)準(zhǔn)已上升為國際標(biāo)準(zhǔn)。

2.歐盟及其成員國

針對增材制造技術(shù)的項目資助，自歐盟第一研發(fā)框架計劃（FP1）就已經(jīng)開始了。僅在歐盟第七研發(fā)框架計劃（FP7）內(nèi)，歐盟委員會就資助了60多個增材制造項目，總預(yù)算達2.25億歐元。在地平線2020計劃中，增材制造屬于關(guān)鍵使能技術(shù)之一，“未來工廠”公私合作伙伴項目依舊是主要實施主體。2015年7月，在歐盟FP7資助下，“增材制造標(biāo)準(zhǔn)化支持行動”項目團隊制定并發(fā)布了增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化路線圖。該路線圖介紹了增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作發(fā)展的重要意義，將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)劃分為通用標(biāo)準(zhǔn)、材料/工藝分類標(biāo)準(zhǔn)和專用標(biāo)準(zhǔn)3個層級，列舉了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)、適用的其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及尚待開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)等。該路線圖通過確定標(biāo)準(zhǔn)化工作的時間節(jié)點和優(yōu)先研究主題，描繪了2015-2022年的發(fā)展路線圖。

英國自2011年10月起，技術(shù)戰(zhàn)略委員會（現(xiàn)更名為英國創(chuàng)新機構(gòu)）開始建設(shè)包括高價值制造技術(shù)創(chuàng)新中心在內(nèi)的Catapult項目?，F(xiàn)在已建立起了7家高價值制造中心，增材制造是受關(guān)注的研究領(lǐng)域之一。英國政府將增材制造技術(shù)列為工業(yè)戰(zhàn)略的一部分，尤其重視在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[3]。2013年10月，英國政府科技辦公室發(fā)布《制造業(yè)的未來：英國機遇與挑戰(zhàn)的新時代》，面向2050年制造業(yè)的長期發(fā)展，提出了英國制造發(fā)展與復(fù)蘇的政策措施[4]。2016年2月，英國創(chuàng)新機構(gòu)發(fā)布有關(guān)英國增材制造研究與創(chuàng)新概況的調(diào)研分析報告。報告顯示，2012年9月至2022年9月，英國在增材制造研發(fā)上的投入約為1.15億英鎊，主要集中在使能技術(shù)（占0%）、航空航天、醫(yī)療、材料、教育、汽車、能源、電子和國防等行業(yè)，金屬是研發(fā)的主要對象[5]。

德國政府先后在在2010年和014年制定了《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》和高技術(shù)新戰(zhàn)略：創(chuàng)新為德國》，旨在維系“德國制造”的全球競爭實力，爭奪新技術(shù)的制高點。“工業(yè)4.0”已被納入該戰(zhàn)略，其研發(fā)主題包括“智能工廠”和“智能生產(chǎn)”，后者就關(guān)注增材制造等技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。2013年，德國政府總結(jié)、分析了增材制造及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，并展望了在科研、教育、產(chǎn)業(yè)、知識產(chǎn)權(quán)等領(lǐng)域未來10年的工作目標(biāo)。

.日本和韓國

日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省、厚生勞動省和文部科學(xué)省在2013年6月新版《制造業(yè)白皮書》中認為，日本政府應(yīng)對增材制造技術(shù)展開監(jiān)測工作，并評估該技術(shù)將對日本制造業(yè)帶來的威脅，以及提升日本制造業(yè)競爭力的機遇[6]。當(dāng)年10月，經(jīng)產(chǎn)省設(shè)立新物造研究工作組（Study Group on New Monodzukuri），研究增材制造帶來的增加值以及未來日本物造的發(fā)展方向。工作組在2014年上半年發(fā)布的報告中認為，盡管增材制造技術(shù)面臨無數(shù)挑戰(zhàn)，但由此引發(fā)的經(jīng)濟波浪效應(yīng)將是極其巨大的[7]。日本政府在2014財年預(yù)算中劃撥40億日元，指定經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省組織實施以3D成型技術(shù)為核心的制造革命計劃，該計劃分為“新一代工業(yè)3D打印機技術(shù)開發(fā)”和“超精密3D成型系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)”2大主題[8]。

韓國總統(tǒng)樸槿惠在2015年新年伊始提出，貫徹執(zhí)行經(jīng)濟改革3年計劃、深入打造“創(chuàng)造經(jīng)濟”的構(gòu)想。通過推廣制造業(yè)革新3.0戰(zhàn)略與智能工廠等流程創(chuàng)新，開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)、增材制造與大數(shù)據(jù)等核心技術(shù)，來創(chuàng)造嶄新未來的增長動力[9]。韓國未來創(chuàng)造科學(xué)部與產(chǎn)業(yè)通商資源部在2015年4月聯(lián)合成立了智能制造研發(fā)路線圖促進委員會，計劃用半年時間制定上一年度《制造業(yè)創(chuàng)新3.0戰(zhàn)略》中提出的包括增材制造在內(nèi)的八大智能制造技術(shù)研發(fā)路線圖，完善相關(guān)政策，并向政府提出具體的投資扶持方案[10]。2016年，韓國貿(mào)易工業(yè)和能源部計劃在未來5年（2017-2022年）投資2 000萬美元用于資助船舶與海工裝備的增材制造技術(shù)。

4.其他國家

澳大利亞政府在2012年發(fā)布題為《面向更智能的澳大利亞：更智能的制造》的研究報告，將增材制造列為該國未來制造發(fā)展的重要方向之一。2014年11月，澳大利亞研究理事會與產(chǎn)業(yè)合作伙伴共同出資900萬澳元在莫納什大學(xué)成立“增材制造協(xié)同研究中心”，旨在助力以終端客戶為導(dǎo)向的協(xié)作研究[11]。

俄羅斯是激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)大國，由于激光技術(shù)與增材制造技術(shù)切合性很強，增材制造在激光技術(shù)的輔助下快速發(fā)展，并與其他國家開展了廣泛的技術(shù)交流與合作。2014年9月，俄羅斯《科技裝備優(yōu)先發(fā)展方向》和《關(guān)鍵技術(shù)清單同步更新計劃》進行修訂，增加了新型制造技術(shù)、增材制造技術(shù)等[12]。

新加坡貿(mào)易與工業(yè)部在2013年出臺了《國家制造發(fā)展計劃》，增材制造被列為未來技術(shù)發(fā)展關(guān)鍵領(lǐng)域之一。同年底，A*STAR（Agency for Science， Technology and Reseach，新加坡最大的研究所）發(fā)布增材制造特別計劃，由制造技術(shù)研究所領(lǐng)銜，南洋理工大學(xué)、材料工程研究所、高性能計算研究所等作為參與機構(gòu)，并遴選出了6項關(guān)鍵技術(shù)方向。2015年9月，南洋理工大學(xué)、新加坡國立大學(xué)和新加坡科技設(shè)計大學(xué)合作組建了國家增材制造創(chuàng)新集群[13]。

二、增材制造研究進展

增材制造這項近年來取得迅猛發(fā)展的加工工藝不光改變了以往對原材料進行切削、組裝的生產(chǎn)加工模式，節(jié)約了材料和加工時間，而且改變了以裝配生產(chǎn)線為代表的大規(guī)模生產(chǎn)方式，實現(xiàn)向個性化、定制化的轉(zhuǎn)變。增材制造技術(shù)的進步還將推動新材料、智能制造等領(lǐng)域的快速發(fā)展。在材料方面，研究較多的是陶瓷和金屬；石墨烯、復(fù)合材料等原材料也獲得重視；可打印的金屬材料范圍不斷拓寬。在打印技術(shù)方面，光固化成型和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是目前研究較多的技術(shù)；混合材料打印、提高打印速度，實現(xiàn)大尺寸制造是各種增材制造技術(shù)的發(fā)展方向。在技術(shù)應(yīng)用方面，呈現(xiàn)出日益廣泛的趨勢，除了組織工程學(xué)和汽車制造以外，利用增材制造技術(shù)進行定制化、柔性化的先進電池制備，進一步拓展其在航空航天零部件方面的制造，以及將其用于人體生物仿生組織的制備是近期發(fā)展熱點[14]。

歐美等發(fā)達國家大力發(fā)展增材制造技術(shù)以及相關(guān)裝備，已經(jīng)形成了涵蓋材料、工藝和裝備的完整產(chǎn)業(yè)鏈，部分重點企業(yè)已由單一的設(shè)備制造商升級為從設(shè)計到終端零件制造的綜合解決方案提供商。以非金屬類的打印原料為例，Stratasys和3D Systems是該行業(yè)的2家領(lǐng)頭羊企業(yè)，僅非金屬材料產(chǎn)品就多達上百種[15]。其中，Stratasys的材料包括清晰、橡皮狀和生物相容性光敏聚合物以及高性能的堅固熱塑塑料等。2016年4月，該公司發(fā)布可一次性打印全彩、多材料原型件和零部件的3D打印機，可生產(chǎn)逼真的原型件、加工工具、模具、夾具與卡具等。3D Systems的醫(yī)療解決方案包括模擬、虛擬手術(shù)規(guī)劃、醫(yī)療、牙科設(shè)備以及患者外科手術(shù)器械打印等。

金屬材料的增材制造主要有同步送粉高能束（激光、電子束、電弧等）熔覆成型技術(shù)和粉末床成型技術(shù)2大類，首要應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天工業(yè)，因而主要針對的是航空航天材料，如高性能鈦合金、高溫合金、超高強度鋼和鋁合金等。隨著打印技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，鈷合金、銅合金、非晶合金等也日益得到研發(fā)人員及企業(yè)的重視。表展示的是利用各種金屬增材制造方法得到的Ti-6Al-4V（TC4）合金室溫下的力學(xué)性能。由表可見，這些打印出來的試件的靜載力學(xué)性能與鍛件性能相當(dāng)。德國SLM Solutions是世界知名的金屬3D打印機制造商之一，聚焦于選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，SLM在該技術(shù)上擁有多項專利，處于領(lǐng)先地位。EOS是另一家德國企業(yè)，其設(shè)備主要涉及光固化技術(shù)和選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)。

打印原料與技術(shù)不斷豐富、工藝得以優(yōu)化。英國金屬技術(shù)公司在世界上首次使用航天合金材料C-103（含約10%鉿和1%鈦的鈮基合金）打印出樣品，能在更短的時間內(nèi)制造出更為復(fù)雜的幾何形狀[16]。英國跨國工程企業(yè)Arup利用鋼材料打印出3D模型[17]。美國西北大學(xué)利用石墨烯、生物相容彈性體和快速揮發(fā)溶劑，開發(fā)得到可進行增材制造的石墨烯復(fù)合材料，保留了高電導(dǎo)率等石墨烯特性，同時極具彈性，可以打印出各種宏觀結(jié)構(gòu)[18]。行業(yè)龍頭企業(yè)Stratasys推出剛性、柔性、透明材料混合打印技術(shù)，并持續(xù)擴充打印材料的色彩和種類[19]。美國Arevo實驗室、Mark Forged公司推出了可實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料增材制造的技術(shù)，并設(shè)立了針對相關(guān)部件和材料強度的正式基準(zhǔn)指標(biāo)[20]。硅谷初創(chuàng)企業(yè)Carbon 3D開發(fā)出一種全新的增材制造技術(shù)，能夠從液態(tài)介質(zhì)中產(chǎn)生目標(biāo)物體。該技術(shù)的速度是其他增材制造方法的25至100倍，并且能夠制造出此前無法實現(xiàn)的復(fù)雜形狀[21]。

相關(guān)應(yīng)用及打印成果方面取得了長足的進步。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室通過增材制造得到的周期性石墨烯氣凝膠微晶格，不僅比表面積高、導(dǎo)電性優(yōu)良、機械強度高，還具有高達90%的壓縮應(yīng)變能力[22]。美國Hughes實驗室利用硅、氮和氧組成的樹脂配方，通過紫外光固化快速成形工藝，獲得高強度、全致密的陶瓷材料，可承受1 700℃的高溫，強度是同類材料的10倍[23]。韓國浦項工業(yè)大學(xué)研發(fā)出由組織或臟器經(jīng)過細胞分離等處理制成的用于增材制造的“生物墨水”，可制造出與實際器官組織相似的人造組織[24]。俄羅斯托木斯克理工大學(xué)制造出世界首顆外殼全由增材制造造出的立方體納衛(wèi)星[25]。Stratasys公司采用名為Ultem 9085的樹脂材料，通過熔融沉積成型技術(shù)為空客A350XWB寬體飛機生產(chǎn)制造了超過1 000種飛機零部件，縮短了生產(chǎn)周期并降低了生產(chǎn)成本[26]。美國亞利桑那Local Motors汽車公司打造了全球首款通過零部件增材制造的名為Strati的電動汽車，車身一體成型，共有212層碳纖維增強熱塑性塑料[27]。印度初創(chuàng)企業(yè)EmbroS通過增材制造技術(shù)開發(fā)出可穿戴產(chǎn)品，能有效地取代盲人手中的手杖。

三、啟示

1.加強統(tǒng)籌規(guī)劃，制定發(fā)展戰(zhàn)略與行動計劃

根據(jù)國內(nèi)外增材制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，以及可能帶來的制造業(yè)變革，制定符合我國國情的增材制造技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略和行動計劃。建議國家有關(guān)部門成立增材制造發(fā)展領(lǐng)導(dǎo)小組，研究制定相關(guān)戰(zhàn)略與規(guī)劃，并負責(zé)組織、協(xié)調(diào)和管理。例如，由工業(yè)和信息化部、發(fā)展和改革委員會、科學(xué)技術(shù)部、財政部、中國科學(xué)院和中國工程院等組織相關(guān)專家制定中長期發(fā)展路線圖，明確階段目標(biāo)、可能的技術(shù)路線、重點任務(wù)和相應(yīng)的政策措施，做好頂層設(shè)計和統(tǒng)籌規(guī)劃。同時，設(shè)立增材制造重大專項，開展相關(guān)軟件、工藝、材料、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用等的整體性系統(tǒng)性攻關(guān)，推進與其他先進制造技術(shù)融合的新型數(shù)字化智能制造體系的建設(shè)。

2.組建國家增材制造協(xié)同創(chuàng)新中心

美國國家增材制造創(chuàng)新研究所更名為America Makes，一定程度上體現(xiàn)了對增材制造技術(shù)的重視，實現(xiàn)“美國發(fā)明、美國制造”。該研究所匯集了增材制造領(lǐng)域科研、教育、企業(yè)和社會團體等的主要力量，形成一股強大的合力，為增材制造技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，包括人力資源培訓(xùn)搭建了一個國家層面的大平臺。

創(chuàng)建面向產(chǎn)業(yè)共性技術(shù)研究與應(yīng)用、人才培養(yǎng)的國家增材制造協(xié)同創(chuàng)新中心，負責(zé)國家增材制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的具體實施。與美國機構(gòu)一樣，中心由政府、企業(yè)和社會組織按一定比例共同注入資金，研究成果歸所有成員機構(gòu)共享。

3.從基礎(chǔ)教育抓起，重視人才的培養(yǎng)

包括America Makes在內(nèi)的美國制造業(yè)創(chuàng)新研究所都將職業(yè)教育培訓(xùn)作為主要職能之一，分管勞動力及教育的副所長其主要職責(zé)包括面向公眾的科普工作、各類教育課程的設(shè)定、勞動力培養(yǎng)、教育拓展等。

增材制造技術(shù)是創(chuàng)新意識培養(yǎng)的有效途徑之一，在青少年基礎(chǔ)教育階段普及增材制造不僅是素質(zhì)教育的內(nèi)在需求，也是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要基礎(chǔ)性工作。在后續(xù)的職業(yè)教育與普通高校中，注重本領(lǐng)域工程師、技術(shù)人員培養(yǎng)體系的建立。美歐等西方國家職業(yè)教育融入社區(qū)、融入研究創(chuàng)新機構(gòu)的做法值得我們學(xué)習(xí)、借鑒。

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