我國(guó)3D打印技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀

1 前 言

近年來，以3D打印為代表的新一輪制造業(yè)革命方興未艾，這種新興的先進(jìn)制造技術(shù)以其可自由化定制化設(shè)計(jì)、直接快速成型的特點(diǎn)在航空航天、汽車、生物醫(yī)療、模具等諸多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景[1]。世界工業(yè)強(qiáng)國(guó)紛紛將3D打印納入國(guó)家科技計(jì)劃，作為搶占未來科技制高點(diǎn)的一個(gè)重要舉措。我國(guó)政府也高度重視3D打印技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，將其作為重點(diǎn)納入“中國(guó)制造2025”、“十三五”規(guī)劃等國(guó)家戰(zhàn)略。在利好政策的推動(dòng)下，我國(guó)3D打印技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，從基礎(chǔ)理論研究、關(guān)鍵技術(shù)突破到高性能材料和設(shè)備的自主研發(fā)再到應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，均取得了豐碩的成果；產(chǎn)業(yè)化方面，培育了一大批3D打印企業(yè)，形成了以陜西關(guān)中、京津、長(zhǎng)三角、珠三角為代表的產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)。2017年12月，國(guó)家工業(yè)和信息化部又聯(lián)合國(guó)家發(fā)改委等11個(gè)部委共同印發(fā)了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2017-2020年)》(以下簡(jiǎn)稱《行動(dòng)計(jì)劃》)，為我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入了新的發(fā)展動(dòng)力。在此背景下，“中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇暨中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟年會(huì)”于2018年1月28～29日在陜西渭南成功召開。本文根據(jù)論壇上專家學(xué)者以及企業(yè)家代表的精彩報(bào)告，簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外3D打印發(fā)展趨勢(shì)及技術(shù)發(fā)展路線、科技部增材制造項(xiàng)目及《行動(dòng)計(jì)劃》政策解讀、3D打印在生物醫(yī)療以及兵器領(lǐng)域的前沿應(yīng)用、試點(diǎn)示范3D打印優(yōu)秀企業(yè)特色等。

2 發(fā)展趨勢(shì)

增材制造(3D打印)是通過三維造型數(shù)據(jù)將材料逐層累積制備實(shí)體零件的技術(shù)。不同于傳統(tǒng)的“減材”制造，它不需要借助傳統(tǒng)的刀具夾具，可以實(shí)現(xiàn)零件的直接成型，大大簡(jiǎn)化了加工工藝，縮短了加工周期，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的個(gè)性化設(shè)計(jì)及成型有著天然的優(yōu)勢(shì)[1, 2]。從圖1可知傳統(tǒng)減材制造成本對(duì)零件復(fù)雜度和個(gè)性化高度敏感，而3D打印則可在相同成本下實(shí)現(xiàn)自由化定制化設(shè)計(jì)[2]。因此自20世紀(jì)80年代末第一臺(tái)商用3D打印設(shè)備誕生起，這種先進(jìn)制造技術(shù)一直備受關(guān)注，尤其是近年來隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展以及桌面3D打印設(shè)備的普及，3D打印技術(shù)的研究與應(yīng)用經(jīng)歷了前所未有的高速發(fā)展。

圖1 傳統(tǒng)制造和3D打印兩種方法的零件制造成本隨復(fù)雜度的變化對(duì)比[2]Fig.1 In conventional manufacturing, increasing complexity and/or customization will cause high cost. With additive manufacturing, complexity or customization becomes free.[2]

據(jù)2017年國(guó)際權(quán)威報(bào)告《沃勒斯報(bào)告(Wohlers Report)》數(shù)據(jù)，2016年全球3D打印產(chǎn)值約為60.63億美元，較上一年增長(zhǎng)了17.6%，到2020年預(yù)計(jì)產(chǎn)值將達(dá)210億美元[3]。盧秉恒院士在報(bào)告中介紹，目前增長(zhǎng)最快的是金屬3D打印以及桌面3D打印。3D打印技術(shù)已經(jīng)從單一產(chǎn)品的原型制造走向?qū)嵱昧慵目焖俸团恐圃?，所用材料也已?jīng)從最初的塑料擴(kuò)展到金屬、陶瓷、復(fù)合材料甚至建筑材料，裝備則朝著效率更快、效能更高的方向發(fā)展，一些新技術(shù)、新概念譬如3D打印與傳統(tǒng)制造復(fù)合技術(shù)、梯度功能材料3D打印技術(shù)、微納3D打印技術(shù)、4D打印技術(shù)、太空打印技術(shù)等不斷涌現(xiàn)[4-6]。圖2為4D打印示例，可以在3D打印的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)材料在時(shí)間尺度上的智能化設(shè)計(jì)[5, 6]。不僅如此，3D打印應(yīng)用范圍也進(jìn)一步拓展文化教育方面，各國(guó)推出全民培訓(xùn)計(jì)劃，力求培育大量的3D打印創(chuàng)客。

圖2 4D打印示例：(a) 吸水材料從1D變化到3D，(b) 基于溫度響應(yīng)的人工手模型[5, 6]Fig.2 Examples of 4D printing technology: (a) transformation of a structure from 1D to 3D with water absorption materials, (b) temperature-responsive design of articial hands.[5, 6]

我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)近年來也發(fā)展迅猛，據(jù)盧院士介紹，中國(guó)2017年3D打印的估值應(yīng)該在80億人民幣以上。國(guó)內(nèi)目前已有數(shù)家上市公司，年產(chǎn)熔融沉積成型(fused deposition modeling, FDM)設(shè)備數(shù)萬臺(tái)，并且可以大量對(duì)外出口。不僅如此，一批產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)也逐漸形成，3D打印用材料、設(shè)備等的開發(fā)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，在航空、醫(yī)療方面應(yīng)用廣泛。但相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍然較小，企業(yè)產(chǎn)能和產(chǎn)值與國(guó)外差距較大。高端3D打印用材料、裝備核心部件等也仍然依賴進(jìn)口。為此，盧院士建議盡快構(gòu)建3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展鏈，實(shí)現(xiàn)核心元器件和原材料的國(guó)產(chǎn)化。此外，系統(tǒng)裝備集成、關(guān)鍵共性技術(shù)突破、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系的建立等方面也應(yīng)是未來著力的重點(diǎn)。西安交通大學(xué)機(jī)械制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室主任李滌塵教授在報(bào)告中提到，從2011年起，我國(guó)已經(jīng)開始在基礎(chǔ)技術(shù)，包括金屬、陶瓷、非金屬、生物材料的3D打印方面編制發(fā)展路線圖，可以為3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線提供參考。

3 政策解讀

3D打印產(chǎn)業(yè)在我國(guó)受到高度重視，被作為“中國(guó)制造2025”的發(fā)展重點(diǎn)。2015年國(guó)家工業(yè)和信息化部、發(fā)改委、財(cái)政部3部委聯(lián)合發(fā)布了《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃(2015-2016年)》(以下簡(jiǎn)稱《推進(jìn)計(jì)劃》)，在政策引導(dǎo)下，我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，仍存在較大差距。工信部賽迪研究院裝備工業(yè)研究所所長(zhǎng)左世全在報(bào)告中將差距歸納為6個(gè)層面：產(chǎn)業(yè)規(guī)?；潭容^低、專用材料性能亟待提高、關(guān)鍵裝備和核心器件依賴進(jìn)口、標(biāo)準(zhǔn)體系不全、協(xié)同推進(jìn)機(jī)制不夠完善、應(yīng)用廣度和深度還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

面對(duì)新形勢(shì)新任務(wù)新需求，2017年12月國(guó)家工業(yè)和信息化部又聯(lián)合發(fā)改委等11個(gè)部委共同出臺(tái)了《行動(dòng)計(jì)劃》。作為《推進(jìn)計(jì)劃》的補(bǔ)充和銜接，總體思路可以概括為聚焦四大領(lǐng)域，實(shí)施五大任務(wù)，采取六項(xiàng)措施，實(shí)現(xiàn)五大目標(biāo)(即“四五六五”)。四大領(lǐng)域：重點(diǎn)制造、醫(yī)療、文化創(chuàng)新以及教育。五大重點(diǎn)任務(wù)：①提高創(chuàng)新能力；②提升供給質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)從有到優(yōu)；③推進(jìn)示范應(yīng)用；④培育龍頭企業(yè)，建設(shè)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)；⑤完善支撐體系，加快構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系。六項(xiàng)保障措施：①加強(qiáng)和部門協(xié)同，和中央地方的協(xié)同；②加強(qiáng)財(cái)政的支持力度；③拓展融資渠道；④深化國(guó)際交流合作；⑤強(qiáng)調(diào)行業(yè)的安全監(jiān)管；⑥發(fā)揮好行業(yè)的組織作用。到2020年實(shí)現(xiàn)五大目標(biāo)：①保持產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，年均增速高于30%，到2020年產(chǎn)業(yè)銷售收入超過200億元；②提高技術(shù)水平，突破100種以上重點(diǎn)行業(yè)的裝備、器件及專用材料；③行業(yè)應(yīng)用顯著深化，開展100個(gè)以上試點(diǎn)示范項(xiàng)目；④行業(yè)生態(tài)體系基本完善，形成完整的増材制造產(chǎn)業(yè)鏈；⑤全球布局初步實(shí)現(xiàn)，培育龍頭企業(yè)、打造知名品牌，一批裝備、產(chǎn)品走向國(guó)際市場(chǎng)。

西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任黃衛(wèi)東教授介紹，3D打印與激光制造共同作為制造領(lǐng)域的重點(diǎn)專項(xiàng)首批列入國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃并率先啟動(dòng)。重點(diǎn)專項(xiàng)要求在基礎(chǔ)前沿、共性關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用示范3個(gè)方面取得重要突破，為此安排了包括高性能金屬結(jié)構(gòu)件3D打印控形控性、高效高精度激光3D打印熔覆噴嘴研發(fā)等20多個(gè)重點(diǎn)方向和項(xiàng)目，涉及到專用材料、關(guān)鍵部件、系統(tǒng)軟件和集成、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用示范等諸多領(lǐng)域。他指出，重大專項(xiàng)不是全面照顧，而是聚焦和提升，這其中可以通過引入大數(shù)據(jù)計(jì)算和人工智能不斷優(yōu)化體系，面向前沿領(lǐng)域，開放創(chuàng)新空間，兼顧高效率、高效能、低成本的新技術(shù)。

4 產(chǎn)業(yè)化前沿應(yīng)用

3D打印的產(chǎn)業(yè)化是一個(gè)立足實(shí)際需求，從而解決或改善實(shí)際問題的過程。由于3D打印技術(shù)的特殊性，在以難加工、小批量、個(gè)性化等為主要特點(diǎn)的生物醫(yī)用器材、航空航天部件制造方面應(yīng)用前景廣泛。在創(chuàng)新應(yīng)用上， “3D打印+”工程持續(xù)推進(jìn)，包括3D打印+醫(yī)療、+文化創(chuàng)意、+創(chuàng)新教育、+互聯(lián)網(wǎng)等，除重點(diǎn)制造業(yè)領(lǐng)域以外向更多領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用推進(jìn)。

生物材料一直是3D打印技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)，清華大學(xué)機(jī)械工程系孫偉教授在報(bào)告中指出，生物3D打印材料的發(fā)展有5個(gè)層次：第一個(gè)層次是無生物相容性要求的材料；第二個(gè)層次是具有生物相容性，但非降解的材料；第三個(gè)層次是具有生物相容性，可以降解的材料；第四個(gè)層次是活性細(xì)胞、蛋白及其他細(xì)胞外基質(zhì)材料；第五個(gè)層次是用細(xì)胞結(jié)構(gòu)體、內(nèi)組織器官構(gòu)建生命機(jī)器人、生物裝置，在裝置內(nèi)可能含有生物活性和生物單元的結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，使用3D打印技術(shù)打印生物細(xì)胞、重構(gòu)生物組織(如軟骨組織)結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行組織重構(gòu)、藥物檢測(cè)、構(gòu)建腫瘤發(fā)展模型等，支撐個(gè)性化治療研究。現(xiàn)在用3D打印技術(shù)可以建立藥理模型，將來希望能成功運(yùn)用于皮膚乃至其它器官的打印。生物3D打印技術(shù)可以帶動(dòng)醫(yī)療、材料、制造等一個(gè)大產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，第一至第三層次，技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟、產(chǎn)業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)激烈。第四至第五層次可能會(huì)打印一些高級(jí)的生物技術(shù)產(chǎn)品，較早占領(lǐng)該領(lǐng)域的企業(yè)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)壟斷。

聯(lián)盟生物增材制造工作組徐弢教授在論壇總結(jié)中指出：2016年全球3D打印醫(yī)療市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到12.29億美元，估計(jì)3D打印植入物規(guī)模達(dá)到8.23億。預(yù)計(jì)2024年3D打印醫(yī)療產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到96.36億美元，其中植入物市場(chǎng)達(dá)到81.2億美元。

特定兵器的快速供應(yīng)需求以及多型號(hào)武器部件形狀規(guī)格的多樣性等特點(diǎn)使得3D打印技術(shù)在兵器領(lǐng)域的應(yīng)用前景可期。本次論壇上，中國(guó)兵器裝備研究院增材制造技術(shù)中心黃聲野主任介紹了3D打印技術(shù)在兵器裝備的研究探索和發(fā)展趨勢(shì)。報(bào)告指出，目前在緊急替代件、槍械、彈藥、導(dǎo)彈等方面的3D打印技術(shù)及應(yīng)用，我國(guó)都已展開了研究和實(shí)驗(yàn)，兵器領(lǐng)域?qū)?D打印技術(shù)的需求可歸納為如下4點(diǎn)：①戰(zhàn)場(chǎng)維修保障；②低價(jià)、大批量生產(chǎn)多品種彈藥的柔性生產(chǎn)技術(shù)；③個(gè)性化可穿戴裝備；④火炮的輕量化制造。報(bào)告指出，兵器領(lǐng)域3D打印技術(shù)的發(fā)展應(yīng)圍繞發(fā)展復(fù)雜構(gòu)件制造、骨骼防護(hù)系統(tǒng)制造、炮塔炮架的減重制造等技術(shù)開展，同時(shí)面向未來需要。

5 產(chǎn)業(yè)試點(diǎn)示范

我國(guó)3D打印技術(shù)目前在航空工業(yè)、汽車制造、船舶以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用占據(jù)著主導(dǎo)地位，持續(xù)受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院裝備工業(yè)所所長(zhǎng)、中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書長(zhǎng)左世全在論壇上介紹到，2016年10月成立的中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成員單位已從最初的128家發(fā)展到223家。目前國(guó)內(nèi)各大中小型企業(yè)不斷推陳出新，研發(fā)新技術(shù)、開辟新市場(chǎng)、捕捉新應(yīng)用，取得了矚目的成就，已經(jīng)形成了以陜西關(guān)中、京津、長(zhǎng)三角、珠三角為代表的多個(gè)產(chǎn)業(yè)示范聚集區(qū)。

本次論壇上，惠普公司姚志堅(jiān)經(jīng)理表示，從行業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展看，只有提高設(shè)備速度、降低材料成本、增大產(chǎn)品尺寸，將增材制造和傳統(tǒng)制造技術(shù)疊加，實(shí)施在線軟件控制、硬件尺寸檢測(cè)等智能控制技術(shù)，才能真正改變現(xiàn)有的3D打印設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方式。

從粉末原料到3D打印裝備，再到最終3D打印服務(wù)，一個(gè)全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)模式在3D打印行業(yè)內(nèi)興起，其中SLM Solutions公司、西安賽隆公司、三迪時(shí)空集團(tuán)、三帝科技等企業(yè)均擁有實(shí)現(xiàn)該全產(chǎn)業(yè)鏈的支撐技術(shù)。三迪時(shí)空集團(tuán)正在努力構(gòu)建國(guó)際3D打印產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，打造互聯(lián)互通智能制造平臺(tái)和3D打印大數(shù)據(jù)平臺(tái)。三帝科技等多家公司獲批2017年國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)支持項(xiàng)目，他們共同關(guān)注的技術(shù)難點(diǎn)是如何降低生產(chǎn)制造成本，SLM Solutions公司中國(guó)區(qū)總經(jīng)理鄭春龍表示途徑之一是盡快實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。西安賽隆湯慧萍教授表示我國(guó)在粉床電子束3D打印技術(shù)方面和國(guó)外整體水平差別不大，僅在電子槍、電源這些備件方面存有一定差距，后期仍需要通過大量的工作來達(dá)到所需零件的要求。

3D打印+產(chǎn)業(yè)應(yīng)用技術(shù)近年來取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，首批參與試點(diǎn)示范工程的部分企業(yè)均取得了各有特色的研發(fā)成果及應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新，其中：粉床電子束3D打印技術(shù)能量利用率較高，能夠通過將粉床預(yù)熱來降低成型應(yīng)力，目前已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，圖3a和圖3b為賽隆公司的打印原料和產(chǎn)品[7]；鑫精合公司專注于“輕量化”金屬3D打印技術(shù)及應(yīng)用，先后與法國(guó)、泰國(guó)、馬來西亞、非洲、歐洲等國(guó)家有成熟合作關(guān)系，已經(jīng)獲得了SLM Solutions的代理權(quán)，圖3c是該公司3D打印的金屬零件；陜西智拓集中于擴(kuò)散焊固相3D打印技術(shù)研究及應(yīng)用，該技術(shù)適合工業(yè)化批量生產(chǎn)，可降低制造成本，提高產(chǎn)能，圖3d是采用該技術(shù)生產(chǎn)的擴(kuò)散焊產(chǎn)品；陜西聚高致力于個(gè)性骨科植入物模型設(shè)計(jì)和骨科植入物制造，已實(shí)現(xiàn)個(gè)性化聚醚醚酮(PEEK)胸骨假體的設(shè)計(jì)應(yīng)用、PEEK肋骨假體和胸骨假體設(shè)計(jì)病例及個(gè)性化PEEK“護(hù)心鏡”設(shè)計(jì)病例。渭南領(lǐng)智三維的唐正宗總經(jīng)理表示，目前三維掃描在人體掃描方面處于領(lǐng)先地位，作為3D打印+技術(shù)的互補(bǔ)，三維掃描技術(shù)也需進(jìn)一步加快研究。

圖3 賽隆公司3D打印原料和產(chǎn)品：(a) TiNi金屬球形粉末的微觀形貌[7]，(b)醫(yī)療產(chǎn)品,(c) 鑫精合公司3D打印的金屬零件，(d) 智拓公司擴(kuò)散焊產(chǎn)品Fig.3 3D printing materials and products of Sailong Metal Materials Co., Ltd.：(a) micro-morphology of TiNi spherical powders [7], (b) medical product by 3D printing; (c) 3D printing products by TSC laser technology development Co., Ltd., (d) diffusion welding products of Shaanxi Zhituo Solid-State Additive Manufacturing Technology Company

6 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)3D打印技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)療、工業(yè)制造以及文化教育等許多領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛，已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展；同時(shí)在武器裝備等新興應(yīng)用領(lǐng)域也開始了深入的探索。在國(guó)家戰(zhàn)略支撐和利好政策的驅(qū)動(dòng)下以及企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的強(qiáng)大需求推動(dòng)下，我國(guó)3D打印技術(shù)及應(yīng)用研發(fā)，將在不久的未來在3D打印基礎(chǔ)前沿技術(shù)、共性關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用示范等3個(gè)方面取得重要突破；在產(chǎn)業(yè)化方面，我國(guó)3D打印行業(yè)將依托規(guī)?；a(chǎn)業(yè)聚集區(qū)的示范效應(yīng)，培育一大批優(yōu)秀高端企業(yè)，力求盡快解決3D打印產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需要的核心元器件和材料生產(chǎn)技術(shù)難題，加速構(gòu)建完整的3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展鏈，實(shí)現(xiàn)3D打印產(chǎn)業(yè)的新飛躍。

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