引言

英國《經(jīng)濟學人》雜志2012年制作專題論述了當今全球范圍內(nèi)工業(yè)領(lǐng)域正在經(jīng)歷的第三次革命，認為這次革命是一種建立在互聯(lián)網(wǎng)和新材料、新能源相結(jié)合的工業(yè)革命，它以“制造業(yè)數(shù)字化”為核心，并將使全球技術(shù)要素和市場要素配置方式發(fā)生革命性變化。新材料、新工藝、新機器人、新的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造服務，生產(chǎn)會更加經(jīng)濟、高效、靈活、精簡。3D打印技術(shù)作為“第三次工業(yè)革命的重要標志”，被認為是推動新一輪工業(yè)革命的重要契機，已經(jīng)引起全世界的廣泛關(guān)注。3D打印技術(shù)作為具有前沿性、先導性的新興技術(shù)，正在使傳統(tǒng)生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工藝發(fā)生深刻變革。3D打印技術(shù)將以其革命性的“制造靈活性”和“大幅節(jié)省原材料”在制造業(yè)掀起一場革命，它最適合應用于多品種、小批量、結(jié)構(gòu)復雜、原材料價值量高的結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域，因此有望在航空制造領(lǐng)域獲得廣泛應用。

3D打印技術(shù)（3D Printing）是快速成型技術(shù)（Rapid Prototyping Manufacturing）的一種，也叫做增材制造（ Additive Manufacturing）?；驹硎前岩粋€通過設(shè)計或者掃描等方式做好的3D模型按照某一坐標軸切成無限多個剖面，然后一層一層打印出來并按原來的位置堆積到一起，形成一個實體的立體模型。3D打印技術(shù)使用的方法有很多種，表1給出了美國科技政策研究所對3D打印技術(shù)按過程、主要廠商、所用材料和典型市場進行的分類。

國內(nèi)外3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況

世界主要國家競相從戰(zhàn)略高度重視發(fā)展3D打印

3D打印技術(shù)的歷史由來已久。1986年，美國3D System公司推出了第一款工業(yè)化的“3D打印”設(shè)備，1990年開始銷售，短短幾年中，形成了巨大的市場。近年來，美國以企業(yè)和大學及科研機構(gòu)等半政府半民間的組織為主導力量，明顯加大加快了對3D打印技術(shù)研發(fā)的組織力度。2009年，以美國相關(guān)大學為主的“增材制造路線（RAM）研討會”就未來5～10年的技術(shù)發(fā)展進行了廣泛的討論，并發(fā)表了較有影響的路線圖研討報告。根據(jù)這一報告的建議，由愛迪生焊接研究所（EWI）牽頭于2010年成立“增材制造共同體AMC（Additive Manufacturing Consortium）”，試圖將相關(guān)的制造商與供應商同大學與研究機構(gòu)聯(lián)結(jié)成為一個互動良性促進發(fā)展的生態(tài)組織，共同解決3D打印技術(shù)中還存在著的大量問題。AMC目前已有30余家企業(yè)、研究所、大學、軍方和政府等機構(gòu)成員，以金屬材料的增材制造技術(shù)為主，每季度活動一次。目前，AMC整合EWI及其成員的設(shè)備、技術(shù)和專業(yè)知識，初步構(gòu)成了一個分布式、網(wǎng)絡(luò)化的增材制造“國家實驗平臺中心NTBC（National Test Bed Center）”。AMC和NTBC的使命就是提高3D打印增材制造技術(shù)的成熟度，促進相應的產(chǎn)業(yè)投資，在全美范圍內(nèi)將這一新興的制造方式早日轉(zhuǎn)化為主流的制造方式。自2011年起，AMC每年都向其會員發(fā)布增材制造的現(xiàn)狀報告。此外，近3年來美國政府、軍方及企業(yè)還多次組織3D打印技術(shù)的有獎挑戰(zhàn)大賽，希望以此加速相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、應用和普及。

盡管美國在3D打印的整體技術(shù)上領(lǐng)先全球，但在基礎(chǔ)研究設(shè)施、研發(fā)組織和政府支持上，歐盟明顯領(lǐng)先。首先，歐盟在政府研發(fā)方面的投入要大于美國（不計不公開的國防軍事投入），著名的大型合作項目包括英國的增材制造創(chuàng)新中心、歐盟第六框架項目大航空航天組件快速生產(chǎn)Rapolac（Rapid Production of Large Aerospace Components），全程專注航空航天的SMD（Shaped Metal Deposition）技術(shù)等。其次，歐洲工業(yè)界也主動組織形成3D打印產(chǎn)業(yè)群，開發(fā)增材制造的市場。一度形成原始創(chuàng)新技術(shù)源于美國，但其后的研發(fā)和應用及商業(yè)化卻是由歐盟等國家完成的局面。此外其他一些國家也都競相從國家戰(zhàn)略高度重視發(fā)展增材制造業(yè)，澳大利亞近期制定了金屬堆積制造路線，南非正在扶持基于激光的大型堆積制造機器的開發(fā)，日本也在著力推動堆積制造技術(shù)的推廣應用。

3D打印行業(yè)處于迅速兼并與整合過程中，專利成為競爭的重要武器

2011年3D打印產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模為17億美元。目前，快速成型技術(shù)的市場應用份額如圖1所示，其中航空航天約占8%。目前，全球有兩家3D打印機制造巨頭，分別為3D System 和Stratasys，均在美國上市，2011年營業(yè)收入分別為2.3億美元和1.6億美元。3D Systems公司自2009以來已連續(xù)收購了25家公司，并于2011年11月收購了3D打印技術(shù)的最早發(fā)明者和最初專利擁有者Z Corporation公司之后，一舉奠定了在3D打印領(lǐng)域的龍頭地位。Stratasys公司繼2011年5月收購Solidscape公司之后，又于2012年4月與以色列著名3D打印系統(tǒng)提供商Objet宣布合并。當前，國際3D打印行業(yè)正處于迅速兼并與整合過程中，行業(yè)巨頭正在加速崛起。

3D打印行業(yè)巨頭積極展開收購行動，在擴大公司規(guī)模的同時也吸收了大量的相關(guān)專利，并以此專利優(yōu)勢，在專利上限制對手的發(fā)展。目前全球擁有3D打印專利前5名的公司見圖2、表2。

從2005年開始，3D Systems利用自己的專利優(yōu)勢成功狙擊了納博特斯克的7項專利申請。2012年底，3D Systems又控告Formlabs公司推出的初級3D打印機涉嫌侵犯其專利技術(shù)。

我國3D打印的技術(shù)水平基本與國際同步，但在產(chǎn)業(yè)化方面嚴重落后

20世紀90年代初，我國開始推進增材制造設(shè)備，即3D打印機的研發(fā)，在快速成型技術(shù)方面取得了長足進展。我國的華中科技大學、清華大學、西安交通大學、北京隆源公司、中航重機激光和南京航空航天大學等單位，于上世紀90 年代初率先開發(fā)快速成型設(shè)備，以及進行相關(guān)技術(shù)的研究、開發(fā)、推廣和應用。其中，清華大學成功開發(fā)了無木模鑄造工藝 （Patternless Casting Manufacturing），即采用逐點噴灑粘結(jié)劑和催化劑的方法來實現(xiàn)鑄造沙粒間的粘結(jié)。華中科技大學研發(fā)出世界最大激光快速制造裝備，使得我國在快速制造領(lǐng)域達到世界領(lǐng)先水平。西安交通大學研制出了激光快速成型設(shè)備LPS、SPS 系列成型機，并成功推向國內(nèi)外市場。在國家科技部領(lǐng)導和組織下先后成立了近10家旨在推廣應用快速成型技術(shù)的“快速原型制造技術(shù)生產(chǎn)力促進中心”，863/CIMS 主題專家組還將快速成形技術(shù)納入目標產(chǎn)品發(fā)展項目?？梢哉f我國在典型的快速成形設(shè)備、軟件、材料等方面的研究和產(chǎn)業(yè)化方面獲得了重大進展，我國快速成形技術(shù)的研究工作基本與國際同步。但在快速成形技術(shù)新設(shè)備研發(fā)和應用方面我國則落后于國外。國外快速成形技術(shù)在航空領(lǐng)域有超過8%的應用量，而我國在這方面的應用量則非常低。據(jù)估計，3D打印設(shè)備在我國企業(yè)級裝機量在400臺左右，2010年以來年增速均為70%左右，市場規(guī)模超過1億元。

3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應用情況

歐美已將3D打印技術(shù)視為提升航空航天領(lǐng)域水平的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一。3D打印技術(shù)在航空領(lǐng)域的應用主要集中在3類：1）外形驗證，整機和零部件外形評估和測試、驗證；2） 直接產(chǎn)品制造，例如無人機的機翼、云臺、油箱、保護罩等，美國一些大飛機中也有多個零部件采用3D打印直接制造；3） 精密熔模鑄造的原型制造，采用精密澆鑄工藝來制作部件前的原型等。

國外應用情況

波音公司已經(jīng)利用3D打印技術(shù)制造了大約300種不同的飛機零部件，包括將冷空氣導入電子設(shè)備的形狀復雜導管。目前波音公司和霍尼韋爾正在研究利用3D打印技術(shù)打印出機翼等更大型的產(chǎn)品。

空客在A380客艙里使用3D打印的行李架，“臺風”戰(zhàn)斗機中也使用了3D打印的空調(diào)系統(tǒng)。空客公司最近提出“透明飛機概念”計劃，制定了一張“路線圖”，從打印飛機的小部件開始，一步一步發(fā)展，最終在2050年左右用3D打印機打印出整架飛機?！案拍铒w機”本身有許多令人眼花繚亂的復雜系統(tǒng)，比如仿生的彎曲機身，能讓乘客看到周圍藍天白云的透明機殼等，傳統(tǒng)制造手段難以使用，3D打印或許是一條捷徑。

GE航空2012年11月20日收購了一家名為Morris Technologies的3D打印企業(yè)，計劃利用后者3D打印技術(shù)打印LEAP發(fā)動機組件。GE把這次收購看作是對新制造技術(shù)的投資，認為具備處理新興材料與復雜設(shè)計的工藝制造開發(fā)能力，對GE的未來至關(guān)重要。

美國空軍對3D打印也報以厚望，近日與3D Systems簽約，投資29.5億美元用于其開發(fā)打印F-35戰(zhàn)機部件和其他武器系統(tǒng)的3D打印系統(tǒng)。

國內(nèi)應用情況

中航重機激光技術(shù)團隊早在2000年前后，就已經(jīng)開始投入“3D激光焊接快速成型技術(shù)”研發(fā)。目前，中航重機激光產(chǎn)品已經(jīng)應用于我國多款新型飛機上，并起到關(guān)鍵作用。除了軍用飛機，中航重機激光還在開拓世界最先進四代航空發(fā)動機最核心技術(shù)之一——整體葉盤應用市場，以及大型水面水下艦艇市場。

北航同我國主要飛機設(shè)計研究所等單位“產(chǎn)學研”緊密合作，瞄準大型飛機、航空發(fā)動機等國家重大戰(zhàn)略需求，歷經(jīng)17年研究在國際上首次全面突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型復雜整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形工藝、成套裝備和應用關(guān)鍵技術(shù)，并已在飛機大型構(gòu)件生產(chǎn)中研發(fā)出五代、10余型裝備系統(tǒng)，已經(jīng)受近十年的工程實際應用考驗，使我國成為迄今世界上唯一掌握大型整體鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)并成功實現(xiàn)裝機工程應用的國家。2013年1月18日，王華明聯(lián)合研發(fā)團隊憑“3D激光快速成型技術(shù)”獲國家技術(shù)發(fā)明一等獎。3D打印對生產(chǎn)方式的變革

相比較傳統(tǒng)制造業(yè)，3D打印在制造模式、流程、供應鏈等方面發(fā)生巨大變化。1）定制成為新標準。制造模式上，過去是生產(chǎn)線規(guī)模化生產(chǎn)，今后則可能更多的是數(shù)字化、個性化、分散化的定制生產(chǎn)，不再需要庫存大量零部件，也不需要大量生產(chǎn)。2）縮短上市時間。3D打印無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期。3）更優(yōu)越的產(chǎn)品性能。3D打印的產(chǎn)品是自然無縫連接，結(jié)構(gòu)之間的穩(wěn)固性和連接強度要高于焊接等傳統(tǒng)方法。4）開放式的產(chǎn)品設(shè)計。3D打印產(chǎn)品設(shè)計者與消費者之間可以通過互動改進產(chǎn)品，這個互動是雙向的，消費者也可以自己設(shè)計產(chǎn)品。5）改變離岸經(jīng)濟模式。3D打印對產(chǎn)品供應鏈有重大影響，選擇生產(chǎn)地時，勞動力成本不再那么重要，而是考慮如何接近消費者，傳統(tǒng)過程的供應鏈就變得短了，使得傳統(tǒng)的離岸經(jīng)濟模式得以改變。

3D打印產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展前景

對于3D打印未來的發(fā)展前景，業(yè)界普遍看好。作為全國工業(yè)的主管部門，工信部準備組織研究制訂3D打印技術(shù)路線圖、中長期發(fā)展戰(zhàn)略，推動完善3D打印技術(shù)規(guī)范和標準制定，研究制定支持3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項財稅政策。據(jù)報道科技部的3D打印相關(guān)戰(zhàn)略規(guī)劃也正在研究制定中，近期即將公布。高德納（ Gartner ）公司2012年的新興技術(shù)炒作周期報告判斷：3D打印技術(shù)目前正在進入概念炒作的高峰階段，在5～10年的時間內(nèi)將迎來發(fā)展高峰（見圖3）。

據(jù)Wohlers Associates報告分析，全球3D打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在1988～2010年間保持著26.2%的年均增速。2011年3D打印產(chǎn)業(yè)的市場規(guī)模為17億美元，到2016年產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達到31億美元，2020年將達到52億美元，其中零部件制造將占80%。而對于快速成型應用領(lǐng)域，則市場更為廣闊。2012年，全世界快速成型制造的產(chǎn)值估計為230億美元，2015年產(chǎn)值將會達到350億美元。

不過3D打印技術(shù)要進一步擴展其產(chǎn)業(yè)應用空間，目前仍面臨著一些瓶頸和挑戰(zhàn)：一是成本方面，現(xiàn)有3D打印機造價仍普遍較為昂貴，給其進一步普及應用帶來了困難。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化學聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全方面也存在一定隱患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度還不盡如人意，打印效率還遠不適應大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴重沖突。四是產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面，3D打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復制和擴散，制造業(yè)面對的盜版風險大增，現(xiàn)有知識產(chǎn)權(quán)保護機制難以適應產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需求。

3D打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢

隨著智能制造的進一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被廣泛應用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來，3D打印技術(shù)的發(fā)展將體現(xiàn)出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趨勢。

提升3D打印的速度、效率和精度，開拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學和物理性能，以實現(xiàn)直接面向產(chǎn)品的制造；開發(fā)更為多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、非均質(zhì)材料及復合材料等，特別是金屬材料直接成型技術(shù)有可能成為今后研究與應用的又一個熱點；3D打印機的體積小型化、桌面化，成本更低廉，操作更簡便，更加適應分布化生產(chǎn)、設(shè)計與制造一體化的需求以及家庭日常應用的需求；軟件集成化，實現(xiàn)CAD/CAPP/RP的一體化，使設(shè)計軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無縫對接，實現(xiàn)設(shè)計者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠程在線制造。

航空制造業(yè)整合3D打印技術(shù)的建議

我國是制造業(yè)大國，3D打印技術(shù)對中國諸多企業(yè)將是顛覆性的變革。我國航空制造業(yè)必須未雨綢繆，積極為迎接此技術(shù)革命做好準備。

（1）推進“產(chǎn)學研用”結(jié)合，拓展應用領(lǐng)域，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，提高產(chǎn)業(yè)化程度。

（2）改變產(chǎn)品，如研發(fā)現(xiàn)有產(chǎn)品的數(shù)字版及3D打印所需相應的硬軟件。

（3）改變制造過程和方法，將現(xiàn)有制造系統(tǒng)智能化自動化，引入3D制造系統(tǒng)，形成復合體系。增材制造和減材制造相輔相成，復合制造體系在今后將成為主流。

（4）改變商業(yè)模式。這一次新工業(yè)革命要求完全不同的價值獲取與盈利模式，及相關(guān)的流程設(shè)計，資源配置和組織機構(gòu)的形式。

（5）提前專利布局，在發(fā)展初期就要將目光放長遠，不能滿足于現(xiàn)有已經(jīng)被國外企業(yè)掌握的核心技術(shù)，而是要更多的走自己的專利之路，努力發(fā)展創(chuàng)新技術(shù)，搶占技術(shù)先機，積極進行合理的專利布局，包括國際市場專利布局，同時擺脫對國外3D打印耗材的依賴，避免陷入不必要的專利泥潭，爭取在未來的市場競爭中占據(jù)有利地位。

（5）GE收購3D打印企業(yè)，某種程度上給航空企業(yè)提供了借鑒：通過一些資本化運作手段，兼并收購一些具有核心技術(shù)的3D打印企業(yè)，以核心制造能力為重點，打造航空企業(yè)自身的價值元寶曲線，或許是在這次工業(yè)革命中實現(xiàn)快速趕超的有效途徑。

（作者單位系中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心）

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