萬(wàn)勇 黃健

一、增材制造領(lǐng)域國(guó)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(diǎn)，主要國(guó)家和地區(qū)紛紛將增材制造列為未來(lái)優(yōu)先發(fā)展方向，制定了發(fā)展規(guī)劃及扶持政策。美國(guó)增材制造研究所是該國(guó)制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)下的第1家研究所；英國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)、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(tái)了相關(guān)的技術(shù)發(fā)展路線圖；俄羅斯和新加坡等通過(guò)發(fā)布研究計(jì)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(guó)

2012年2月，美國(guó)國(guó)家科技委員會(huì)《先進(jìn)制造國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃》提出要加強(qiáng)增材制造、納米技術(shù)、綠色化工、機(jī)器人、智能制造等平臺(tái)技術(shù)，強(qiáng)化美國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)[1]。在該戰(zhàn)略指引下，2012年月，國(guó)家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)下的第1家研究所——國(guó)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(gè)縮寫(xiě)不能完全或恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)機(jī)構(gòu)的意圖或使命，次年更名為“America Makes”，增材制造作為美國(guó)推動(dòng)制造創(chuàng)新最優(yōu)先技術(shù)之一的地位進(jìn)一步得到了鞏固。2016年3月，美國(guó)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)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(lái)10年建設(shè)必要的增材制造基礎(chǔ)知識(shí)，加快增材制造材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了戰(zhàn)略指引[2]。美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)建立了針對(duì)增材制造的F42國(guó)際委員會(huì)來(lái)開(kāi)展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，同時(shí)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合制定工作，部分標(biāo)準(zhǔn)已上升為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

2.歐盟及其成員國(guó)

針對(duì)增材制造技術(shù)的項(xiàng)目資助，自歐盟第一研發(fā)框架計(jì)劃（FP1）就已經(jīng)開(kāi)始了。僅在歐盟第七研發(fā)框架計(jì)劃（FP7）內(nèi)，歐盟委員會(huì)就資助了60多個(gè)增材制造項(xiàng)目，總預(yù)算達(dá)2.25億歐元。在地平線2020計(jì)劃中，增材制造屬于關(guān)鍵使能技術(shù)之一，“未來(lái)工廠”公私合作伙伴項(xiàng)目依舊是主要實(shí)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(dòng)”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(gè)層級(jí)，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(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)等。該路線圖通過(guò)確定標(biāo)準(zhǔn)化工作的時(shí)間節(jié)點(diǎn)和優(yōu)先研究主題，描繪了2015-2022年的發(fā)展路線圖。

英國(guó)自2011年10月起，技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)（現(xiàn)更名為英國(guó)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)）開(kāi)始建設(shè)包括高價(jià)值制造技術(shù)創(chuàng)新中心在內(nèi)的Catapult項(xiàng)目。現(xiàn)在已建立起了7家高價(jià)值制造中心，增材制造是受關(guān)注的研究領(lǐng)域之一。英國(guó)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(guó)政府科技辦公室發(fā)布《制造業(yè)的未來(lái)：英國(guó)機(jī)遇與挑戰(zhàn)的新時(shí)代》，面向2050年制造業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展，提出了英國(guó)制造發(fā)展與復(fù)蘇的政策措施[4]。2016年2月，英國(guó)創(chuàng)新機(jī)構(gòu)發(fā)布有關(guān)英國(guó)增材制造研究與創(chuàng)新概況的調(diào)研分析報(bào)告。報(bào)告顯示，2012年9月至2022年9月，英國(guó)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(guó)防等行業(yè)，金屬是研發(fā)的主要對(duì)象[5]。

德國(guó)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(guó)》，旨在維系“德國(guó)制造”的全球競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，爭(zhēng)奪新技術(shù)的制高點(diǎn)?！肮I(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(guò)程中的應(yīng)用。2013年，德國(guó)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(shí)產(chǎn)權(quán)等領(lǐng)域未來(lái)10年的工作目標(biāo)。

.日本和韓國(guó)

日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省、厚生勞動(dòng)省和文部科學(xué)省在2013年6月新版《制造業(yè)白皮書(shū)》中認(rèn)為，日本政府應(yīng)對(duì)增材制造技術(shù)展開(kāi)監(jiān)測(cè)工作，并評(píng)估該技術(shù)將對(duì)日本制造業(yè)帶來(lái)的威脅，以及提升日本制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的機(jī)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(lái)的增加值以及未來(lái)日本物造的發(fā)展方向。工作組在2014年上半年發(fā)布的報(bào)告中認(rèn)為，盡管增材制造技術(shù)面臨無(wú)數(shù)挑戰(zhàn)，但由此引發(fā)的經(jīng)濟(jì)波浪效應(yīng)將是極其巨大的[7]。日本政府在2014財(cái)年預(yù)算中劃撥40億日元，指定經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省組織實(shí)施以3D成型技術(shù)為核心的制造革命計(jì)劃，該計(jì)劃分為“新一代工業(yè)3D打印機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)”和“超精密3D成型系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)”2大主題[8]。

韓國(guó)總統(tǒng)樸槿惠在2015年新年伊始提出，貫徹執(zhí)行經(jīng)濟(jì)改革3年計(jì)劃、深入打造“創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)”的構(gòu)想。通過(guò)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(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)、增材制造與大數(shù)據(jù)等核心技術(shù)，來(lái)創(chuàng)造嶄新未來(lái)的增長(zhǎng)動(dòng)力[9]。韓國(guó)未來(lái)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(jìn)委員會(huì)，計(jì)劃用半年時(shí)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(guó)貿(mào)易工業(yè)和能源部計(jì)劃在未來(lái)5年（2017-2022年）投資2 000萬(wàn)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(guó)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(bào)告，將增材制造列為該國(guó)未來(lái)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(huì)與產(chǎn)業(yè)合作伙伴共同出資900萬(wàn)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(guó)，由于激光技術(shù)與增材制造技術(shù)切合性很強(qiáng)，增材制造在激光技術(shù)的輔助下快速發(fā)展，并與其他國(guó)家開(kāi)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(jì)劃》進(jìn)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(tái)了《國(guó)家制造發(fā)展計(jì)劃》，增材制造被列為未來(lái)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(jì)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(jì)算研究所等作為參與機(jī)構(gòu)，并遴選出了6項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)方向。2015年9月，南洋理工大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)和新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)合作組建了國(guó)家增材制造創(chuàng)新集群[13]。

二、增材制造研究進(jìn)展

增材制造這項(xiàng)近年來(lái)取得迅猛發(fā)展的加工工藝不光改變了以往對(duì)原材料進(jìn)行切削、組裝的生產(chǎn)加工模式，節(jié)約了材料和加工時(shí)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(shí)現(xiàn)向個(gè)性化、定制化的轉(zhuǎn)變。增材制造技術(shù)的進(jìn)步還將推動(dòng)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(shí)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(shì)，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(jìn)行定制化、柔性化的先進(jìn)電池制備，進(jìn)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(diǎn)[14]。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)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(diǎn)企業(yè)已由單一的設(shè)備制造商升級(jí)為從設(shè)計(jì)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(dá)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(jiān)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(jī)，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(duì)的是航空航天材料，如高性能鈦合金、高溫合金、超高強(qiáng)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(jiàn)，這些打印出來(lái)的試件的靜載力學(xué)性能與鍛件性能相當(dāng)。德國(guó)SLM Solutions是世界知名的金屬3D打印機(jī)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(xiàng)專利，處于領(lǐng)先地位。EOS是另一家德國(guó)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(guó)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(shí)間內(nèi)制造出更為復(fù)雜的幾何形狀[16]。英國(guó)跨國(guó)工程企業(yè)Arup利用鋼材料打印出3D模型[17]。美國(guó)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(kāi)發(fā)得到可進(jìn)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(shí)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(kuò)充打印材料的色彩和種類[19]。美國(guó)Arevo實(shí)驗(yàn)室、Mark Forged公司推出了可實(shí)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(duì)相關(guān)部件和材料強(qiáng)度的正式基準(zhǔn)指標(biāo)[20]。硅谷初創(chuàng)企業(yè)Carbon 3D開(kāi)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(wú)法實(shí)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(zhǎng)足的進(jìn)步。美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室通過(guò)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(jī)械強(qiáng)度高，還具有高達(dá)90%的壓縮應(yīng)變能力[22]。美國(guó)Hughes實(shí)驗(yàn)室利用硅、氮和氧組成的樹(shù)脂配方，通過(guò)紫外光固化快速成形工藝，獲得高強(qiáng)度、全致密的陶瓷材料，可承受1 700℃的高溫，強(qiáng)度是同類材料的10倍[23]。韓國(guó)浦項(xiàng)工業(yè)大學(xué)研發(fā)出由組織或臟器經(jīng)過(guò)細(xì)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(shí)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(shù)脂材料，通過(guò)熔融沉積成型技術(shù)為空客A350XWB寬體飛機(jī)生產(chǎn)制造了超過(guò)1 000種飛機(jī)零部件，縮短了生產(chǎn)周期并降低了生產(chǎn)成本[26]。美國(guó)亞利桑那Local Motors汽車公司打造了全球首款通過(guò)零部件增材制造的名為Strati的電動(dòng)汽車，車身一體成型，共有212層碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料[27]。印度初創(chuàng)企業(yè)EmbroS通過(guò)增材制造技術(shù)開(kāi)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(qiáng)統(tǒng)籌規(guī)劃，制定發(fā)展戰(zhàn)略與行動(dòng)計(jì)劃

根據(jù)國(guó)內(nèi)外增材制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，以及可能帶來(lái)的制造業(yè)變革，制定符合我國(guó)國(guó)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(dòng)計(jì)劃。建議國(guó)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(fù)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(huì)、科學(xué)技術(shù)部、財(cái)政部、中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)工程院等組織相關(guān)專家制定中長(zhǎng)期發(fā)展路線圖，明確階段目標(biāo)、可能的技術(shù)路線、重點(diǎn)任務(wù)和相應(yīng)的政策措施，做好頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌規(guī)劃。同時(shí)，設(shè)立增材制造重大專項(xiàng)，開(kāi)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(jìn)與其他先進(jìn)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(guó)家增材制造協(xié)同創(chuàng)新中心

美國(guó)國(guó)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(duì)增材制造技術(shù)的重視，實(shí)現(xiàn)“美國(guó)發(fā)明、美國(guó)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(huì)團(tuán)體等的主要力量，形成一股強(qiáng)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(gè)國(guó)家層面的大平臺(tái)。

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(guó)家增材制造協(xié)同創(chuàng)新中心，負(fù)責(zé)國(guó)家增材制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的具體實(shí)施。與美國(guó)機(jī)構(gòu)一樣，中心由政府、企業(yè)和社會(huì)組織按一定比例共同注入資金，研究成果歸所有成員機(jī)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(guó)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(dòng)力及教育的副所長(zhǎng)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(dòng)力培養(yǎng)、教育拓展等。

增材制造技術(shù)是創(chuàng)新意識(shí)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(guó)家職業(yè)教育融入社區(qū)、融入研究創(chuàng)新機(jī)構(gòu)的做法值得我們學(xué)習(xí)、借鑒。

考文獻(xiàn)

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3] Independent.Government sets up national 3D printing centre[EB/OL].（2014-01-16）.http：//www.independent.co.uk/ news/business/news/government-sets-up-national-3d-printing-centre-9064015.html.

4] The Government Office for Science. The Future of Manufacturing：A New Era of Opportunity and Challenge for the UK[R/OL].（2013-10-01）.https：//www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/ file/255923/13-810-future-manufacturing-summary-report.pdf.

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