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，這種新興的先進制造技術(shù)以其可自由化定制化設(shè)計、直接快速成型的特點在航空航天、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)強國紛紛將3D打印納入國家科技計劃，作為搶占未來科技制高點的一個重要舉措。我國政府也高度重視3D打印技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，將其作為重點納入“中國制造2025”、“十三五”規(guī)劃等國家戰(zhàn)略。在利好政策的推動下，我國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、長三角、珠三角為代表的產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)。2017年12月，國家工業(yè)和信息化部又聯(lián)合國家發(fā)改委等11個部委共同印發(fā)了《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃(2017-2020年)》(以下簡稱《行動計劃》)，為我國3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入了新的發(fā)展動力。在此背景下，“中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展高峰論壇暨中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟年會”于2018年1月28～29日在陜西渭南成功召開。本文根據(jù)論壇上專家學者以及企業(yè)家代表的精彩報告，簡要介紹了國內(nèi)外3D打印發(fā)展趨勢及技術(shù)發(fā)展路線、科技部增材制造項目及《行動計劃》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、試點示范3D打印優(yōu)秀企業(yè)特色等。

2 發(fā)展趨勢

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，可以實現(xiàn)零件的直接成型，大大簡化了加工工藝，縮短了加工周期，尤其對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的個性化設(shè)計及成型有著天然的優(yōu)勢[1, 2]。從圖1可知傳統(tǒng)減材制造成本對零件復(fù)雜度和個性化高度敏感，而3D打印則可在相同成本下實現(xiàn)自由化定制化設(shè)計[2]。因此自20世紀80年代末第一臺商用3D打印設(shè)備誕生起，這種先進制造技術(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年國際權(quán)威報告《沃勒斯報告(Wohlers Report)》數(shù)據(jù)，2016年全球3D打印產(chǎn)值約為60.63億美元，較上一年增長了17.6%，到2020年預(yù)計產(chǎn)值將達210億美元[3]。盧秉恒院士在報告中介紹，目前增長最快的是金屬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恐圃欤貌牧弦惨呀?jīng)從最初的塑料擴展到金屬、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)上實現(xiàn)材料在時間尺度上的智能化設(shè)計[5, 6]。不僅如此，3D打印應(yīng)用范圍也進一步拓展文化教育方面，各國推出全民培訓(xùn)計劃，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2017年3D打印的估值應(yīng)該在80億人民幣以上。國內(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，并且可以大量對外出口。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)也取得了長足進步，在航空、醫(yī)療方面應(yīng)用廣泛。但相比于國外，國內(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，實現(xiàn)核心元器件和原材料的國產(chǎn)化。此外，系統(tǒng)裝備集成、關(guān)鍵共性技術(shù)突破、質(zhì)量標準體系的建立等方面也應(yīng)是未來著力的重點。西安交通大學機械制造國家工程實驗室主任李滌塵教授在報告中提到，從2011年起，我國已經(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)在我國受到高度重視，被作為“中國制造2025”的發(fā)展重點。2015年國家工業(yè)和信息化部、發(fā)改委、財政部3部委聯(lián)合發(fā)布了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃(2015-2016年)》(以下簡稱《推進計劃》)，在政策引導(dǎo)下，我國3D打印產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了快速發(fā)展，但與發(fā)達國家相比，仍存在較大差距。工信部賽迪研究院裝備工業(yè)研究所所長左世全在報告中將差距歸納為6個層面：產(chǎn)業(yè)規(guī)模化程度較低、專用材料性能亟待提高、關(guān)鍵裝備和核心器件依賴進口、標準體系不全、協(xié)同推進機制不夠完善、應(yīng)用廣度和深度還需進一步加強。

面對新形勢新任務(wù)新需求，2017年12月國家工業(yè)和信息化部又聯(lián)合發(fā)改委等11個部委共同出臺了《行動計劃》。作為《推進計劃》的補充和銜接，總體思路可以概括為聚焦四大領(lǐng)域，實施五大任務(wù)，采取六項措施，實現(xiàn)五大目標(即“四五六五”)。四大領(lǐng)域：重點制造、醫(yī)療、文化創(chuàng)新以及教育。五大重點任務(wù)：①提高創(chuàng)新能力；②提升供給質(zhì)量，實現(xiàn)從有到優(yōu)；③推進示范應(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。六項保障措施：①加強和部門協(xié)同，和中央地方的協(xié)同；②加強財政的支持力度；③拓展融資渠道；④深化國際交流合作；⑤強調(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年實現(xiàn)五大目標：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個以上試點示范項目；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)品走向國際市場。

西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室主任黃衛(wèi)東教授介紹，3D打印與激光制造共同作為制造領(lǐng)域的重點專項首批列入國家“十三五”重點研發(fā)計劃并率先啟動。重點專項要求在基礎(chǔ)前沿、共性關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用示范3個方面取得重要突破，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多個重點方向和項目，涉及到專用材料、關(guān)鍵部件、系統(tǒng)軟件和集成、檢測標準、應(yīng)用示范等諸多領(lǐng)域。他指出，重大專項不是全面照顧，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)化是一個立足實際需求，從而解決或改善實際問題的過程。由于3D打印技術(shù)的特殊性，在以難加工、小批量、個性化等為主要特點的生物醫(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，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。

生物材料一直是3D打印技術(shù)發(fā)展的重點，清華大學機械工程系孫偉教授在報告中指出，生物3D打印材料的發(fā)展有5個層次：第一個層次是無生物相容性要求的材料；第二個層次是具有生物相容性，但非降解的材料；第三個層次是具有生物相容性，可以降解的材料；第四個層次是活性細胞、蛋白及其他細胞外基質(zhì)材料；第五個層次是用細胞結(jié)構(gòu)體、內(nèi)組織器官構(gòu)建生命機器人、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)打印生物細胞、重構(gòu)生物組織(如軟骨組織)結(jié)構(gòu)，可以進行組織重構(gòu)、藥物檢測、構(gòu)建腫瘤發(fā)展模型等，支撐個性化治療研究。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)可以帶動醫(yī)療、材料、制造等一個大產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，第一至第三層次，技術(shù)已經(jīng)相對成熟、產(chǎn)業(yè)化競爭激烈。第四至第五層次可能會打印一些高級的生物技術(shù)產(chǎn)品，較早占領(lǐng)該領(lǐng)域的企業(yè)可能會實現(xiàn)市場壟斷。

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)療市場規(guī)模達到12.29億美元，估計3D打印植入物規(guī)模達到8.23億。預(yù)計2024年3D打印醫(yī)療產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模將達到96.36億美元，其中植入物市場達到81.2億美元。

特定兵器的快速供應(yīng)需求以及多型號武器部件形狀規(guī)格的多樣性等特點使得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。報告指出，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，我國都已展開了研究和實驗，兵器領(lǐng)域?qū)?D打印技術(shù)的需求可歸納為如下4點：①戰(zhàn)場維修保障；②低價、大批量生產(chǎn)多品種彈藥的柔性生產(chǎn)技術(shù)；③個性化可穿戴裝備；④火炮的輕量化制造。報告指出，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、骨骼防護系統(tǒng)制造、炮塔炮架的減重制造等技術(shù)開展，同時面向未來需要。

5 產(chǎn)業(yè)試點示范

我國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。中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院裝備工業(yè)所所長、中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書長左世全在論壇上介紹到，2016年10月成立的中國增材制造產(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、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、長三角、珠三角為代表的多個產(chǎn)業(yè)示范聚集區(qū)。

本次論壇上，惠普公司姚志堅經(jīng)理表示，從行業(yè)長遠發(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，實施在線軟件控制、硬件尺寸檢測等智能控制技術(shù)，才能真正改變現(xiàn)有的3D打印設(shè)計和生產(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、三迪時空集團、三帝科技等企業(yè)均擁有實現(xiàn)該全產(chǎn)業(yè)鏈的支撐技術(shù)。三迪時空集團正在努力構(gòu)建國際3D打印產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈，打造互聯(lián)互通智能制造平臺和3D打印大數(shù)據(jù)平臺。三帝科技等多家公司獲批2017年國家重點研發(fā)計劃重點支持項目，他們共同關(guān)注的技術(shù)難點是如何降低生產(chǎn)制造成本，SLM Solutions公司中國區(qū)總經(jīng)理鄭春龍表示途徑之一是盡快實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。西安賽隆湯慧萍教授表示我國在粉床電子束3D打印技術(shù)方面和國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)近年來取得了長足的發(fā)展，首批參與試點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、泰國、馬來西亞、非洲、歐洲等國家有成熟合作關(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)的擴散焊產(chǎn)品；陜西聚高致力于個性骨科植入物模型設(shè)計和骨科植入物制造，已實現(xiàn)個性化聚醚醚酮(PEEK)胸骨假體的設(shè)計應(yīng)用、PEEK肋骨假體和胸骨假體設(shè)計病例及個性化PEEK“護心鏡”設(shè)計病例。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，三維掃描技術(shù)也需進一步加快研究。

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

我國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)取得了長足的發(fā)展；同時在武器裝備等新興應(yīng)用領(lǐng)域也開始了深入的探索。在國家戰(zhàn)略支撐和利好政策的驅(qū)動下以及企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的強大需求推動下，我國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個方面取得重要突破；在產(chǎn)業(yè)化方面，我國3D打印行業(yè)將依托規(guī)模化產(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，實現(xiàn)3D打印產(chǎn)業(yè)的新飛躍。

參考文獻 References

[1] Lu Bingheng(盧秉恒), Li Dichen(李滌塵).MachineBuilding&Automation(機械制造與自動化)[J], 2013, 42(4):1-4.

[2] Conner B P, Manogharan G P, Martof A N,etal.AdditiveManufacturing[J], 2014,s1-4:64-76.

[3] Wohlers Associates. Wohlers Report[R]. USA: Wohlers Associates , 2017.

[4] Ngo TD, Kashani A, Gabriele I,etal.CompositesPartB[J], In Press, doi: 10.1016/j.compositesb.2018.02.012.

[5] Jin C, O-Chang K, Wonjin J,etal. 3DPrintingandAddtiveManufacturing[J], 2015, 2(4):159-167.

[6] Kong Y L, Tamargo I A, Kim H,etal.ArchitecturalDesign[J], 2014 , 84 (1) :116-121

[7] Chen G, Zhao S Y, Tan P,etal.TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina[J], 2017, 27(12):2647-2655.