一、增材製造(3D打印)簡介

　　3D打印是一個(ge) 顛覆性的創新技術。

　　從(cong) 製造方式來說，鑄、鍛、焊在製造過程中重量基本不變，屬於(yu) 等材製造，已經有3000年曆史了。

　　車銑刨磨機床通過材料的切削去除，達到設計形狀，稱為(wei) 減材製造，已有300年的曆史。

　　增材製造中材料一點一點地累加，形成需要的形狀。發明於(yu) 1984年，才30年的曆史。

　　當前3D打印幾種主流技術有：

　　SLA(光固化技術)利用激光掃描，使液態光敏樹脂固化。是最早發明出來的3D打印技術。廣泛應用於(yu) 設計驗證。

　　SLS(選擇性激光燒結)是一種將非金屬(或普通金屬)粉末分層鋪設，激光在程序控製下，選擇區域掃描燒結成三維物體(ti) 的工藝。用於(yu) 飛機、航空航天零件的製造以及精密件的製造，包括飛機的格柵、牙科的修複、顱骨的修複。

　　SLM是在送粉中，實現激光融化和燒結，類似堆焊，製造件更加致密、強度達到鍛件水平，可用於(yu) 製造大型結構件、承載件。

　　FDM技術(熔融堆積法)將熱塑性絲(si) 狀材料加熱從(cong) 小孔擠出，將絲(si) 材熔化堆積成型。適合於(yu) 教育或者創客設計驗證。大尺寸FDM裝備可用於(yu) 汽車和無人機的製造。

二、3D打印(增材製造)的特點與(yu) 意義(yi)

　　1984年美國發明了光固化激光成型技術，1986年實現SLA樣機，按照材料累加概念，各種增材製造工藝與(yu) 裝備紛紛湧現，當時采用激光快速原型製造等學術名詞。這些技術中有一種以石蠟等材料的3D打印機。近年來，美國媒體(ti) 開始把增材製造技術稱為(wei) 3D打印技術，有利於(yu) 大眾(zhong) 理解。增材製造被美國自然科學基金會(hui) 稱為(wei) 上世紀最重要的製造技術創新。麥卡錫報告列出了對人類生活有顛覆性影響的12項技術，3D打印排在第九位，排在新材料和頁岩氣之前。預測在2030年全世界將達到1萬(wan) 億(yi) 左右美元的效益，15年麥卡錫報告又將這一進程前移，認為(wei) 增材製造2020年可達到5500億(yi) 美元的效益。

　　3D打印製造有如下特點與(yu) 優(you) 勢：

　　1、 3D打印無處不在：3D打印可以打印許多材料、任意複雜形狀、任意批量，可以應用於(yu) 各工業(ye) 和生活領域，可以在車間、辦公室及家裏實現製造。理論上3D打印無處不在，無所不能。但許多材料的打印、工藝的成熟度、打印成本、效率等等尚不盡人意，需要多學科交叉的創新研究，使之更好、更快、更廉價(jia) 。

　　2、 支持產(chan) 品快速開發：3D打印可以製造形狀複雜的零件，所想即所得。直接由設計數據驅動，不需要傳(chuan) 統製造必須的工裝夾具模具製造等生產(chan) 準備，編程簡單。在產(chan) 品創新設計與(yu) 設計驗證中，特別方便。使產(chan) 品開發周期與(yu) 費用至少降低為(wei) 一半，成為(wei) 機電產(chan) 品和裝備快速開發的利器。

　　3、 節材製造：增材製造僅(jin) 在需要的地方堆積材料，材料利用率接近100%。航空航天等大型複雜結構件采用傳(chuan) 統切削加工，往往95%-97%的昂貴材料被切除。而在航空航天裝備研發機製造中采用增材製造將會(hui) 大大節約材料和製造成本，具有極其重要的價(jia) 值。

　　4、 個(ge) 性化製造：可以快速、低成本實現單件製造，使單件製造的成本接近批量製造。特別適合個(ge) 性化醫療和高端醫療器械。如人工骨、手術模型、骨科導航模板等。

　　5、 再製造：用於(yu) 修複磨損零部件的再製造，如飛機發動機葉片、軋鋼機軋輥等，以極少的代價(jia) ，獲得超值。應用在軍(jun) 械、遠洋輪、海洋鑽井平台、乃至空間站的現場製造，具有特殊的優(you) 勢。

　　6、 開拓了創新設計的新空間：可以製造傳(chuan) 統製造技術無法實現的結構，為(wei) 設計創新提供了非常大的創新空間。可以將數十個(ge) 、數百個(ge) 甚至更多的零件組裝的產(chan) 品一體(ti) 化一次製造出來，大大簡化了製造工序，節約了製造和裝配成本。以3D打印新工藝的視角對產(chan) 品、裝備再設計，可能是3D打印為(wei) 製造業(ye) 帶來的最大效益所在。

　　近兩(liang) 年，3D打印顯現出顛覆性變革。如GE公司做的飛機發動機的噴嘴，把20個(ge) 零件做成了一個(ge) 零件，成本材料大幅度的減少，還節省燃油15%。這是一代發動機的概念，每開發一代發動機要上億(yi) 歐元，一個(ge) 噴嘴就解決(jue) 了。美國3D打印的概念飛機，重量可以減輕65%。

　　7、 引領生產(chan) 模式變革：3D打印可能成為(wei) 可穿戴電子、家居用品、文化產(chan) 業(ye) 、服裝設計等行業(ye) 的個(ge) 性化定製生產(chan) 模式。一些專(zhuan) 家認為(wei) ，3D打印等數字化設計製造將引領生產(chan) 從(cong) 大批量製造走向個(ge) 性化定製的第三次工工業(ye) 革命。

　　3D打印已經成為(wei) 創客最歡迎的工具，將有力促進大眾(zhong) 創新，萬(wan) 眾(zhong) 創業(ye) 。GE公司在網上發布了一條消息，挑戰3D打印，將飛機的一個(ge) 零部件讓創客設計。第一名隻用了原始結構的1/6的重量就完成了全部測試，而設計者是19歲的年輕人。3D打印展現了全民創新的通途。互聯網+3D打印的製造模式：收集大眾(zhong) 的個(ge) 性化需求，由創客完成設計，設計方案由3D打印件進行驗證;再由虛擬製造組織生產(chan) ，由物聯網來配送。美國眾(zhong) 創公司，15000名訪客、6000名創客。亞(ya) 馬遜利用網絡銷售3D打印商品，營業(ye) 額已達數十億(yi) 美元，利潤30%。所以互聯網+3D打印=萬(wan) 眾(zhong) 創新、萬(wan) 家創業(ye) 的最佳技術途徑。

　　8、 創材：3D打印製造出了耐溫3315℃的高溫合金，用於(yu) 龍飛船2號，大幅度增強了飛船推力。利用3D打印高能束的集中能量，以3D打印設備作為(wei) 材料基因組計劃的研製驗證平台，可以開發出超高強度、超高韌性、超高耐溫、超高耐磨的各種優(you) 秀材料，增材製造變成為(wei) 創材技術。

　　9、 創生：應用於(yu) 組織支架製造、細胞打印等技術，實現生物活性器官的製造，一定意義(yi) 上的創造生命。為(wei) 生命科學研究和人類健康服務。

　　10、 目前，3D打印的技術尚有待深入廣泛研究發展，其應用還很有限，但其創造的價(jia) 值高，利潤空間大。隨著研發的深入，工業(ye) 應用的不斷擴大，其創造的價(jia) 值越來越高。不久的將來，不僅(jin) 在製造概念上，減材、等材、增材三足鼎立，從(cong) 創造的價(jia) 值上，也必將走上三分天下。

三、3D打印技術的發展狀況

　　上述3D打印的優(you) 勢的1-5條，目前已經進入應用，當然還需要更深入的研究，建立各類標準，使其能更廣泛地應用，發揮更大的效益。

　　如在汽車零配件、輕工產(chan) 品、家電等產(chan) 品開發中降低產(chan) 品開發周期與(yu) 費用一半以上;在個(ge) 性化醫療方麵，在骨替代物製造、牙科整形與(yu) 修補等方麵已經有初步應用，效果顯著;在航空航天產(chan) 品研發中，可以製造與(yu) 鍛件性能媲美的大型構件;小型FDM桌麵機已經應用於(yu) 教學培訓、創意設計等方麵，形成了全球銷量最大的3D打印設備;大型FDM設備在提高質量與(yu) 效率的同時，已經開始成為(wei) 複合材料汽車車身、無人機等大型產(chan) 品的開發乃至小批量生產(chan) 的工具等等，這些技術正在成為(wei) 改造傳(chuan) 統行業(ye) 和創造新型企業(ye) 的重要工具和方向。目前已可以開展推廣應用，但仍需工程驗證、一些針對性的研發與(yu) 係統集成。

　　上述的第6-7項，是我們(men) 現在和將來都要持續、深入研究的重要方向。在今後的5-15年中，將會(hui) 帶來重要效益。在引起製造業(ye) 逐漸量變的同時，在走向一半的產(chan) 品將成為(wei) 個(ge) 性定製化生產(chan) 的生產(chan) 模式變革中，帶來顛覆性變化。

　　上述的等8-9兩(liang) 項，創材與(yu) 創生，無疑是將要為(wei) 材料科學和技術、生命科學和醫療技術、為(wei) 製造業(ye) 帶來巨大顛覆性變革。我們(men) 現在就需要布局，爭(zheng) 取搶占這一戰略性高地。

　　第10項，從(cong) 概念上與(yu) 等材、減材製造的三分天下，走向效益的三足鼎立，是隨著上述各項研究與(yu) 應用的不斷發展而實現的。

　　3D的科研方麵，我國的研究起步並不晚，90年代初期，清華大學、西安交通大學、華中科技大學就開始了研究，九五期間，已經基本掌握了當時的幾種主流技術，如SLA、SLS、LOM、FDM技術，掌握了其製造工藝和軟硬件控製技術，開發了這些技術裝備，開展了推廣應用。西安交通大學還把SLA激光成型技術與(yu) 開發的數字化建模、軟模具及快速模具等技術集成，成為(wei) 產(chan) 品快速開發係統技術，在珠三角、長三角及全國推廣應用，10多年來，在全國各地幫助建設了50多個(ge) 示範中心。使機電、汽車零部件、輕工等產(chan) 品的開發周期與(yu) 費用降為(wei) 傳(chuan) 統技術的1/3-1/5。

　　90年代末，北京航空航天大學、西北工業(ye) 大學等單位開始了金屬材料增材製造研究，可以製造與(yu) 鍛件性能媲美的大型構件。目前我國依靠自己開發的大型金屬3D打印設備，在飛機大型承力件應用方麵目前處於(yu) 國際領先。在軍(jun) 機、大飛機研發中，充當了急救隊的作用，鈦合金大型結構件已經率先應用於(yu) 飛機起落架及C919的研發中。在應用3D打印技術製造個(ge) 性化鈦合金骨植入方麵，西安交通大學在2000年就完成了首例臨(lin) 床，2011年比國際2012年的報道早11年。最近，我國首創了利用導航模板實現癌症的靶向治療，避免了放療玉石俱焚的副作用，初步實驗，效果良好，是一重大創新。

　　目前，中國在3D打印方麵的研究方麵處於(yu) 國際前列，如論文和申請專(zhuan) 利的數量處於(yu) 世界第二。

　　在應用方麵，我國工業(ye) 級設備裝機量據全世界第四，但金屬打印的商業(ye) 化設備還主要依靠進口。非金屬工業(ye) 型打印機，我國60%以上立足國內(nei) 。小型FDM打印機，太爾時代已批量出口，銷量躋身世界前列。但國產(chan) 工業(ye) 級裝備的關(guan) 鍵器件，如激光器、光學振鏡、動態聚焦鏡、打印頭等主要依靠進口。

　　工業(ye) 級3D打印材料的研究剛剛起步，除了個(ge) 別研發能力強的公司研發了少量材料外，3D打印的材料基本依靠進口。一些公司剛開始研發。

　　從(cong) 產(chan) 業(ye) 的發展，我們(men) 發展的太慢。美國有兩(liang) 家最大的3D打印公司，今年達到近10億(yi) 美元的規模。而我們(men) 企業(ye) 基本是校辦企業(ye) 起家，最多1個(ge) 多億(yi) 人民幣產(chan) 值。而現在進口設備大舉(ju) 進攻中國市場，金屬打印裝備，國外則實行材料、軟件、設備、工藝一體(ti) 化捆綁銷售。我們(men) 必須研發核心技術與(yu) 原創技術，打造自己的創新鏈與(yu) 產(chan) 業(ye) 鏈。現在國內(nei) 已經有若幹3D打印公司上市，科技開始與(yu) 資金結合，這是一個(ge) 良好的開端。

　　3D打印從(cong) 質和量兩(liang) 方麵對國家戰略地位和今後的科技發展都產(chan) 生重大影響的技術。3D打印技術正處於(yu) 一個(ge) 技術的井噴期，產(chan) 業(ye) 的起步期，企業(ye) 的跑馬圈地期。

　　3D打印的任意性為(wei) 產(chan) 品和裝備的創新設計開辟了巨大的空間，為(wei) 各行業(ye) 會(hui) 帶來巨大的效益。我們(men) 應該抓緊標準的研究，3D打印的數據標準可能影響到裝備和應用兩(liang) 個(ge) 方麵，我們(men) 必須有話語權。在航空件和高端醫療器械方麵，要積極研究麵對3D打印個(ge) 性化製造產(chan) 品準入的標準，以有利於(yu) 新技術的應用。要加強基礎研究，發展原創技術，在3D打印的新材料研發，顯著提升打印件的質量和打印效率等方麵有創新技術;要建立創新體(ti) 係，為(wei) 企業(ye) 提供核心技術和共性技術;要攻克關(guan) 鍵核心器件，打造產(chan) 業(ye) 鏈;要引導金融資本，助推3D打印企業(ye) 做大做強，形成若幹個(ge) 具備國際競爭(zheng) 規模的企業(ye) 。

　　
四、中國製造2025與(yu) 協同創新

　　比較中、德、美三國，德國的工業(ye) 優(you) 勢在於(yu) 質量過硬、基礎雄厚、工藝嚴(yan) 謹;美國的優(you) 勢在於(yu) ：社會(hui) 創新、高科技優(you) 勢、集全球資源與(yu) 精英;而我們(men) 中國的重要優(you) 勢：一個(ge) 比較完整的工業(ye) 體(ti) 係、內(nei) 需市場巨大、人力資源豐(feng) 富。

　　麵對我們(men) 存在的階段性差距，需要工業(ye) 2.0、3.0的補課(質量優(you) 先、機器人和高檔數控機床等自動化技術)的同時，發展工業(ye) 4.0。因此需要追趕與(yu) 跨越並舉(ju) ;必須發揮政府科學而有力的調控作用，匯集有限的社會(hui) 資源，做好協同創新。需要我們(men) 揚長避短。

　　我們(men) 巨大的市場需求，必須保護，充分利用，以引導和支持我們(men) 的裝備製造。一個(ge) 領域的需求，就可以帶動一個(ge) 裝備領域的發展。如航空航天、汽車領域對高檔數控機床的需求。我們(men) 如何通過大飛機、兩(liang) 機專(zhuan) 項及軍(jun) 工技術改造的機遇，拉動我國的機床工業(ye) ，同時形成高端裝備的雄厚發展基礎?建議項目采購采取信息安全的一票否決(jue) 製。各項計劃、各個(ge) 行業(ye) 的互動協同發展，是我們(men) 大國製造應該認真思考的問題。例如許多地區在提機器換人，我們(men) 要警惕：切莫洋機器人上崗，中國工人下崗了。在新產(chan) 品研發時，就開始與(yu) 國產(chan) 化製造裝備並行，注意第一罐奶粉效應。在民用領域。培養(yang) 人民的消費觀：人人為(wei) 培育民族工業(ye) 貢獻。

　　對目前我國的共性技術缺位，需要創新思路，進行國家級創新中心建設。

　　德國弗朗霍夫研究院是德國工業(ye) 創新的策源地。開始於(yu) 1949年。現在建設有67個(ge) 專(zhuan) 業(ye) 研究所。每個(ge) 研究所往往建設在大學附近，2-3名具有企業(ye) 高管經曆的教授領軍(jun) ，400餘(yu) 人規模，4萬(wan) 多平方米麵積。其經費來源政府資助、項目經費及企業(ye) 委托各占1/3。保證了代表先進水平和企業(ye) 需求的研究。德國研究機構持之以恒的研究成就了德國裝備製造的精良。

　　美國發現他們(men) 的基礎研究與(yu) 產(chan) 業(ye) 化技術之間存在鴻溝。於(yu) 是啟動了製造創新網絡計劃。由NIST牽頭，收集社會(hui) 建議與(yu) 組織評審，成熟一個(ge) 建設一個(ge) ：已建有增材製造、輕量化、數字化設計製造等製造創新網絡。其機製特點聚集現有資源，快速組建創新鏈，課題實施時的最優(you) 資源組合，知識產(chan) 權協議從(cong) 研發開始，采取網絡化運行、重視創新工藝與(yu) 標準的研究等。

　　我國可以參考兩(liang) 國路徑，探索適用我國國情及能實現中國製造2025任務的道路。建設一批能協同社會(hui) 創新資源，為(wei) 產(chan) 業(ye) 提供核心技術與(yu) 共性技術的創新中心。避免科技資源的浪費和低水平的重複研究。

　　在產(chan) 學研協同方麵，應該正確理解企業(ye) 為(wei) 主體(ti) 。企業(ye) 要成為(wei) 投資研發、應用成果、集成成果的主體(ti) 。產(chan) 學研形成長效合作機製，把科研機構、人員與(yu) 企業(ye) 創新的積極性調動和發揮出來。

　　在全社會(hui) 的協同機製方麵，加強科技計劃協同，按技術成熟度，各部委分工協作，各計劃形成接力。

　　國家科研計劃應以標準、基礎研究為(wei) 先，重視產(chan) 業(ye) 化共性技術，以創新思想、發明專(zhuan) 利為(wei) 評審依據。

　　在金融與(yu) 科技、產(chan) 業(ye) 的協同方麵，改善製造業(ye) 的資金環境。目前我國製造業(ye) 產(chan) 業(ye) 利潤率低於(yu) 同期銀行貸款利率，而貸款利率如：台灣1.92%，美國大約1.5%，但我們(men) 貸款利率往往達7-8%，而製造企業(ye) 的純利潤一般低於(yu) 我國的貸款利率。要改善中國製造業(ye) 發展的資金環境，如何引導金融資金更多更快地流向實體(ti) 經濟、流向有潛力的先進製造業(ye) ，加強資金對創新的支持力度，讓創新力量及時得到資金支持，是中國製造2025能否順利實施的重要關(guan) 鍵問題。

　　在人才協同方麵，建立正確的學科評估標準，引導創新與(yu) 工程能力培養(yang) 。倡導科研人員的論文更多地寫(xie) 在產(chan) 品上，寫(xie) 在裝備上。中國製造2025還需要培養(yang) 一批工業(ye) 4.0時代的企業(ye) 家和科技領軍(jun) 人，既精通製造工藝，又具有互聯網思維，能充分利用社會(hui) 創新資源。創新型社會(hui) 還需要一大批創客、極客，需要馬斯克式的人物，有濃厚的科學興(xing) 趣和強烈的創新欲。

　　中國製造2025的主攻方向和帶動性技術是發展智能製造。

　　智能製造主要是工業(ye) 互聯網和底層智能化兩(liang) 部分。

　　1、工業(ye) 互聯網：要形成一個(ge) 萬(wan) 眾(zhong) 創客網、CAD/CAE/CAM數字化製造服務網、3D打印、性能測試服務網，由眾(zhong) 包完成產(chan) 品的開發和數字化製造。用工業(ye) 互聯網構成一個(ge) 高技術的服務業(ye) ，構建新機製的創新體(ti) 係，驅動知識信息的流動。企業(ye) 的資源是有限的。我們(men) 用互聯網把全國的、全社會(hui) 的，乃至全球的人才、資源都集中到一塊，達到社會(hui) 資源的優(you) 化組合，這就是智能製造的精華。走出工廠的圍牆。讓知識流動起來，補足中國製造業(ye) 開發能力弱的短板。這就是互聯網帶動製造業(ye) 發展的真諦，最大的效益所在。

　　2、底層智能化。

　　主要包括：主要包括機器人、智能製造裝備和3D打印。

　　機器人：機器人是提高生產(chan) 柔性、提高效率、降低成本的工具。

　　智能機床：相比數控機床智能機床是聰明的工具。智能機床的關(guan) 鍵就是信息獲取、工藝優(you) 化軟件加上過程的質量控製。智能機床能夠監控加工的狀態並對被加工件所達到的精度做出判斷和控製。它能成倍地提高加工質量和加工效率。

　　數字化設計和3D打印： 設計是形成產(chan) 品創新價(jia) 值的關(guan) 鍵。高端服務業(ye) 提供設計工具、設計師和產(chan) 品結構的CAE分析，而3D打印是驗證設計的快速手段。3D打印可以是產(chan) 品開發周期與(yu) 費用降低為(wei) 1/3-1/5，3D打印支持定製化生產(chan) 模式。尤其重要的是，3D打印使設計師擺脫了許多可製造性的約束，極大地釋放了設計創新空間，如果說機器人是今天的技術，那麽(me) 3D打印是更加深刻影響今天和明天、乃至後天的技術。

　　互聯網+先進製造業(ye) +現代服務業(ye) ，可以成就製造業(ye) 美好的未來，製造業(ye) 可能的前景是：一半以上的製造為(wei) 個(ge) 性化及定製，一半以上的價(jia) 值由創新設計體(ti) 現，一半以上的企業(ye) 業(ye) 務由眾(zhong) 包完成，一半以上的創新研發為(wei) 極客創客實現。