重振製造業(ye) 的“戰略級技術”

　　奧巴馬政府2012年提出重振美國製造業(ye) 的一係列發展方案，將增材製造列為(wei) 11項重要技術之一。在美國政府計劃斥資10億(yi) 美元興(xing) 建15家製造業(ye) 創新研究所組成的“全美製造業(ye) 創新網絡”中，增材製造研究機構正是第一個(ge) 成立的。

　　2012年8月，奧巴馬政府宣布在俄亥俄州的揚斯敦設立一所由政府部門和私營部門共同出資建造的製造業(ye) 創新研究所——國家增材製造創新研究院（NAMII），專(zhuan) 門研發增材製造技術。由美國國防部、能源部、國家航空和航天局、國家科學基金會(hui) 、商務部等5家政府部門共同出資4500萬(wan) 美元，俄亥俄州、賓夕法尼亞(ya) 州和西弗吉尼亞(ya) 州的企業(ye) 、學校和非營利性組織組成的聯合團體(ti) 將出資4000萬(wan) 美元。奧巴馬政府期待通過NAMII整合高校、企業(ye) 和政府的力量，加快增材製造技術創新，彌補基礎研究和成熟應用之間的差距，從(cong) 而帶動區域製造業(ye) 的創新和提升。NAMII目前主要研究打印材料特性和效能、資格鑒定和認證測試、加工能力和過程控製等三項技術主題。

　　美國國家科學基金會(hui) 和海軍(jun) 研究辦公室早在2009年已經組織來自學術界、工業(ye) 界和政府的65位專(zhuan) 家組成工作組，研究未來10～12年的增材製造技術路線圖，就增材製造在設計、過程建模和控製、材料和機器、生物醫學應用、能源和可持續發展應用、社區發展、教育、國家實驗中心等方麵的發展提出了一些規劃。而在此之前，歐洲和日本也組織過增材製造相關(guan) 路線圖的研究。增材製造正成為(wei) 發達國家日益關(guan) 注的戰略性產(chan) 業(ye) 核心技術。

　　我國國家工信部也表示，近期將組織研究製定增材製造技術路線圖、增材製造業(ye) 中長期發展戰略，並推動完善增材製造技術規範與(yu) 標準製訂。此外，將加大財稅政策引導力度，加大對增材製造技術研發和產(chan) 業(ye) 化的支持力度，研究製定支持增材製造產(chan) 業(ye) 發展的專(zhuan) 項財稅政策，還將適時籌建增材製造行業(ye) 組織，積極組織行業(ye) 力量開展產(chan) 業(ye) 政策研究，推動增材製造技術研發和產(chan) 業(ye) 化。

　　專(zhuan) 利創新的“新領地”

　　專(zhuan) 利申請是技術創新成果的主要衡量指標，專(zhuan) 利文獻中飽含著豐(feng) 富的技術信息，據世界知識產(chan) 權組織(WIPO)的統計，90%～95%的研發成果包含在專(zhuan) 利文獻中。經筆者對增材製造專(zhuan) 利技術調研發現，截至2013年1月24日，全球增材製造相關(guan) 專(zhuan) 利數量達到2444個(ge) 專(zhuan) 利族（每個(ge) 專(zhuan) 利族包括同一基礎專(zhuan) 利在不同國家申請的所有專(zhuan) 利），經從(cong) 技術層麵、區域格局、競爭(zheng) 機構等角度分析判斷出以下趨勢。

　　技術發展態勢短期回穩：國際增材製造技術自上世紀80年代中後期開始穩定發展，在2004年之前以較快幅度攀升，之後便呈現出專(zhuan) 利量基本穩定甚至略為(wei) 減少的態勢，相關(guan) 專(zhuan) 利的申請量和公開量分別在2007年（251個(ge) 專(zhuan) 利族）和2008年（219個(ge) 專(zhuan) 利族）達到波峰。目前正進入第三階段技術成熟期，專(zhuan) 利申請數量和申請人數量趨於(yu) 穩定甚至有開始減少的趨勢，產(chan) 業(ye) 進入壁壘提高。塑料成型是增材製造中發展最快、專(zhuan) 利申請最為(wei) 集中的技術領域，但近年開始出現回落。

　　美國彰顯區域優(you) 勢：增材製造的專(zhuan) 利申請主要集中在美、日、德、中、韓五個(ge) 國家，上述五國的專(zhuan) 利申請量占全球增材製造專(zhuan) 利申請總量的九成。其中，美國以近半的份額在增材製造技術專(zhuan) 利上具有絕對優(you) 勢。日本、德國盡管位居第二、第三位，但15%、14%的申請份額已較美國有了明顯差距，中國、韓國則分別以7%、5%的份額位列全球第四、第五位。

　　企業(ye) 成為(wei) 創新主體(ti) ：全球增材製造專(zhuan) 利申請最多的前10家機構均為(wei) 高科技研發與(yu) 製造型企業(ye) ，除專(zhuan) 注於(yu) 3D打印技術研發的3DSystems、美國Stratesys和德國EOS等領先者以外，還包括了材料、半導體(ti) 、飛機製造等領域的跨國公司，說明增材製造正積極朝著產(chan) 業(ye) 化方向發展，市場前景明朗。雖然上述企業(ye) 的專(zhuan) 利數量很多，但在專(zhuan) 利質量上的情況卻非如此光鮮。來自美國的麻省理工學院和Zcorp公司的專(zhuan) 利引證率分別為(wei) 11.95和4.56，平均每篇專(zhuan) 利的研究價(jia) 值超過了上述排名前十位的企業(ye) 。#p#分頁標題#e#

   何謂增材製造

　　增材製造，俗稱3D打印，是指通過逐層增加材料的方式將數字模型製造成三維實體(ti) 物件的過程，其基本特征是分層製造。

　　增材製造的發展曆史最早可追溯到150年前的照片雕塑和地形測繪，這些早期技術可歸納為(wei) 通過手工“削減和堆積”方式分層構造自由成形對象。

　　現代增材製造技術的出現起源於(yu) 20世紀80年代中期的光固化成型（SLA），該技術由1986年創建的3DSystems公司成功研發。在20世紀80年代末和90年代初期，大量的增材製造技術開始出現，包括選擇性激光燒結（SLS）、層壓板製造(LOM)、熔融沉積成型（FDM）、精密金屬沉積(PMD)等，一批行業(ye) 先行者如日本CMET、美國Stratesys、德國EOS、美國Zcorp、以色列Objet等公司先後成立。之後的20多年，增材製造在商業(ye) 和學術活動中的影響力不斷增長。目前，根據所用打印材料及生成片層方式的不同，增材製造已經發展出很多工藝，這些技術由不同公司所研發倡導。

　　不容忽視的“障礙”

　　科學技術的進步總是伴隨著相應的弊端，增材製造也是如此，但技術革新的步伐卻永遠不會(hui) 停止。

　　倫(lun) 理和安全問題：

　　據福布斯中文網報道，美激進組織“分布式防禦”正在利用3D打印技術製造可以開火並具有殺傷(shang) 力的槍械，任何人都可以通過互聯網在家裏下載這款槍支的設計圖，然後借助3D打印技術製造出來。該組織已開始打印槍支部件並進行實彈射擊測試，這一事件引發全球有關(guan) 3D打印槍支的爭(zheng) 論。此外，可以克隆人體(ti) 器官的3D打印技術在給醫學界帶來無限想象力的同時，也麵臨(lin) 著倫(lun) 理上引起大眾(zhong) 質疑的困境。隨著3D打印技術的進步，其引發的安全風險和倫(lun) 理質疑將越來越大，如何保證3D打印技術不被犯罪分子和恐怖分子利用來為(wei) 非作歹，如何建立一套行之有效的監管機製，將對技術的成長極為(wei) 重要。

　　技術和材料缺陷：

　　3D打印是材質一層層堆積成形，每一層都有厚度，這決(jue) 定了它的精度難以企及傳(chuan) 統的減材製造方法。為(wei) 提高精度，則需不斷降低每一層的厚度，這在難度提高的同時，製造時間也大幅延長。而層和層之間粘結再緊密，其產(chan) 品性能也無法和傳(chuan) 統模具整體(ti) 澆鑄的零件相媲美。此外，打印材料的限製也對技術的應用範圍形成掣肘。目前，可供3D打印的材料有300多種，多為(wei) 石膏、塑料、可粘結的粉末顆粒、樹脂等，製造精度、複雜性、強度等難以達到較高要求，主要應用於(yu) 模型、玩具等產(chan) 品領域。對於(yu) 金屬材料來說，如果液化打印則難以成型，采用粉末冶金方式，除高溫還需高壓，技術難度很高，因此，諸多金屬材料在短期很難實際應用。

　　打印成本問題：

　　價(jia) 格是製約3D打印普及應用的另一個(ge) 因素。中低端機器主要采用聚合物成型材料，麵向個(ge) 人消費者設計需要，可打印眼鏡框、樣板房和玩具等小型物件，以美國Makerbot為(wei) 代表的個(ge) 人3D打印機售價(jia) 在2000美元左右。高端機器采用聚合物、金屬和陶瓷等材料，主要用於(yu) 原型製造和大型結構件直接製造，售價(jia) 在20萬(wan) ～200萬(wan) 美元之間。可見，無論麵向個(ge) 人還是專(zhuan) 業(ye) 機構，當前3D打印機的價(jia) 格還是非常昂貴的，而主要用於(yu) 模型製造的有限價(jia) 值使得設備需求量難有爆發性增長。即使3D打印機成本能夠降下來，單個(ge) 商品的製造成本依然得不到解決(jue) 。使用3D打印機製造商品，其成本要遠高於(yu) 大型企業(ye) 規模化生產(chan) 後均攤到每一件商品的成本，而批量生產(chan) 也比3D打印產(chan) 品的速度快得多。