3D打印通過與大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)深度融合，正在掀起一場全方位的新科技革命和產(chǎn)業(yè)革命，這些曾經(jīng)的科學(xué)幻想，如今已經(jīng)融入人們的衣食住行用，將對人類生產(chǎn)模式、生活方式、價值理念等產(chǎn)生深刻影響。

未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新增長點

世界各國紛紛將增材制造作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新增長點。全球著名的麥肯錫報告認(rèn)為，增材制造將是決定2025年經(jīng)濟(jì)的12大顛覆技術(shù)之一。美國《時代》周刊將增材制造列為“美國十大增長最快的工業(yè)”，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志認(rèn)為增材制造將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起，推動實現(xiàn)第三次工業(yè)革命”，認(rèn)為該技術(shù)將改變未來生產(chǎn)與生活模式，實現(xiàn)社會化制造。以云計算、大數(shù)據(jù)、增材制造等為核心、以“工業(yè)4.0”為標(biāo)志的新一輪產(chǎn)業(yè)革命正在來臨，制造業(yè)將成為國家經(jīng)濟(jì)競爭力的關(guān)鍵所在。歐美等發(fā)達(dá)國家將增材制造作為“再工業(yè)化”、“重新奪回制造業(yè)”、“重振經(jīng)濟(jì)”的國家戰(zhàn)略，德國長期在金屬零件增材制造技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。

隨著土地、勞動力等要素成本的快速上漲，資源環(huán)境約束進(jìn)一步增強(qiáng)，我國制造業(yè)傳統(tǒng)的低成本競爭優(yōu)勢不斷減弱，正面臨歐美發(fā)達(dá)國家“再工業(yè)化”和發(fā)展中國家低成本承接產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的“雙重擠壓”。增材制造與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新材料技術(shù)、新設(shè)計理念的深度融合，將給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來變革性影響，被稱為新一輪工業(yè)革命的標(biāo)志性技術(shù)之一。當(dāng)前，增材制造已經(jīng)成為航空航天等高端設(shè)備制造及修復(fù)領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，初步成為產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計、創(chuàng)新創(chuàng)意及個性化產(chǎn)品的實現(xiàn)手段以及臨床診斷與治療的工具，并且應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展。因此，借助云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為代表的新興信息技術(shù)，大力發(fā)展增材制造等顛覆性技術(shù)，是實現(xiàn)“中國制造”向“中國智造”轉(zhuǎn)變的時代選擇，是實現(xiàn)制造業(yè)彎道超速，打造我國制造業(yè)新優(yōu)勢，實現(xiàn)“制造強(qiáng)國夢”的必然選擇，也是力爭搶占未來科技和產(chǎn)業(yè)制高點的必然選擇。

金屬增材制造是先進(jìn)制造的重要方向之一

金屬增材制造是最前沿和最有潛力的增材制造技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向。金屬增材制造技術(shù)是以高能束流（激光束/電子束/電弧等）作為熱源，通過熔化粉材或絲材實現(xiàn)金屬構(gòu)件逐層堆積成形。根據(jù)所采用能量源和成形材料的不同，典型的金屬增材制造主要包括激光選區(qū)熔化（SelectiveLaserMelting,SLM）、電子束選區(qū)熔化（ElectronBeamMelting,EBM）、激光近凈成形技術(shù)（LaserEngineeredNetShaping,LENS）、電子束熔絲沉積成形（ElectronBeamFreeformFabrication,EBFF）和電弧增材制造（Wireandarcadditivemanufacturing,WAAM）。

表1：目前較成熟的典型金屬增材制造的技術(shù)原理和技術(shù)特點等的對比

同步絲材送進(jìn)技術(shù)采用電子束或電?。–MT、MIG、TIG等）等作為熱源，將金屬絲材加熱熔化，連續(xù)堆積形成沉積層，最終形成“近形”制件。沉積層厚度為毫米量級，具有成形效率高，制造成本低等優(yōu)點，目前該技術(shù)主要用于制造大型零件毛坯，隨著技術(shù)的發(fā)展，通過增減材一體化復(fù)合，可能將為大型復(fù)雜構(gòu)件的低成本制造提供一種替代方案。電子束選區(qū)熔化（EBM）的優(yōu)點在于其能量密度高，熱影響區(qū)小，變形小，生產(chǎn)率高等，但須在真空環(huán)境中進(jìn)行，需要一整套專用設(shè)備和真空系統(tǒng)，價格較貴，生產(chǎn)應(yīng)用具有一定局限性，但是電子束能力密度高，掃描速度快，束斑直徑大，成形精度不及激光選區(qū)熔化技術(shù)，隨著電子腔技術(shù)的發(fā)展，EBM技術(shù)將會得到快速的發(fā)展。激光成形最重要特點是熱量集中，加熱快、冷卻快、熱影響區(qū)小，進(jìn)而影響金屬相形成的均勻度。金屬激光近凈成形（LENS）采用的激光功率比較大（2-10kW）、光斑直徑大（1-10mm）、粉末沉積效率高(最大1-3kg/小時)，但是成形精度低（毫米級別），其技術(shù)特點適合應(yīng)用于大型構(gòu)件毛坯件的加工成形，隨著增減材一體化技術(shù)的發(fā)展，LENS技術(shù)的應(yīng)用將會進(jìn)一步得到拓展。金屬選區(qū)激光熔化（SLM）成形技術(shù)是目前金屬增材制造中發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，采用激光功率較低（200-1000W）、激光能量密度高（106-8W/cm2）、光斑直徑小（50-200μm）、粉末沉積效率低（5-30cm3/h），但是制造精度很高（20μm），最小壁厚可以達(dá)到100μm，構(gòu)件性能可達(dá)到同成分鍛件水平，精度遠(yuǎn)高于精鑄工藝，零部件致密度近100%。目前受到SLM設(shè)備成形尺寸的限制，SLM主要用于制造中小型復(fù)雜精密構(gòu)件，但隨著多振鏡和增減才一體化技術(shù)的發(fā)展，SLM的應(yīng)用領(lǐng)域和成形件尺寸都將得到進(jìn)一步的發(fā)展，短期內(nèi)被其他技術(shù)取代的可能性不大。如圖1所示，增材制造的成形質(zhì)量和成形效率之間存在著矛盾，針對不同的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)綜合評估權(quán)衡成形質(zhì)量、效率和成本之間的關(guān)系，選擇性價比最佳的3D打印該工藝。

圖1：增材制造成形效率與成形質(zhì)量的關(guān)系

增材制造的應(yīng)用

3D打印應(yīng)用的領(lǐng)域越來越寬廣，從民用的消費品、文化創(chuàng)意產(chǎn)品、建筑的設(shè)計到航空航天的結(jié)構(gòu)，這方面國內(nèi)很多研究單位做了大量的工作，已經(jīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的承載件，例如C919的很多零件上。現(xiàn)在中國民用飛機(jī)也有自己的目標(biāo)，上海商發(fā)準(zhǔn)備80%發(fā)動機(jī)的零件都用3D打印來支持研發(fā)，GE公司也已經(jīng)有三分之一的飛機(jī)發(fā)動機(jī)零件用3D打印進(jìn)行生產(chǎn)，并且已完成了30000個燃油噴嘴的SLM成形和應(yīng)用驗證。未來各種增材制造技術(shù)將得到進(jìn)一步的快速發(fā)展，效率更高成本更低的增材制造工藝也可能會被不斷提出，各種增材制造技術(shù)將同臺競技，不斷拓展自己的應(yīng)用領(lǐng)域。

圖2：結(jié)構(gòu)復(fù)雜對增材制造與傳統(tǒng)制造零件成本的影響

圖2表示構(gòu)件的復(fù)雜程度對制造成本的影響，對于傳統(tǒng)的機(jī)械制造（如車銑刨磨鉆），零件的制造成本隨復(fù)雜程度的提升指數(shù)級的增長，且與制造的批量有關(guān)系，批量小于3000件時，成本非常高。而零件的復(fù)雜程度對增材制造的成本影響很小，增材制造過程幾乎不受零件復(fù)雜程度的影響，其成本主要決定于制造改零件所需要的時間。因此對于單件小批量生產(chǎn)和具有較高幾何復(fù)雜性的零件，增材制造具有顯著的競爭優(yōu)勢。傳統(tǒng)的零件的制造受到零件本身復(fù)雜性的限制，往往在設(shè)計過程中并未完全實現(xiàn)功能優(yōu)先的設(shè)計，結(jié)構(gòu)上有很多冗余，浪費材料，增材制造可以通過結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，極大的提升其性能，實現(xiàn)輕量化、高強(qiáng)度。增材制造可以將不同成分和顏色的不同材質(zhì)材料按需分布在所需要的位置，獲得理論設(shè)計最佳和功能優(yōu)先的一體化設(shè)計和制造，真正意義上實現(xiàn)“控材控形控性控色”。

增材制造的未來

增材制造的發(fā)展已經(jīng)不單純是一個技術(shù)問題，而是一個生態(tài)問題了。當(dāng)然，在技術(shù)層面，3D打印仍在不斷創(chuàng)新、深入、延伸和融合；而在生態(tài)層面，增材制造正不斷向系統(tǒng)化、平臺化、生態(tài)化方向發(fā)展。在消費級，3D打印傾向于個性化、定制化發(fā)展；在工業(yè)級，3D打印更強(qiáng)調(diào)金屬增材制造的低成本批量化應(yīng)用。任何技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展都有其成長軌跡，由于增材制造在數(shù)字化、輕量化、更好性能、更好設(shè)計、更利于建模模擬測試、更短制作周期等方面具有獨特優(yōu)勢，其發(fā)展?jié)摿o疑是非常巨大的。

未來，對于3D打印技術(shù)的發(fā)展，我們不可盲目樂觀，也不能妄自菲薄，需要全社會協(xié)同，“政產(chǎn)學(xué)研用金”六位一體，協(xié)同發(fā)力，共同促進(jìn)3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，助推“中國制造”向“中國智造”的發(fā)展。建議政府應(yīng)出臺相關(guān)的扶持和培育政策，充分發(fā)揮政府的引導(dǎo)和頂層設(shè)計作用，成立3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、資金鏈有機(jī)融合，形成多元投入格局，建立‘沿途下蛋’機(jī)制，邊出成果邊應(yīng)用，重點支持對行業(yè)具有支撐和輻射作用的研究院和龍頭企業(yè)；建立項目研究容錯機(jī)制，鼓勵有實力的高校和科研院所強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，在基礎(chǔ)研究和原始創(chuàng)新方面重點突破，減少低水平重復(fù)研究，在成果和人才評價上更加的注重研究成果對社會、對國家的貢獻(xiàn)；鼓勵社會資金與政府引導(dǎo)資金良性互動，從項目研究、孵化、市場化等全過程給予引導(dǎo)和支持，相關(guān)企業(yè)應(yīng)該先行動起來，看準(zhǔn)機(jī)會，及早布局，大膽投入，在未來科技發(fā)展的競爭中贏得先機(jī)。

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