全球增材制造市場規(guī)模正逐年增加，作為新興的革命性技術(shù)，世界各國都在加緊利用。目前中國增材制造技術(shù)的研發(fā)已有一定領先性，加上中國本就是制造業(yè)大國，未來增材制造技術(shù)將有更廣闊的發(fā)展空間。
張云飛
最近，提到制造業(yè)的創(chuàng)新技術(shù)，就不得不提增材制造，即俗稱的3D打印技術(shù)——它并非新生事物，卻在制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的背景下，日益成為世界關(guān)注的焦點，一個不可忽視的發(fā)展突破口。
日前發(fā)布的2018年“全球創(chuàng)新風向標”報告顯示，83%的受訪中國企業(yè)高管、63%的全球企業(yè)高管認為，增材制造能夠促進業(yè)務發(fā)展，在所調(diào)查的創(chuàng)新技術(shù)中排名第一。這項調(diào)查報告由美國通用電氣（GE）公司委托獨立調(diào)查公司Edelman Intelligence進行，通過電話訪談了20個國家和地區(qū)的2090位公司高級主管。
在中國，一些復雜的大型心臟手術(shù)中，醫(yī)生用術(shù)前3D打印技術(shù)結(jié)合虛擬技術(shù)，更精確地了解病人病情，大大縮短手術(shù)時間；在美國得克薩斯州，一臺巨型3D打印機，能在一天內(nèi)打印出一套60平方米的房屋，造價僅一萬美元；在荷蘭東南部城鎮(zhèn)海默特，人們用3D打印技術(shù)造了一座長8米的橋，這是世界首座3D打印混凝土橋梁……
2017年年底，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)改委等十二部門印發(fā)《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017-2020）》，明確提出到2020年我國增材制造產(chǎn)業(yè)年銷售收入超過200億元，年均增速在30%以上。
增材與增效
3D打印，顧名思義就是可以打印出3D的、立體的物品。我們?nèi)粘＾k公用的普通打印機可以理解為2D打印機，其打印材料是墨粉。3D打印機的打印材料則是塑料、金屬、陶瓷、尼龍等，通過計算機控制把打印材料一層層疊加起來，最終把三維模型變成實物。
3D打印的內(nèi)容既可以是人物頭像、玩具汽車、鞋、衣服等相對簡單而小型的物件，也可以是飛機、汽車零部件等精密構(gòu)件，甚至還能是房子、橋梁等大型建筑，或者人體組織等復雜對象。
增材制造相對于傳統(tǒng)的車、銑、刨、磨這種對原材料進行切削、組裝的減材制造來說，是一種創(chuàng)新型的制造技術(shù)，這使得過去受到傳統(tǒng)制造方式制約而無法實現(xiàn)的復雜結(jié)構(gòu)件制造成為可能。
近幾年，隨著增材制造技術(shù)的不斷突破，在國家政策的支持下，該技術(shù)與各個行業(yè)的應用結(jié)合度很高，可以說它正在逐步改變和影響著我們的生活。
增材制造技術(shù)具有快速成型、材料利用率高、自由制造、復雜制造及結(jié)構(gòu)強度高等特點：
快速成型。車企在新產(chǎn)品更新?lián)Q代時，前期模具需要工人反復打磨，調(diào)整后開模，如開模失敗損失至少數(shù)百萬元。一家車企平均每年花在模具上的費用在2億元人民幣左右，還不保證車型換代成功。而利用增材制造技術(shù)先設計出3D模型，然后直接打印出樣品，如果不合適再調(diào)整，合格后再大規(guī)模制造，這大大縮短了研發(fā)周期，且降低了研發(fā)成本。飛機研發(fā)也是如此，比如美國波音公司通過3D建模和增材制造將原先3年的新機型研發(fā)周期縮短為半年，研發(fā)的成本也只有原先的20%。
材料利用率高。增材制造技術(shù)從無到有制造物體，幾乎不產(chǎn)生材料的浪費，而傳統(tǒng)的減材制造，會造成一部分材料和邊角料的浪費。
實現(xiàn)自由制造、復雜制造。增材制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具以及多道加工工序，在一臺設備上可快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現(xiàn)了零件“自由制造”，解決了許多復雜結(jié)構(gòu)零件的成型，并大大減少了加工工序。
成型件結(jié)構(gòu)強度高。使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的部件，組織細密而均勻，激光成型的某些零件，超過或等同于鍛件的性能，抗疲勞強度比鍛件高32%～53%。例如某航天器鈦合金零部件，使用增材制造生產(chǎn)的成品只有0.5千克重，卻可承受100千克的壓力。
應用和可能性
增材制造技術(shù)憑借其優(yōu)勢，能有效解決傳統(tǒng)技術(shù)無法克服的難題，目前正廣泛應用于航空航天、船舶、汽車、醫(yī)療、文化、教育等領域。
2016年5月5日在上海首飛成功的大型客機C919在研發(fā)和制造過程中，運用了增材制造技術(shù)以及特殊金屬材料來制造客機的零部件，其中C919客機中央翼緣條長達3米，是大型增材制造鈦合金構(gòu)件，傳統(tǒng)加工鍛件毛坯重達1607千克，而利用增材制造技術(shù)制造的精坯重量僅為136千克，材料節(jié)省了91.5%，從而降低飛機的結(jié)構(gòu)重量，延長其使用壽命，且提高燃油的經(jīng)濟性。
美國通用電氣（GE）公司的渦槳發(fā)動機，三分之一的零部件采用增材制造，由855個常規(guī)制造零件減少到12個增材制造零件。復雜性的降低加快了生產(chǎn)速度，重量減少5%，動力提升10%，能源消耗減少20%。
汽車行業(yè)是除了航天航空外應用增材制造最為密集的行業(yè)之一，2012年梅賽德斯-奔馳就開始利用增材制造技術(shù)為汽車制造零部件，并且每年都會用增材制造技術(shù)打印10萬多套原型零件。福特、寶馬、蘭博基尼、大眾等幾乎所有的整車廠都在持續(xù)探索增材制造帶來的“無限可能”。
增材制造技術(shù)還在臨床醫(yī)療領域得以應用。利用CT、MRI或內(nèi)窺鏡得到患者病痛部位模型數(shù)據(jù)，用增材制造技術(shù)打出模型，使醫(yī)生能夠更直觀地了解病情特點，提高手術(shù)成功率，這種增材制造技術(shù)方案主要用于高難度的手術(shù)，在術(shù)前進行演練可以在正式手術(shù)時更準確，縮短手術(shù)時間，減少出血量。另外，增材制造植入物在骨科運用得比較多，比如人工關(guān)節(jié)置換、人工椎體等。
可以看出，增材制造這一創(chuàng)新技術(shù)已滲透進我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妗ｋS著增材制造應用日益普及和深化，其將為各行業(yè)的生產(chǎn)和制造流程帶來變革性影響，越來越多的企業(yè)也將使用增材制造技術(shù)進行產(chǎn)業(yè)升級和技術(shù)轉(zhuǎn)型，這就是增材制造成為創(chuàng)新技術(shù)新熱門的原因。
各國優(yōu)勢
全球增材制造的市場規(guī)模正逐年增加，作為新興的革命性技術(shù)，世界各國都在加緊利用。
在美國，工業(yè)行業(yè)應用加快步伐，特別是在工業(yè)級的FDM打印機需求量比較大，以塑料聚合物為原材料的增材制造設備的使用不斷增長，這些市場的擴張帶來了設計師和創(chuàng)客的大量涌現(xiàn)，開啟了設計思維的新空間。在醫(yī)療領域的增材制造技術(shù)發(fā)展也促使新的法律、規(guī)范的產(chǎn)生，比如FDA批準的材料和工藝，也將出臺相關(guān)的法律規(guī)范和標準。
在德國“工業(yè)4.0”的積極推進過程中，增材制造呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢，目前在德國使用增材制造技術(shù)的公司比例已經(jīng)達到37%，計劃使用增材制造技術(shù)的比例有12%。知名汽車制造企業(yè)大眾、戴姆勒、寶馬，以及電子行業(yè)的西門子，航空航天工業(yè)的空客等，均使用增材制造技術(shù)來幫助其進行新產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)。
俄羅斯在增材制造的某些技術(shù)上有顯著優(yōu)勢，著名的光纖激光器供應商IPG Photonics公司就來自俄羅斯。由于激光和3D打印機之間的特殊聯(lián)系，俄羅斯企業(yè)在這一領域占據(jù)了全球戰(zhàn)略性地位，如粉末床熔融技術(shù)、直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)（DMLS）和選擇性激光熔化成型技術(shù)（SLM）等。俄羅斯是一個軍事大國，增材制造技術(shù)在飛機3D零部件、衛(wèi)星、軍用直升機、無人機以及核能等多個領域有了很大的突破。
日本增材制造技術(shù)也發(fā)展迅猛，作為實業(yè)大國，日本工業(yè)基礎雄厚，目前在醫(yī)學、汽車、動漫等領域應用比較深入。
增材制造在中國
中國增材制造技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，已形成以高校為主體的技術(shù)研發(fā)力量布局，若干關(guān)鍵技術(shù)取得重要突破，產(chǎn)業(yè)發(fā)展開始起步，形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)市場，并在多個領域成功應用，為下一步發(fā)展奠定了良好基礎。
以高校為主體的技術(shù)研發(fā)力量正在形成。清華大學、西北工業(yè)大學、北京航空航天大學、西安交通大學、華中科技大學等高校相繼開展增材制造技術(shù)研究，成為中國研發(fā)增材制造技術(shù)的主力，相繼成立了西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室、華中科技大學材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室、西安交通大學制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室等。
此外，中國的金屬增材制造技術(shù)世界領先。雖然在增材制造技術(shù)上，中國起步較晚，但在科技人員的努力下，已取得了一大批重要研究成果，特別是在高性能金屬零件激光直接成形技術(shù)方面取得重大突破，技術(shù)水平達到世界領先，攻克了金屬材料增材制造的變形、翹曲、開裂等關(guān)鍵問題，成為首個利用選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)制造大型金屬零部件的國家。
中國已初步形成小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化市場，依托院校及科研院所的研究成果，已涌現(xiàn)出一批增材制造設備與服務企業(yè)。目前，中國增材制造相關(guān)企業(yè)有數(shù)千家，產(chǎn)值規(guī)模接近100億元。
目前，隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，中國增材制造技術(shù)的應用取得了突破性進展，比如在研制殲-15、殲-16和殲-31等戰(zhàn)斗機過程中，金屬增材制造技術(shù)被用來打造鈦合金主體結(jié)構(gòu)；中國國產(chǎn)大型客機C919的中央翼緣條、主風擋窗框使用的也是增材制造技術(shù)，這項技術(shù)顯著降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了時間。
目前，中國增材制造技術(shù)的研發(fā)已有一定領先性，加上中國本就是制造業(yè)大國，未來增材制造技術(shù)將有更廣闊的發(fā)展空間。
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