我國3D打印技術研究及產業化發展現狀

1 前 言

近年來，以3D打印為代表的新一輪制造業革命方興未艾，這種新興的先進制造技術以其可自由化定制化設計、直接快速成型的特點在航空航天、汽車、生物醫療、模具等諸多領域有著巨大的應用前景[1]。世界工業強國紛紛將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打印技術的研發和產業化發展，將其作為重點納入“中國制造2025”、“十三五”規劃等國家戰略。在利好政策的推動下，我國3D打印技術和產業發展迅猛，從基礎理論研究、關鍵技術突破到高性能材料和設備的自主研發再到應用領域的不斷拓展，均取得了豐碩的成果；產業化方面，培育了一大批3D打印企業，形成了以陜西關中、京津、長三角、珠三角為代表的產業聚集區。2017年12月，國家工業和信息化部又聯合國家發改委等11個部委共同印發了《增材制造產業發展行動計劃(2017-2020年)》(以下簡稱《行動計劃》)，為我國3D打印產業發展注入了新的發展動力。在此背景下，“中國增材制造產業發展高峰論壇暨中國增材制造產業聯盟年會”于2018年1月28～29日在陜西渭南成功召開。本文根據論壇上專家學者以及企業家代表的精彩報告，簡要介紹了國內外3D打印發展趨勢及技術發展路線、科技部增材制造項目及《行動計劃》政策解讀、3D打印在生物醫療以及兵器領域的前沿應用、試點示范3D打印優秀企業特色等。

2 發展趨勢

增材制造(3D打印)是通過三維造型數據將材料逐層累積制備實體零件的技術。不同于傳統的“減材”制造，它不需要借助傳統的刀具夾具，可以實現零件的直接成型，大大簡化了加工工藝，縮短了加工周期，尤其對于結構復雜零件的個性化設計及成型有著天然的優勢[1, 2]。從圖1可知傳統減材制造成本對零件復雜度和個性化高度敏感，而3D打印則可在相同成本下實現自由化定制化設計[2]。因此自20世紀80年代末第一臺商用3D打印設備誕生起，這種先進制造技術一直備受關注，尤其是近年來隨著應用領域的不斷拓展以及桌面3D打印設備的普及，3D打印技術的研究與應用經歷了前所未有的高速發展。

圖1 傳統制造和3D打印兩種方法的零件制造成本隨復雜度的變化對比[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2017年國際權威報告《沃勒斯報告(Wohlers Report)》數據，2016年全球3D打印產值約為60.63億美元，較上一年增長了17.6%，到2020年預計產值將達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打印技術已經從單一產品的原型制造走向實用零件的快速和批量制造，所用材料也已經從最初的塑料擴展到金屬、陶瓷、復合材料甚至建筑材料，裝備則朝著效率更快、效能更高的方向發展，一些新技術、新概念譬如3D打印與傳統制造復合技術、梯度功能材料3D打印技術、微納3D打印技術、4D打印技術、太空打印技術等不斷涌現[4-6]。圖2為4D打印示例，可以在3D打印的基礎上實現材料在時間尺度上的智能化設計[5, 6]。不僅如此，3D打印應用范圍也進一步拓展文化教育方面，各國推出全民培訓計劃，力求培育大量的3D打印創客。

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打印產業近年來也發展迅猛，據盧院士介紹，中國2017年3D打印的估值應該在80億人民幣以上。國內目前已有數家上市公司，年產熔融沉積成型(fused deposition modeling, FDM)設備數萬臺，并且可以大量對外出口。不僅如此，一批產業聚集區也逐漸形成，3D打印用材料、設備等的開發也取得了長足進步，在航空、醫療方面應用廣泛。但相比于國外，國內3D打印產業規模仍然較小，企業產能和產值與國外差距較大。高端3D打印用材料、裝備核心部件等也仍然依賴進口。為此，盧院士建議盡快構建3D打印產業發展鏈，實現核心元器件和原材料的國產化。此外，系統裝備集成、關鍵共性技術突破、質量標準體系的建立等方面也應是未來著力的重點。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，我國已經開始在基礎技術，包括金屬、陶瓷、非金屬、生物材料的3D打印方面編制發展路線圖，可以為3D打印產業發展路線提供參考。

3 政策解讀

3D打印產業在我國受到高度重視，被作為“中國制造2025”的發展重點。2015年國家工業和信息化部、發改委、財政部3部委聯合發布了《國家增材制造產業發展推進計劃(2015-2016年)》(以下簡稱《推進計劃》)，在政策引導下，我國3D打印產業實現了快速發展，但與發達國家相比，仍存在較大差距。工信部賽迪研究院裝備工業研究所所長左世全在報告中將差距歸納為6個層面：產業規模化程度較低、專用材料性能亟待提高、關鍵裝備和核心器件依賴進口、標準體系不全、協同推進機制不夠完善、應用廣度和深度還需進一步加強。

面對新形勢新任務新需求，2017年12月國家工業和信息化部又聯合發改委等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域，實施五大任務，采取六項措施，實現五大目標(即“四五六五”)。四大領域：重點制造、醫療、文化創新以及教育。五大重點任務：①提高創新能力；②提升供給質量，實現從有到優；③推進示范應用；④培育龍頭企業，建設產業集聚區；⑤完善支撐體系，加快構建產業生態體系。六項保障措施：①加強和部門協同，和中央地方的協同；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強調行業的安全監管；⑥發揮好行業的組織作用。到2020年實現五大目標：①保持產業高速發展，年均增速高于30%，到2020年產業銷售收入超過200億元；②提高技術水平，突破100種以上重點行業的裝備、器件及專用材料；③行業應用顯著深化，開展100個以上試點示范項目；④行業生態體系基本完善，形成完整的増材制造產業鏈；⑤全球布局初步實現，培育龍頭企業、打造知名品牌，一批裝備、產品走向國際市場。

西北工業大學凝固技術國家重點實驗室主任黃衛東教授介紹，3D打印與激光制造共同作為制造領域的重點專項首批列入國家“十三五”重點研發計劃并率先啟動。重點專項要求在基礎前沿、共性關鍵技術和應用示范3個方面取得重要突破，為此安排了包括高性能金屬結構件3D打印控形控性、高效高精度激光3D打印熔覆噴嘴研發等20多個重點方向和項目，涉及到專用材料、關鍵部件、系統軟件和集成、檢測標準、應用示范等諸多領域。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據計算和人工智能不斷優化體系，面向前沿領域，開放創新空間，兼顧高效率、高效能、低成本的新技術。

4 產業化前沿應用

3D打印的產業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用器材、航空航天部件制造方面應用前景廣泛。在創新應用上， “3D打印+”工程持續推進，包括3D打印+醫療、+文化創意、+創新教育、+互聯網等，除重點制造業領域以外向更多領域的規模化應用推進。

生物材料一直是3D打印技術發展的重點，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材料；第五個層次是用細胞結構體、內組織器官構建生命機器人、生物裝置，在裝置內可能含有生物活性和生物單元的結構。在此基礎上，使用3D打印技術打印生物細胞、重構生物組織(如軟骨組織)結構，可以進行組織重構、藥物檢測、構建腫瘤發展模型等，支撐個性化治療研究。現在用3D打印技術可以建立藥理模型，將來希望能成功運用于皮膚乃至其它器官的打印。生物3D打印技術可以帶動醫療、材料、制造等一個大產業鏈的發展，第一至第三層次，技術已經相對成熟、產業化競爭激烈。第四至第五層次可能會打印一些高級的生物技術產品，較早占領該領域的企業可能會實現市場壟斷。

聯盟生物增材制造工作組徐弢教授在論壇總結中指出：2016年全球3D打印醫療市場規模達到12.29億美元，估計3D打印植入物規模達到8.23億。預計2024年3D打印醫療產業市場規模將達到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需求以及多型號武器部件形狀規格的多樣性等特點使得3D打印技術在兵器領域的應用前景可期。本次論壇上，中國兵器裝備研究院增材制造技術中心黃聲野主任介紹了3D打印技術在兵器裝備的研究探索和發展趨勢。報告指出，目前在緊急替代件、槍械、彈藥、導彈等方面的3D打印技術及應用，我國都已展開了研究和實驗，兵器領域對3D打印技術的需求可歸納為如下4點：①戰場維修保障；②低價、大批量生產多品種彈藥的柔性生產技術；③個性化可穿戴裝備；④火炮的輕量化制造。報告指出，兵器領域3D打印技術的發展應圍繞發展復雜構件制造、骨骼防護系統制造、炮塔炮架的減重制造等技術開展，同時面向未來需要。

5 產業試點示范

我國3D打印技術目前在航空工業、汽車制造、船舶以及生物醫學等領域的應用占據著主導地位，持續受到業內人士的廣泛關注。中國電子信息產業發展研究院裝備工業所所長、中國增材制造產業聯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業聯盟成員單位已從最初的128家發展到223家。目前國內各大中小型企業不斷推陳出新，研發新技術、開辟新市場、捕捉新應用，取得了矚目的成就，已經形成了以陜西關中、京津、長三角、珠三角為代表的多個產業示范聚集區。

本次論壇上，惠普公司姚志堅經理表示，從行業長遠發展看，只有提高設備速度、降低材料成本、增大產品尺寸，將增材制造和傳統制造技術疊加，實施在線軟件控制、硬件尺寸檢測等智能控制技術，才能真正改變現有的3D打印設計和生產方式。

從粉末原料到3D打印裝備，再到最終3D打印服務，一個全產業鏈服務模式在3D打印行業內興起，其中SLM Solutions公司、西安賽隆公司、三迪時空集團、三帝科技等企業均擁有實現該全產業鏈的支撐技術。三迪時空集團正在努力構建國際3D打印產業生態圈，打造互聯互通智能制造平臺和3D打印大數據平臺。三帝科技等多家公司獲批2017年國家重點研發計劃重點支持項目，他們共同關注的技術難點是如何降低生產制造成本，SLM Solutions公司中國區總經理鄭春龍表示途徑之一是盡快實現批量化生產。西安賽隆湯慧萍教授表示我國在粉床電子束3D打印技術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+產業應用技術近年來取得了長足的發展，首批參與試點示范工程的部分企業均取得了各有特色的研發成果及應用技術創新，其中：粉床電子束3D打印技術能量利用率較高，能夠通過將粉床預熱來降低成型應力，目前已實現了產業化，圖3a和圖3b為賽隆公司的打印原料和產品[7]；鑫精合公司專注于“輕量化”金屬3D打印技術及應用，先后與法國、泰國、馬來西亞、非洲、歐洲等國家有成熟合作關系，已經獲得了SLM Solutions的代理權，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打印技術研究及應用，該技術適合工業化批量生產，可降低制造成本，提高產能，圖3d是采用該技術生產的擴散焊產品；陜西聚高致力于個性骨科植入物模型設計和骨科植入物制造，已實現個性化聚醚醚酮(PEEK)胸骨假體的設計應用、PEEK肋骨假體和胸骨假體設計病例及個性化PEEK“護心鏡”設計病例。渭南領智三維的唐正宗總經理表示，目前三維掃描在人體掃描方面處于領先地位，作為3D打印+技術的互補，三維掃描技術也需進一步加快研究。

圖3 賽隆公司3D打印原料和產品：(a) TiNi金屬球形粉末的微觀形貌[7]，(b)醫療產品,(c) 鑫精合公司3D打印的金屬零件，(d) 智拓公司擴散焊產品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 語

我國3D打印技術在航空航天、生物醫療、工業制造以及文化教育等許多領域應用前景廣泛，已經取得了長足的發展；同時在武器裝備等新興應用領域也開始了深入的探索。在國家戰略支撐和利好政策的驅動下以及企業轉型升級的強大需求推動下，我國3D打印技術及應用研發，將在不久的未來在3D打印基礎前沿技術、共性關鍵技術和應用示范等3個方面取得重要突破；在產業化方面，我國3D打印行業將依托規模化產業聚集區的示范效應，培育一大批優秀高端企業，力求盡快解決3D打印產業化發展需要的核心元器件和材料生產技術難題，加速構建完整的3D打印產業發展鏈，實現3D打印產業的新飛躍。

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.