為什么要發(fā)展增材制造

為什么要發(fā)展增材制造？我們的社會通常會高估新技術(shù)的可能性，同時卻又低估它們的長期發(fā)展?jié)摿Α！绫竟磥硌芯繉W院（CIFS）名譽主任約翰·彼得·帕魯坦文/于灝1黃瑤21.北京新材料發(fā)展中心2.北京石油機械廠一、增材制造發(fā)展的背景環(huán)境1.國際背景自2008年國際金融危機以來，以美國、歐盟為代表的西方發(fā)達國家開始積極尋找擺脫經(jīng)濟危機的方法，并重新審視實體經(jīng)濟和虛擬經(jīng)濟之間的關(guān)系。這些發(fā)達國家紛紛調(diào)整經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略，提出“再工業(yè)化”概念，希望通過重振制造業(yè)來拉動經(jīng)濟復(fù)蘇，保持發(fā)達國家在核心科技領(lǐng)域的優(yōu)勢，重塑國家競爭力。以美國為例，2009年以來先后制定出臺了《重振美國制造業(yè)框架》、《制造業(yè)促進法案》、《先進制造伙伴（AMP）計劃》和《先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃》，如圖1所示從國家戰(zhàn)略層面提出加快創(chuàng)新、促進美國先進制造業(yè)發(fā)展的具體建議和措施。2012年3月，奧巴馬宣布實施投資10億美元的“國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計劃（NNMI），遴選出制造領(lǐng)域15項前沿性、前瞻性的制造技術(shù)，并建立制造業(yè)創(chuàng)新中心，全面提升美國制造業(yè)競爭力。同年4月，增材制造技術(shù)（也被稱為3D打?。┍淮_定為首個制造業(yè)創(chuàng)新中心；8月，總投入達7000萬美元的國家增材制造創(chuàng)新中心（NationalAdditiveManufacturingInnovationInstitute）在俄亥俄州小城揚斯頓市剪彩成立。作為首個“樣板示范”中心，國家增材制造創(chuàng)新中心是由產(chǎn)業(yè)界、學術(shù)界、聯(lián)邦政府及州政府三方成員共同組成的公-私合作聯(lián)盟，致力于增材制造技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)，并成為新技術(shù)研究、開發(fā)、示范、轉(zhuǎn)移和推廣的基礎(chǔ)平臺。目前，中心成員已超過84家，其中包括波音、通用電氣、霍尼韋爾、3M、3DSystem、Stratasys、阿勒格尼技術(shù)、拜耳材料科學等全球知名公司，卡內(nèi)基-梅隆大學、阿克隆大學、MIT林肯實驗室等全球知名研究機構(gòu)，以及美國宇航局、能源部、教育部等美國政府部門。由此可見，增材制造不單被認為是一項新興技術(shù)，它同其他先進制造技術(shù)一起承載了美國重振制造業(yè)的希望，是美國實現(xiàn)先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略的技術(shù)保障。奧巴馬總統(tǒng)在2013年和2014年的國情咨文演說中均談到了增材制造的重要性，他指出“3D打印可以革新我們幾乎任何東西的制造方法”，“我們現(xiàn)在有機會在下一輪高技術(shù)制造業(yè)崗位競爭中戰(zhàn)勝其他國家。我們已經(jīng)在羅利和揚斯敦開始運行高技術(shù)制造業(yè)中心（國家增材制造創(chuàng)新中心），把商業(yè)和研究型大學聯(lián)系起來，幫助美國引領(lǐng)世界先進技術(shù)的發(fā)展?！彪S著美國政府強力推動增材制造的發(fā)展，美國民間的制造商協(xié)會、咨詢公司、學者與媒體也紛紛發(fā)布報告或撰文，進行輿論宣傳，營造良好的社會環(huán)境。2012年3月，美國國防部防務(wù)分析研究所（IDA）發(fā)布了題為“增材制造業(yè)：現(xiàn)狀與機遇”的研究報告，全面介紹了增材制造的現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)的研究進展，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，和政府應(yīng)發(fā)揮的作用。同年4月，英國《經(jīng)濟學人》（TheEconomist）“第三次工業(yè)革命”（Athirdindustrialrevolution）?？ㄟ^7篇短文對制造業(yè)未來的發(fā)展趨勢進行了展望，認為增材制造將“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”。8月，高德納（Gartner）公司發(fā)布的《高德納2012年新興技術(shù)炒作周期》報告認為綜合了數(shù)字建模、材料與化學、自動化控制、信息技術(shù)等多方面知識的增材制造技術(shù)將徹底顛覆現(xiàn)有生產(chǎn)和商業(yè)模式。其制造方式跟打印數(shù)字相片相似，允許客戶在家里面打印實體物件。結(jié)合3D掃描技術(shù)，將可通過智能手機掃描特定對象，然后打印出相近的復(fù)制品。這項技術(shù)已經(jīng)從技術(shù)萌芽期發(fā)展到期望膨脹期，與大數(shù)據(jù)一起成為當今最受市場關(guān)注的新技術(shù)之一。而生物三維打印也將在10年后達到期望膨脹期高點（見圖2）。短期內(nèi)大幅度的媒體曝光引爆了全球?qū)Υ思夹g(shù)的關(guān)注，使得增材制造在全球迅速升溫。繼美國之后，歐洲及其他國家也在積極推動增材制造技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用推廣。英國、德國、加拿大、日本、澳大利亞、新加坡等國相繼開始設(shè)立增材制造技術(shù)研究中心，建立大學、企業(yè)和政府之間的增材制造聯(lián)盟，提供研究資金支持大型項目合作，制定增材制造路線圖及相關(guān)標準，以促進本國增材制造技術(shù)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，搶占戰(zhàn)略制高點。2.國內(nèi)情況我國自20世紀90年代初就開始開展快速成型技術(shù)/增材制造技術(shù)的研究和應(yīng)用。在國家自然科學基金委員會、科技部、工信部等多個部門的持續(xù)支持下，我國在設(shè)備制造、材料技術(shù)、軟件開發(fā)、工業(yè)應(yīng)用等方面開展了積極的探索，打下了良好的基礎(chǔ)。隨著近期國際關(guān)注的持續(xù)升溫，此項技術(shù)也成為國內(nèi)媒體、科研院所、企業(yè)、各地政府關(guān)注的熱點，增材制造中心在全國許多高校遍地開花，產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。2012年10月中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立；2013年3月中國首個3D打印研究院落戶南京。珠海，青島、武漢、成都等城市也已經(jīng)開始興建增材制造產(chǎn)業(yè)園，并在資金、土地、配套政策上給予支持。與此同時，增材制造業(yè)也逐步被提升到國家戰(zhàn)略層面。2013年中國工程院制定了《增材制造技術(shù)工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究報告》；同年，科技部首次將增材制造納入“國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）和國家科技支撐計劃制造領(lǐng)域2014年度備選項目征集指南”；工業(yè)和信息化部也正在醞釀增材制造的頂層設(shè)計和統(tǒng)籌規(guī)劃，制定技術(shù)路線圖和產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項政策。2013年12月，中共中央政治局委員、國務(wù)院副總理馬凱到北京航空航天大學調(diào)研考察時指出，增材制造這項技術(shù)的成功研發(fā)，不僅會對我國傳統(tǒng)工業(yè)的改造發(fā)揮巨大作用，同時也會對中國制造業(yè)的國際競爭產(chǎn)生深遠影響。他強調(diào)，必須高度重視對高性能增材制造技術(shù)研究的支持和引導(dǎo)，堅持市場導(dǎo)向、企業(yè)主體和政府引導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向,堅持創(chuàng)新驅(qū)動、產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)和人才支撐等產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略，突出抓好設(shè)備、材料和相關(guān)軟件的科技攻關(guān)。二、發(fā)展增材制造的意義1.為什么增材制造受到設(shè)計者、制造者和消費者的關(guān)注？增材制造是融合了計算機輔助設(shè)計、材料加工與成形技術(shù)，以數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將特制材料逐層堆積固化，制造出實體產(chǎn)品的制造技術(shù)。它與傳統(tǒng)的、對原材料進行切削、組裝的加工模式不同，是通過材料累加的原理，從無到有地制造產(chǎn)品的新型技術(shù)工藝。也正是由于增材制造的這種技術(shù)特點，使得它受到全球的廣泛關(guān)注，將有可能給傳統(tǒng)的制造業(yè)來帶一系列深刻的變革。第一，新的生產(chǎn)模式。作為一種“無需工具”的數(shù)字化制造技術(shù)，增材制造將有可能改變某些產(chǎn)品的生產(chǎn)模式，給企業(yè)和消費者帶來巨大的經(jīng)濟和社會效益。目前大型工廠的生產(chǎn)需要眾多的機器、大量專業(yè)設(shè)計與加工技術(shù)人員才能實現(xiàn)。而對于增材制造來說，設(shè)計師將不需在工廠工作，在家中就可以把設(shè)計好的數(shù)字化文件發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，客戶通過文件下載，利用3D打印機制造出符合需求的產(chǎn)品。這將實現(xiàn)生產(chǎn)模式的根本變革，從傳統(tǒng)制造業(yè)的批量化、規(guī)模化、標準化制造轉(zhuǎn)變?yōu)槎ㄖ苹?、個性化、分布式制造（見圖3）。第二，新的設(shè)計理念。由于增材制造技術(shù)是通過層層堆積的方式來進行生產(chǎn)，可以制造出形狀高度復(fù)雜的產(chǎn)品。這使得過去受到傳統(tǒng)加工方式的約束，而無法實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造變?yōu)榭赡堋＿@將大大簡化產(chǎn)品設(shè)計，提高零部件的集成度，加快產(chǎn)品開發(fā)周期。例如對于航空航天領(lǐng)域來說，可以通過優(yōu)化產(chǎn)品的幾何形狀來降低零部件重量，以此改進強度-重量比，降低燃料消耗。還可以通過多種材料局部區(qū)域的組分調(diào)節(jié)，實現(xiàn)單一零件的多功能化（即零件的不同部位實現(xiàn)不同的力學性能），以滿足實際需求。同時，由于不涉及熔煉、鍛造、機加工等工序，增材制造可以使產(chǎn)品的研發(fā)周期縮短了30%～50%，明顯縮短產(chǎn)品的開發(fā)成本與周期。第三，新的商業(yè)模式。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，增材制造與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來還將使得消費者直接參與到產(chǎn)品生命周期當中，從最初的設(shè)計過程、到生產(chǎn)制造、再到后期產(chǎn)品的維修，并借助網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)字化文件的共享和交易。這大大規(guī)避了傳統(tǒng)制造業(yè)和零售業(yè)的價值鏈，刺激了新的產(chǎn)品設(shè)計模式、銷售商業(yè)模式和供應(yīng)鏈管理模式的產(chǎn)生，使相關(guān)企業(yè)受益（圖4）。消費者的參與一方面將大幅度提升企業(yè)的創(chuàng)新能力與研發(fā)實力，使創(chuàng)新邊界得以延伸，另一方面使產(chǎn)品更容易適應(yīng)市場需求，降低業(yè)務(wù)風險。第四，實現(xiàn)個性化產(chǎn)品制造。由于具有“自由設(shè)計”和“無需工具”的優(yōu)點，增材制造將使得商業(yè)化個性制造成為可能，從運用X線電子計算機斷層掃描（CT）和核磁共振成像（MRI）掃描數(shù)據(jù)打印出百分百符合患者需求的植入物，到個性化的消費品如鞋子、珠寶和家庭用品。隨著科技的進一步發(fā)展，利用增材制造技術(shù)還可以直接打印活體組織，制造出符合人體需求的人工器官，實現(xiàn)人工器官的再造將給現(xiàn)代醫(yī)學帶來一次革命性的變革。第五，順應(yīng)綠色經(jīng)濟發(fā)展模式。相對于利用切削機床對毛坯進行加工的“減材制造”，增材制造減少了原材料的使用量，降低了對自然資源和環(huán)境的壓力。此外，增材制造還可大大壓縮供應(yīng)鏈，使得傳統(tǒng)的離岸經(jīng)濟模式得以改變。它將允許在靠近消費區(qū)域的地點進行同步生產(chǎn)，實現(xiàn)分布式制造。這將顯著地削減將量產(chǎn)商品從生產(chǎn)地運送到消費地所消耗的大量能源，對當?shù)亟?jīng)濟、環(huán)境和消費者都頗具益處。2.增材制造可以給中國帶來什么？增材制造最初只是用于原型件制造，經(jīng)過多年的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)開始拓展到電子、汽車、醫(yī)療、工業(yè)及商用機器、航空航天等眾多行業(yè)。據(jù)《WohlersReport2013》發(fā)布的信息，2012年增材制造全球產(chǎn)值為22.04億美元，比2011年的17.14億美元增長28.6%。預(yù)計2015年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將翻番達到40億美元。雖然增材制造技術(shù)在近幾年得到了快速的發(fā)展，但根據(jù)業(yè)內(nèi)人士分析，目前此技術(shù)的市場滲透率仍然不足8%。一部分原因是由于此項技術(shù)的認知度不足，但更重要的是此項技術(shù)目前還面臨一些技術(shù)瓶頸，限制了其更大規(guī)模的應(yīng)用。如果可以突破這些瓶頸，那么此項技術(shù)的市場滲透率將達到92%，其產(chǎn)值將在2020年超過1000億美元。對比之下，目前全球航天產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值約為3300億美元。由此可見，作為一種高附加值的制造業(yè)經(jīng)濟，增材制造將有可能成長為一個龐大的產(chǎn)業(yè)，在中國未來經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮重要作用。目前，這項技術(shù)已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療器械和創(chuàng)意行業(yè)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了小規(guī)模應(yīng)用，并開始向其他行業(yè)拓展。與之相關(guān)的儀器裝備、材料生產(chǎn)、軟件開發(fā)及創(chuàng)意設(shè)計等行業(yè)也將迎來重大的市場機遇。除此之外，增材制造還具有其他方面的戰(zhàn)略價值。第一，增材制造可提升制造業(yè)發(fā)展水平，增強國家先進制造技術(shù)的國際競爭力。雖然我國制造業(yè)規(guī)模已經(jīng)位居世界第一，但總體上大而不強。隨著制造業(yè)逐步實現(xiàn)數(shù)字化，個性化需求逐漸增多，新的變革正在悄然到來。這意味著一些傳統(tǒng)工廠將逐漸消失，生產(chǎn)制造將從大型、復(fù)雜、昂貴、冗長的工業(yè)過程中分離出來。部分高附加值產(chǎn)品的生產(chǎn)方式將像圓圈一樣又繞回到了原點，從大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)回到個性化生產(chǎn)。生產(chǎn)目標將不再是追求規(guī)模經(jīng)濟，而是更快更靈活的生產(chǎn)。這一轉(zhuǎn)變將有可能導(dǎo)致新興市場的一些生產(chǎn)崗位重新回到發(fā)達國家手中。另外，增材制造和傳統(tǒng)制造工藝的結(jié)合將可促進產(chǎn)業(yè)升級。例如，機械零件制造所用的復(fù)雜模具就可以通過增材制造技術(shù)生產(chǎn)。德國EOS通過此技術(shù)生產(chǎn)的一款產(chǎn)品，成本降低了近85%，生產(chǎn)周期降低了50%，有力的促進了復(fù)雜磨具和機械零件制造技術(shù)的進步。因此，面對發(fā)達國家實行的“制造業(yè)復(fù)興計劃”，積極發(fā)展以增材制造為代表的先進制造業(yè)技術(shù)，帶動傳統(tǒng)制造業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級，推動我國由制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變，是鞏固我國全球制造業(yè)第一大國地位的戰(zhàn)略需要。第二，增材制造可以降低貴重資源的消耗，實現(xiàn)稀缺材料和其他資源的高效利用。由于增材制造采用堆積方式實現(xiàn)產(chǎn)品制造，超過90%的原材料可以回收再利用，此技術(shù)具有節(jié)料、節(jié)能、環(huán)保的特點。這對于一些大量應(yīng)用于國民經(jīng)濟和國防工業(yè)的稀缺資源來說，具有重要的戰(zhàn)略意義。例如在航空航天領(lǐng)域，為實現(xiàn)零件的高性能，需要大量使用鈦合金和鎳基合金等昂貴的戰(zhàn)略材料。而這些材料的加工十分困難，傳統(tǒng)的鍛造工藝會切削產(chǎn)生大量難以再利用的廢屑，造成巨大的原材料浪費。如F22戰(zhàn)機的鈦合金框重量為144kg，但其原始鍛件質(zhì)量高達到2980kg，材料利用率僅為4.8%。運用增材制造技術(shù)，可以把高性能金屬零件的材料利用率大幅度提高，節(jié)約2/3以上的昂貴原材料。第三，增材制造將在未來實現(xiàn)“活體”打印，催生生物醫(yī)療行業(yè)發(fā)生變革。增材制造技術(shù)最具開創(chuàng)性、革命性意義的應(yīng)用是進行人體組織的“活體”打印。目前，全球器官移植的需求量巨大，僅美國就有11.4萬人等待合適的器官配對，每年有超過6600名患者在等待中過世。利用3D打印技術(shù)，則可以使用患者的細胞制作“活體組織”，用于器官移植解決此問題。雖然道路十分漫長，但前景非常令人期待。設(shè)計和制造有生命的人體組織，甚至是人體器官已經(jīng)成為生命科學前沿研究中的重點方向，其發(fā)展和應(yīng)用正在催生一個新的學科——再生醫(yī)學。未來20年內(nèi)，再生醫(yī)學的年產(chǎn)值將突破5000億美元，替代常規(guī)的生物材料成為生物醫(yī)用材料產(chǎn)業(yè)的主體。因此，發(fā)展增材制造不僅可以促進我國生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)快速健康的發(fā)展，而且對提高國民健康水平也具有重大意義。第四，增材制造可激發(fā)的新型設(shè)計理念、生產(chǎn)方式和商業(yè)模式，將創(chuàng)造更加卓越的價值鏈體系形成。增材制造不僅是一種先進的制造技術(shù)，它還將對現(xiàn)有的設(shè)計理念、生產(chǎn)方式和商業(yè)模式產(chǎn)生沖擊，使得制造和設(shè)計被整合成為“精益設(shè)計”模式。這不但會影響制造業(yè)本身，還將改變經(jīng)濟發(fā)展的模式和我們的生活方式。增材制造將使得制造過程的復(fù)雜性降至最低，而通過精益設(shè)計提高制造的靈活度將成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢。面向制造的設(shè)計與面向裝配的設(shè)計理念將逐步為人接受，并成為行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)實現(xiàn)創(chuàng)新之道的模式。這種變化恰恰迎合了信息技術(shù)快速發(fā)展的趨勢，如iTunes等數(shù)碼產(chǎn)品的興起盤活了傳統(tǒng)的音樂和影視產(chǎn)業(yè)，淘寶等電子商務(wù)的崛起激活了大眾消費潛能釋放一樣，增材制造將有可能實現(xiàn)大量現(xiàn)有產(chǎn)品的數(shù)字化文件（3D模型文件）授權(quán)和交易。未來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的愈發(fā)普及，人聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)網(wǎng)的大融合所產(chǎn)生的“智慧工廠”將取代傳統(tǒng)封閉性的制造模式，即充分利用信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)，實現(xiàn)制造的智能化（見圖5）。這不僅僅可以使公司內(nèi)部人員得到解放，將精力投入到創(chuàng)新和增值業(yè)務(wù)上去，還可通過遠程合作來實現(xiàn)眾包（crowdsource）創(chuàng)意資源的最大化利用，使得公司可以從一個更大的視野看待產(chǎn)品研發(fā)。這種模式將釋放整個社會的智慧，通過協(xié)同制造、全面參與構(gòu)建兼具個性化和數(shù)值化的產(chǎn)品與服務(wù)，催生出新的活動領(lǐng)域和合作形式，演化出更加靈活和富有活力的商業(yè)模式，重組產(chǎn)業(yè)鏈分工、創(chuàng)造新的盈利模式和價值鏈體系。對我國制造業(yè)未來的發(fā)展來說，順應(yīng)信息化下制造方式的轉(zhuǎn)變，通過先進技術(shù)引導(dǎo)實現(xiàn)“中國制造”到“中國創(chuàng)造”的轉(zhuǎn)變將變得尤為重要。三、增材制造發(fā)展現(xiàn)狀1.技術(shù)工藝現(xiàn)狀自增材制造技術(shù)誕生以來，已經(jīng)有十幾種新工藝和新系統(tǒng)及設(shè)備先后面世。根據(jù)2012年1月美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）增材制造技術(shù)委員會F42頒布的標準——“增材制造技術(shù)標準用語(ASTMF2792-12)”，這種工藝被簡潔地定義為：“基于3-D模型數(shù)據(jù)，通常采用與減式制造技術(shù)相反的逐層疊加的方式，結(jié)合材料來生產(chǎn)物品的過程”（Theprocessofjoiningmaterialstomakeobjectsfrom3-Dmodeldata,usuallylayeruponlayer,asopposedtosubtractivemanufacturingtechnologies），見圖6。按照其工藝特點，增材制造可分為7大類，分別為粉末床熔合、定向能量沉積、材料噴射、粘結(jié)劑噴射、材料擠出、容器內(nèi)光聚合和片層壓。在此基礎(chǔ)上，英國增材制造特別興趣小組（AMSIG）又對7大工藝進行細化，整理出10余種分支工藝。表1總結(jié)了增材制造各工藝的整體情況，包括各工藝的基本描述、面向的市場、所采用的材料體系、包含的分支工藝和相關(guān)的代表企業(yè)及院校。從市場的角度來說，增材制造可用于樣品原型制造、模具制造、直接零部件制造、零部件維護及修理等領(lǐng)域。樣品原型制造是增材制造最早進入的市場，被用于評估和優(yōu)化模型的尺寸、結(jié)構(gòu)和功能等方面設(shè)計，使產(chǎn)品達到最佳性能。對于模具制造來說，熔模鑄造和砂型鑄件已開始通過增材制造進行生產(chǎn)，這種技術(shù)還可以用于硅膠模具和氨酯鑄件等生產(chǎn)。直接零部件制造則是增材制造發(fā)展最快的一個領(lǐng)域，由于可以直接用于生產(chǎn)最終產(chǎn)品，該領(lǐng)域在增材制造應(yīng)用市場中所占的比重已經(jīng)上升到第1位。增材制造還越來越多的用于零部件的維護和修理，特別是當所用零件非常昂貴的時候。這種技術(shù)可以用來修復(fù)只有小部分損壞的大部件，由于其修復(fù)所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力很小，非常適用于對熱變形高度敏感的部件。對于不同的增材制造工藝，其適用的市場也有所區(qū)別。其中，大部分工藝普遍應(yīng)用于模型制造，而對于直接零部件制造、零部件維護及修理來說，需選用所對應(yīng)的專用技術(shù)工藝。2.應(yīng)用現(xiàn)狀由于增材制造的一些獨特優(yōu)勢，這項技術(shù)近年來已在航空航天、醫(yī)療、文化創(chuàng)意、消費電子產(chǎn)品、軍工等眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。表2根據(jù)7大技術(shù)工藝及所用材料體系，對國際上已經(jīng)出現(xiàn)的相關(guān)應(yīng)用進行了詳細分析。從表中可以看出，每一種工藝都各有所長，所適用的應(yīng)用領(lǐng)域也有所不同。在選用不同工藝時，主要的考慮因素包括工藝的生產(chǎn)速度、可用的材料種類、產(chǎn)品的尺寸限制、產(chǎn)品的表面光滑度和精密度、產(chǎn)品的力學性能、機器及材料的成本、操作的方便性和安全性等。比如，定向能量沉積工藝可生產(chǎn)高性能的金屬部件，在高端工程領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛。對比之下，粘結(jié)劑噴射工藝和材料擠出工藝則可以生產(chǎn)保真度很高的組件，主要用于樣品原型制造和工藝品生產(chǎn)，但由于產(chǎn)品的機械性能較差，不適合航空航天等領(lǐng)域。粉末床熔合工藝的應(yīng)用則最為廣泛，此工藝可使用金屬和高分子體系，在增材制造涉及的大部分領(lǐng)域進行使用。在諸多領(lǐng)域中，航空航天、生物醫(yī)療和創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的增材制造技術(shù)應(yīng)用發(fā)展最為快速，表3列出了部分典型應(yīng)用實例。對于航空航天領(lǐng)域來說，增材制造由于其獨特的應(yīng)用優(yōu)勢，可滿足高精度、復(fù)雜形狀、小批量的生產(chǎn)要求，正在成為此領(lǐng)域中廣泛使用的技術(shù)。波音公司已經(jīng)制造出大約2萬多增材制造零部件，用于商業(yè)和軍用飛機上面。其中，32種部件用于波音787夢想客機中。空客公司則正在進行一系列增材制造產(chǎn)品的檢驗測試，包括減重的起落架、機艙和冷卻系統(tǒng)等。生物醫(yī)療領(lǐng)域則是增材制造技術(shù)應(yīng)用的另一重要領(lǐng)域，已成功應(yīng)用的產(chǎn)品包括顱骨植入物、髖關(guān)節(jié)置換物、牙冠、體外模型等。預(yù)計全球使用3D打印的矯正骨骼植入物患者已經(jīng)超過3萬人，僅瑞典Arcam公司就制作2萬多個經(jīng)過FDA批準、CE認證的植入物；美國Invisalign公司則已經(jīng)銷售了超過200萬個透明3D打印定制牙套；西門子等公司使用3D技術(shù)生產(chǎn)的助聽器也成為了產(chǎn)品的主流。此外，創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)方面的增材制造也正在快速發(fā)展。除了逐步火熱起來的3D打印人像模型、裝飾品、工藝品以外，增材制造技術(shù)還拓展到更多的產(chǎn)品創(chuàng)作上面。2013年巴黎時裝周上推出了一款由比利時Materialise公司利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的時裝，實現(xiàn)了復(fù)雜幾何圖案和獨特材質(zhì)的完美結(jié)合。幾種增材制造產(chǎn)品實例如圖7所示。四、增材制造未來發(fā)展趨勢1.增材制造未來發(fā)展對各應(yīng)用領(lǐng)域的影響對于不同的應(yīng)用領(lǐng)域來說，短期內(nèi)增材制造技術(shù)還不足以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的制造方式。但隨著打印材料價格的下降，打印尺寸和速度的提升，增材制造技術(shù)在各應(yīng)用領(lǐng)域的滲透也將逐步加深，人們會越來越多地使用到包含3D打印的零部件產(chǎn)品，甚至是完全通過3D打印制造的產(chǎn)品。如《WohlersReport2013》報告展示的遠景一樣（圖8），我們所能看到的往往只是整個冰山的一小部分，而海面下隱藏的巨大冰山才是尚待開發(fā)的領(lǐng)域，也是增材制造未來的潛力所在。雖然我們還無法清晰的描述未來增材制造的全貌，但足以預(yù)期其技術(shù)發(fā)展趨勢。海平面上方的冰川，代表了多年以來增材制造技術(shù)活躍的應(yīng)用領(lǐng)域，如原型件和模型的制造。而處于海平面下方附近的區(qū)域則是增材制造正在發(fā)展的應(yīng)用領(lǐng)域，包括醫(yī)療植入器械、金屬航空部件的制造等。在更深的區(qū)域則是人們期望的人體器官“活體”打印和外太空3D打印。在未來，增材制造還能實現(xiàn)哪些不可思議的應(yīng)用，我們現(xiàn)在還不得而知，但這些未知領(lǐng)域的應(yīng)用將是非常令人期待。從細分領(lǐng)域的預(yù)期來看，我們則可發(fā)現(xiàn)增材制造技術(shù)逐步滲透的方式有所區(qū)別，見圖9。就航空航天和汽車領(lǐng)域來說，增材制造將從局部零件制造發(fā)展到整體打印。相比較之下，生物醫(yī)療領(lǐng)域則將從“非活體”打印逐步進階到“活體”打印。對于創(chuàng)意行業(yè)而言，增材制造技術(shù)所帶來的沖擊并非制造方式的改變，而是創(chuàng)意設(shè)計模式的逐步改變。從更加宏觀的角度來看，增材制造對于通用制造、供應(yīng)鏈和商業(yè)的影響都可歸于模式的革新，即生產(chǎn)模式、供應(yīng)模式、商業(yè)模式的革新。這將意味著將有大量的新興中小企業(yè)將依靠新創(chuàng)意蓬勃發(fā)展，他們將有能力以最小的資金投入實現(xiàn)生產(chǎn)的迅速擴大。這些具有敏捷性和極短產(chǎn)品上市周期的新公司，將成為未來市場的有力競爭者。而對于大型設(shè)計和制造企業(yè)來說，增材制造技術(shù)是IT與制造業(yè)實現(xiàn)融合的機會。如上文所述，增材制造不僅僅是一種制造技術(shù)，更是一種數(shù)字化技術(shù)。借助互聯(lián)網(wǎng)所形成的“信息物理系統(tǒng)”，它所具有的開放型和大眾性，將為未來的創(chuàng)新搭建了廣闊的舞臺。正如美國航空航天局噴氣推進實驗室戰(zhàn)略中提到的：“IT”的涵義從信息技術(shù)（informationtechnology）轉(zhuǎn)變?yōu)楣餐瑒?chuàng)新（innovatetogether）。2.增材制造未來對全球經(jīng)濟的沖擊雖然目前增材制造產(chǎn)業(yè)在全球所占的份額還很小，但其發(fā)展速度和潛在的增值能力是驚人的。根據(jù)麥肯錫全球研究院的研究表明，到2