全球增材制造市場(chǎng)規(guī)模正逐年增加，作為新興的革命性技術(shù)，世界各國(guó)都在加緊利用。目前中國(guó)增材制造技術(shù)的研發(fā)已有一定領(lǐng)先性，加上中國(guó)本就是制造業(yè)大國(guó)，未來(lái)增材制造技術(shù)將有更廣闊的發(fā)展空間。
張?jiān)骑w
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(chēng)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(jí)的背景下，日益成為世界關(guān)注的焦點(diǎn)，一個(gè)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(fēng)向標(biāo)”報(bào)告顯示，83%的受訪中國(guó)企業(yè)高管、63%的全球企業(yè)高管認(rèn)為，增材制造能夠促進(jìn)業(yè)務(wù)發(fā)展，在所調(diào)查的創(chuàng)新技術(shù)中排名第一。這項(xiàng)調(diào)查報(bào)告由美國(guó)通用電氣（GE）公司委托獨(dú)立調(diào)查公司Edelman Intelligence進(jìn)行，通過(guò)電話訪談了20個(gè)國(guó)家和地區(qū)的2090位公司高級(jí)主管。
在中國(guó)，一些復(fù)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(shí)間；在美國(guó)得克薩斯州，一臺(tái)巨型3D打印機(jī)，能在一天內(nèi)打印出一套60平方米的房屋，造價(jià)僅一萬(wàn)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(zhǎng)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(guó)家發(fā)改委等十二部門(mén)印發(fā)《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020）》，明確提出到2020年我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)年銷(xiāo)售收入超過(guò)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(jī)可以理解為2D打印機(jī)，其打印材料是墨粉。3D打印機(jī)的打印材料則是塑料、金屬、陶瓷、尼龍等，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制把打印材料一層層疊加起來(lái)，最終把三維模型變成實(shí)物。
3D打印的內(nèi)容既可以是人物頭像、玩具汽車(chē)、鞋、衣服等相對(duì)簡(jiǎn)單而小型的物件，也可以是飛機(jī)、汽車(chē)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(fù)雜對(duì)象。
增材制造相對(duì)于傳統(tǒng)的車(chē)、銑、刨、磨這種對(duì)原材料進(jìn)行切削、組裝的減材制造來(lái)說(shuō)，是一種創(chuàng)新型的制造技術(shù)，這使得過(guò)去受到傳統(tǒng)制造方式制約而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)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(guó)家政策的支持下，該技術(shù)與各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用結(jié)合度很高，可以說(shuō)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(fù)雜制造及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高等特點(diǎn)：
快速成型。車(chē)企在新產(chǎn)品更新?lián)Q代時(shí)，前期模具需要工人反復(fù)打磨，調(diào)整后開(kāi)模，如開(kāi)模失敗損失至少數(shù)百萬(wàn)元。一家車(chē)企平均每年花在模具上的費(fèi)用在2億元人民幣左右，還不保證車(chē)型換代成功。而利用增材制造技術(shù)先設(shè)計(jì)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(jī)研發(fā)也是如此，比如美國(guó)波音公司通過(guò)3D建模和增材制造將原先3年的新機(jī)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(wú)到有制造物體，幾乎不產(chǎn)生材料的浪費(fèi)，而傳統(tǒng)的減材制造，會(huì)造成一部分材料和邊角料的浪費(fèi)。
實(shí)現(xiàn)自由制造、復(fù)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(tái)設(shè)備上可快速精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實(shí)現(xiàn)了零件“自由制造”，解決了許多復(fù)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(qiáng)度高。使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的部件，組織細(xì)密而均勻，激光成型的某些零件，超過(guò)或等同于鍛件的性能，抗疲勞強(qiáng)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(yīng)用和可能性
增材制造技術(shù)憑借其優(yōu)勢(shì)，能有效解決傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法克服的難題，目前正廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車(chē)、醫(yī)療、文化、教育等領(lǐng)域。
2016年5月5日在上海首飛成功的大型客機(jī)C919在研發(fā)和制造過(guò)程中，運(yùn)用了增材制造技術(shù)以及特殊金屬材料來(lái)制造客機(jī)的零部件，其中C919客機(jī)中央翼緣條長(zhǎng)達(dá)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(dá)1607千克，而利用增材制造技術(shù)制造的精坯重量?jī)H為136千克，材料節(jié)省了91.5%，從而降低飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，延長(zhǎng)其使用壽命，且提高燃油的經(jīng)濟(jì)性。
美國(guó)通用電氣（GE）公司的渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)，三分之一的零部件采用增材制造，由855個(gè)常規(guī)制造零件減少到12個(gè)增材制造零件。復(fù)雜性的降低加快了生產(chǎn)速度，重量減少5%，動(dòng)力提升10%，能源消耗減少20%。
汽車(chē)行業(yè)是除了航天航空外應(yīng)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(kāi)始利用增材制造技術(shù)為汽車(chē)制造零部件，并且每年都會(huì)用增材制造技術(shù)打印10萬(wàn)多套原型零件。福特、寶馬、蘭博基尼、大眾等幾乎所有的整車(chē)廠都在持續(xù)探索增材制造帶來(lái)的“無(wú)限可能”。
增材制造技術(shù)還在臨床醫(yī)療領(lǐng)域得以應(yīng)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(diǎn)，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(jìn)行演練可以在正式手術(shù)時(shí)更準(zhǔn)確，縮短手術(shù)時(shí)間，減少出血量。另外，增材制造植入物在骨科運(yùn)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(jìn)我們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?。隨著增材制造應(yīng)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(lái)變革性影響，越來(lái)越多的企業(yè)也將使用增材制造技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)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(mén)的原因。
各國(guó)優(yōu)勢(shì)
全球增材制造的市場(chǎng)規(guī)模正逐年增加，作為新興的革命性技術(shù)，世界各國(guó)都在加緊利用。
在美國(guó)，工業(yè)行業(yè)應(yīng)用加快步伐，特別是在工業(yè)級(jí)的FDM打印機(jī)需求量比較大，以塑料聚合物為原材料的增材制造設(shè)備的使用不斷增長(zhǎng)，這些市場(chǎng)的擴(kuò)張帶來(lái)了設(shè)計(jì)師和創(chuàng)客的大量涌現(xiàn)，開(kāi)啟了設(shè)計(jì)思維的新空間。在醫(yī)療領(lǐng)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(zhǔn)的材料和工藝，也將出臺(tái)相關(guān)的法律規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
在德國(guó)“工業(yè)4.0”的積極推進(jìn)過(guò)程中，增材制造呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，目前在德國(guó)使用增材制造技術(shù)的公司比例已經(jīng)達(dá)到37%，計(jì)劃使用增材制造技術(shù)的比例有12%。知名汽車(chē)制造企業(yè)大眾、戴姆勒、寶馬，以及電子行業(yè)的西門(mén)子，航空航天工業(yè)的空客等，均使用增材制造技術(shù)來(lái)幫助其進(jìn)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(shì)，著名的光纖激光器供應(yīng)商IPG Photonics公司就來(lái)自俄羅斯。由于激光和3D打印機(jī)之間的特殊聯(lián)系，俄羅斯企業(yè)在這一領(lǐng)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(gè)軍事大國(guó)，增材制造技術(shù)在飛機(jī)3D零部件、衛(wèi)星、軍用直升機(jī)、無(wú)人機(jī)以及核能等多個(gè)領(lǐng)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(shí)業(yè)大國(guó)，日本工業(yè)基礎(chǔ)雄厚，目前在醫(yī)學(xué)、汽車(chē)、動(dòng)漫等領(lǐng)域應(yīng)用比較深入。
增材制造在中國(guó)
中國(guó)增材制造技術(shù)經(jīng)過(guò)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(kāi)始起步，形成了小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)，并在多個(gè)領(lǐng)域成功應(yīng)用，為下一步發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。
以高校為主體的技術(shù)研發(fā)力量正在形成。清華大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校相繼開(kāi)展增材制造技術(shù)研究，成為中國(guó)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(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西安交通大學(xué)制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。
此外，中國(guó)的金屬增材制造技術(shù)世界領(lǐng)先。雖然在增材制造技術(shù)上，中國(guó)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(dá)到世界領(lǐng)先，攻克了金屬材料增材制造的變形、翹曲、開(kāi)裂等關(guān)鍵問(wèn)題，成為首個(gè)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(guó)家。
中國(guó)已初步形成小規(guī)模產(chǎn)業(yè)化市場(chǎng)，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(shè)備與服務(wù)企業(yè)。目前，中國(guó)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(guó)增材制造技術(shù)的應(yīng)用取得了突破性進(jìn)展，比如在研制殲-15、殲-16和殲-31等戰(zhàn)斗機(jī)過(guò)程中，金屬增材制造技術(shù)被用來(lái)打造鈦合金主體結(jié)構(gòu)；中國(guó)國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)C919的中央翼緣條、主風(fēng)擋窗框使用的也是增材制造技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)顯著降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了時(shí)間。
目前，中國(guó)增材制造技術(shù)的研發(fā)已有一定領(lǐng)先性，加上中國(guó)本就是制造業(yè)大國(guó)，未來(lái)增材制造技術(shù)將有更廣闊的發(fā)展空間。
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