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增材制造（3D打印）发展路线图初探

在中国，怎样开展3D打印的工作？为此，一些专家和学者提出一个发展路线图，并在小范围内进行过交流，分以下几个方面，请大家探讨。
一、国内外发展概况
3D打印是一项很好的产业，有很强的实际意义，在现实生活中，3D打印在有些方面发挥了很好的作用，应用的领域非常多，如图1所示，但现在一时还不能形成很高的产值量。

图1 3D打印的应用领域
制造业中，3D打印所用设备的多少，一定程度上体现了一个国家的创新程度。从全球范围来看，2011年，美国所用的3D打印设备占了将近40%，中国占8.6%，如图2所示。所以对于中国来说，迫切需要从制造大国走向制造强国，从中国制造到中国创造，而3D打印则是一个很好的工具。美国希望用人工智能、机器人、数字制造技术占领制造业的高端从而使制造业回归美国。他们提出，用这些技术来实现在美国发明，美国制造。美国加州奇点大学教授瓦德瓦2012年1月11日在《华盛顿邮报》提出，这样一来，该是轮到中国人为他们的制造业担忧了，所以中国政府也非常关注国内3D打印的发展情况。

图2 国内外增材制造设备的数量比例
美国很早就开始做3D打印方面的工作了。1979年，他们用3D打印制造飞机涡轮盘，1985年在美国国防部的主导下，开始秘密研究金属材料3D打印技术，主要是钛合金激光成形技术，1992年将其公之于众。2002年美国航空航天局研制出3D打印机制造金属零件。同年，美国将激光成形钛合金零件装上了战机。2012年7月，美国太空网透露，美国航空航天局在测试新一代3D打印机，希望把这种打印机送到火星上。
2013年2月初，欧洲航天局宣布，将利用3D打印技术在月球上建立首个人类基地，将就地取材，打印成建筑，月球基地有望在40年内投入使用。
中国在3D打印方面，也已经做了近20年的工作了，不仅在研发方面，而且在一些应用领域上做了很好的工作。3D打印并不是一个新鲜事物，但是能够为公众熟知却是近一两年的
事情。
我国用3D打印进行一些家电产品的开发，汽车零部件的开发，也做了很多年，而且也有了很好的效益。虽然发展已经有了良好的起点，但是和国外的先进水平相比，我们还有不小的差距。我国各地建立了20多个服务中心和生产力促进中心，一般仅有一两台，或者两三台激光快速成形装备，做一些探索性的服务工作。在美国，这种服务的规模都比较大，如应用于牙型矫正做牙套，有的公司买了150台快速成形装备做牙套，而我国在这方面差距还比较大，服务规模太小。
在航空航天业务方面，中国做出了卓有成效的工作。最大的钛合金制件投影面积达到5 平方米以上，包括一些主承力的结构、飞机起落架的结构等等。也做了其他的一些探索，电子束的飞机成形，做了很大的设备。
二、增材制造对制造业的影响
首先，会带来设计技术的变革。如今，提“云制造”的概念已经很多，云计算与制造技术相结合，会产生一个崭新的模式，设计师不再只隶属于某一家企业，好的设计可以放在云端，谁用谁付费下载。这样，整个生产的组织模式就可能发生变化。有很多的例子已经表明，3D打印可以打印出传统加工技术无法加工的东西。例如国外已经能做到把300多个零件，简化成3个零件，这样一来，我们原来不能实现的设计和制造工艺，不能想象的东西，现在可以设计实施了。这也为我们的创新设计开拓了新的途径。
其次，促进形成新产品的开发模式。国外已经将3D打印技术作为产品开发模式中必经的一道工序，设计师要将其设计付诸生产，中间会经过3D打印验证，进行力学性能等等各方面的验证。
第三，对生产模式的影响。3D打印对生产模式的影响，大家都还在讨论和想象过程中，认为3D打印可能会改变企业的生产模式，以后不会再有一片片的厂房和许多的机器。我觉得，这个可能还有点过于理想了，这样的场景离我们还很遥远。另外，有些人担心，3D 打印会不会冲击传统技术、颠覆传统技术，使传统技术没有了立足之地？我说，决不会！可以看到，传统的铸造技术，存在了几千年，现在仍然离不开它。传统的制造技术生命期是非常非常长的。3D打印技术的出现，为传统的制造技术的应用，开辟了更广阔的天地，3D 打印技术在很多方面与传统技术相结合，可以发挥很大的作用。3D打印作为一个产品开发的新模式，像一个秤砣，秤砣虽小压千斤，作用很大，但是本身这个产业，能带来多大多高的产值，一时还看不出。
3D打印具体可以应用在哪些方面？像占空比比较大的蜂窝架构，3D打印尤其适合。例如我们可以打印出一个无人机的整个翅膀来，这样我们把制造的过程变得更简化，有可能形成小批量生产的模式，甚至飞机的机身，有没有可能整体打印出来，我想这个是可以探讨的。还有一种像航空航天的很多冷却装置，也包括我们以后民用的一些冷却装置，有了3D打印技术，结构想怎么做就怎么做，热交换可以达到更高的效率，这样，设计师可以完全释放自己的创造力，发挥自己的想象。

图3 增材制造技术制造树脂风洞模型
现在像飞机的设计验证，3D打印技术，做出来的风洞模型，如图3，可以快速验证其空气动力学特性，以3D打印为基础的产品快速开发系统结合了电铸、电梯的技术、做模具的传统技术相结合，可以使产品开发的费用降为原来的1/10到1/3，推广到了非常多的企业，如摩托车、汽车车型的开发。
在实验阶段，可以采取一种动态全应变场的测量技术发现原型件上每点的应变，包括汽车在行使中，飞机在驾驶中，我们都可以测到其全场应变，校核和修改设计。以前像这样的计算，对边界约束和结构要作很多简化，计算时会发散偏离了真实情况。而3D打印，加上我们的应力应变测量系统，完全可以解决这个难题。
三、增材制造发展路线图
对3D打印的路线图，国内外都非常关心，首先让我们来了解一下国外有关这一技术的发展路线情况。
美国在1998年时就制定了面向产业界的发展路线图，如图4。2009年，美国政府资助，由相关大学牵头制定了面向学术界的发展路线图。2013年由政府牵头组建了高规格的工作组，正在制定新阶段的发展路线图。

图4 美国1998 年制定的3D打印技术路线图
欧洲在2013年1月启动了一项增材制造技术研究计划，牵头单位为欧洲航天局（ESA），参与单位包括英国、德国、法国、意大利等国的产业界、学术界和政府间组织，是目前欧洲在增材制造领域最大的研究合作机构和计划。此计划的目的是利用增材制造原理，快速加工无缺陷零废料（zero-waste）的大尺寸金属零件（2m），预计将在航空航天、汽车、核聚变和装备制造等领域应用。
英国政府于2011年3月为确保英国在制造技术研究中的领先地位，支持开展高端制造技术研究。作为重要实施计划，由英国工程和自然科学研究委员会（EPSRC）牵头，在诺丁汉大学成立了增材制造技术创新中心，参与机构包括拉夫堡大学、伯明翰大学、英国国家物理实验室、波音公司以及德国EOS公司等15家知名大学、研究机构及企业。主要研究方向为由增材制造技术一次加工融合电子、光学和结构特性的多材料（multimaterial）、多功能器件。
澳大利亚政府于2012年2月宣布支持一项航空航天领域革命性的项目“微型发动机增材制造技术”。该项目主要由墨尔本莫纳什大学和法国Microturbo公司负责。
对我国3D打印的发展路线图，我们作以下探索研究。
技术发展方面，从3D→4D（智能材料与结构）→5D（生命材料与活性器官再造）。实际上，4D打印，媒体上已经有所报道了。它是在3D打印过程中采用智能材料，被打印物体可以随着环境的变化而在形态上发生变化。而5D 打印则是指现在的细胞打印，需要的活体，器官通过打印的方式，通过生长因子，干细胞的繁殖变成活体器官。
2013—2023年，希望树脂、塑料类材料3D打印技术可以普及到汽车、电气、轻工、建筑等产品开发，并深入到千家万户。而主要金属材料的3D打印，工艺与技术基本成熟，应用于航空航天结构件及发动机关键件的制造，使产品开发周期节约一半、费用降低一半。2023—2033年使用的原材料成功扩展至陶瓷及其他主要几种复合材料，进而从3D打印发展到5D打印。
在应用方面的发展，希望从80年代的快速原型，过渡到产品开发，再到成为形状复杂，传统技术无法解决时的小批量制造的手段。
成形材料，从树脂发展到金属材料，再到陶瓷材料，直到生物活性材料。
产业的发展，从装备的研发到各个领域的应用，到尖端的科技，包括生物制造的探索，航空航天的尖端科技。参与的力量由科技界到企业界，金融界（没有金融的投资这一产业是做不好的），直至扩展到全社会的协同创新。
从整个产业的发展目标上讲，可以分5年目标和10年目标两个阶段。
5年目标是：基本形成产业链：完成主要材料及关键元器件开发；树脂类、金属类装备的国产化率达到60%～80%； 面向3D打印的软件行业开始形成；各制造领域均有应用，形成示范效果；一批制造企业开始把3D 打印作为产品开发的必由之路；产品开发周期节约一半、费用降低一半。
10年的目标：打印材料基本能实现自给，价值大的一些元器件实现国产化；3D打印将显著影响产品的设计和日用品的制造，并成为航空航天复杂零件的小批量制造的手段。
这是一个路线图，我们提一个初步建议，希望我国政府从政策方面和科研计划方面，去支持它。加强研发，扩大应用，以应用带动牵引，形成一个很好的产业链。