重振制造業(yè)的“戰(zhàn)略級(jí)技術(shù)”

　　奧巴馬政府2012年提出重振美國(guó)制造業(yè)的一系列發(fā)展方案，將增材制造列為11項(xiàng)重要技術(shù)之一。在美國(guó)政府計(jì)劃斥資10億美元興建15家制造業(yè)創(chuàng)新研究所組成的“全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”中，增材制造研究機(jī)構(gòu)正是第一個(gè)成立的。

　　2012年8月，奧巴馬政府宣布在俄亥俄州的揚(yáng)斯敦設(shè)立一所由政府部門(mén)和私營(yíng)部門(mén)共同出資建造的制造業(yè)創(chuàng)新研究所——國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究院（NAMII），專門(mén)研發(fā)增材制造技術(shù)。由美國(guó)國(guó)防部、能源部、國(guó)家航空和航天局、國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、商務(wù)部等5家政府部門(mén)共同出資4500萬(wàn)美元，俄亥俄州、賓夕法尼亞州和西弗吉尼亞州的企業(yè)、學(xué)校和非營(yíng)利性組織組成的聯(lián)合團(tuán)體將出資4000萬(wàn)美元。奧巴馬政府期待通過(guò)NAMII整合高校、企業(yè)和政府的力量，加快增材制造技術(shù)創(chuàng)新，彌補(bǔ)基礎(chǔ)研究和成熟應(yīng)用之間的差距，從而帶動(dòng)區(qū)域制造業(yè)的創(chuàng)新和提升。NAMII目前主要研究打印材料特性和效能、資格鑒定和認(rèn)證測(cè)試、加工能力和過(guò)程控制等三項(xiàng)技術(shù)主題。

　　美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和海軍研究辦公室早在2009年已經(jīng)組織來(lái)自學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府的65位專家組成工作組，研究未來(lái)10～12年的增材制造技術(shù)路線圖，就增材制造在設(shè)計(jì)、過(guò)程建模和控制、材料和機(jī)器、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、能源和可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用、社區(qū)發(fā)展、教育、國(guó)家實(shí)驗(yàn)中心等方面的發(fā)展提出了一些規(guī)劃。而在此之前，歐洲和日本也組織過(guò)增材制造相關(guān)路線圖的研究。增材制造正成為發(fā)達(dá)國(guó)家日益關(guān)注的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)。

　　我國(guó)國(guó)家工信部也表示，近期將組織研究制定增材制造技術(shù)路線圖、增材制造業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略，并推動(dòng)完善增材制造技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)制訂。此外，將加大財(cái)稅政策引導(dǎo)力度，加大對(duì)增材制造技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的支持力度，研究制定支持增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項(xiàng)財(cái)稅政策，還將適時(shí)籌建增材制造行業(yè)組織，積極組織行業(yè)力量開(kāi)展產(chǎn)業(yè)政策研究，推動(dòng)增材制造技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

　　專利創(chuàng)新的“新領(lǐng)地”

　　專利申請(qǐng)是技術(shù)創(chuàng)新成果的主要衡量指標(biāo)，專利文獻(xiàn)中飽含著豐富的技術(shù)信息，據(jù)世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織(WIPO)的統(tǒng)計(jì)，90%～95%的研發(fā)成果包含在專利文獻(xiàn)中。經(jīng)筆者對(duì)增材制造專利技術(shù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，截至2013年1月24日，全球增材制造相關(guān)專利數(shù)量達(dá)到2444個(gè)專利族（每個(gè)專利族包括同一基礎(chǔ)專利在不同國(guó)家申請(qǐng)的所有專利），經(jīng)從技術(shù)層面、區(qū)域格局、競(jìng)爭(zhēng)機(jī)構(gòu)等角度分析判斷出以下趨勢(shì)。

　　技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)短期回穩(wěn)：國(guó)際增材制造技術(shù)自上世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始穩(wěn)定發(fā)展，在2004年之前以較快幅度攀升，之后便呈現(xiàn)出專利量基本穩(wěn)定甚至略為減少的態(tài)勢(shì)，相關(guān)專利的申請(qǐng)量和公開(kāi)量分別在2007年（251個(gè)專利族）和2008年（219個(gè)專利族）達(dá)到波峰。目前正進(jìn)入第三階段技術(shù)成熟期，專利申請(qǐng)數(shù)量和申請(qǐng)人數(shù)量趨于穩(wěn)定甚至有開(kāi)始減少的趨勢(shì)，產(chǎn)業(yè)進(jìn)入壁壘提高。塑料成型是增材制造中發(fā)展最快、專利申請(qǐng)最為集中的技術(shù)領(lǐng)域，但近年開(kāi)始出現(xiàn)回落。

　　美國(guó)彰顯區(qū)域優(yōu)勢(shì)：增材制造的專利申請(qǐng)主要集中在美、日、德、中、韓五個(gè)國(guó)家，上述五國(guó)的專利申請(qǐng)量占全球增材制造專利申請(qǐng)總量的九成。其中，美國(guó)以近半的份額在增材制造技術(shù)專利上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。日本、德國(guó)盡管位居第二、第三位，但15%、14%的申請(qǐng)份額已較美國(guó)有了明顯差距，中國(guó)、韓國(guó)則分別以7%、5%的份額位列全球第四、第五位。

　　企業(yè)成為創(chuàng)新主體：全球增材制造專利申請(qǐng)最多的前10家機(jī)構(gòu)均為高科技研發(fā)與制造型企業(yè)，除專注于3D打印技術(shù)研發(fā)的3DSystems、美國(guó)Stratesys和德國(guó)EOS等領(lǐng)先者以外，還包括了材料、半導(dǎo)體、飛機(jī)制造等領(lǐng)域的跨國(guó)公司，說(shuō)明增材制造正積極朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，市場(chǎng)前景明朗。雖然上述企業(yè)的專利數(shù)量很多，但在專利質(zhì)量上的情況卻非如此光鮮。來(lái)自美國(guó)的麻省理工學(xué)院和Zcorp公司的專利引證率分別為11.95和4.56，平均每篇專利的研究?jī)r(jià)值超過(guò)了上述排名前十位的企業(yè)。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

   何謂增材制造

　　增材制造，俗稱3D打印，是指通過(guò)逐層增加材料的方式將數(shù)字模型制造成三維實(shí)體物件的過(guò)程，其基本特征是分層制造。

　　增材制造的發(fā)展歷史最早可追溯到150年前的照片雕塑和地形測(cè)繪，這些早期技術(shù)可歸納為通過(guò)手工“削減和堆積”方式分層構(gòu)造自由成形對(duì)象。

　　現(xiàn)代增材制造技術(shù)的出現(xiàn)起源于20世紀(jì)80年代中期的光固化成型（SLA），該技術(shù)由1986年創(chuàng)建的3DSystems公司成功研發(fā)。在20世紀(jì)80年代末和90年代初期，大量的增材制造技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)，包括選擇性激光燒結(jié)（SLS）、層壓板制造(LOM)、熔融沉積成型（FDM）、精密金屬沉積(PMD)等，一批行業(yè)先行者如日本CMET、美國(guó)Stratesys、德國(guó)EOS、美國(guó)Zcorp、以色列Objet等公司先后成立。之后的20多年，增材制造在商業(yè)和學(xué)術(shù)活動(dòng)中的影響力不斷增長(zhǎng)。目前，根據(jù)所用打印材料及生成片層方式的不同，增材制造已經(jīng)發(fā)展出很多工藝，這些技術(shù)由不同公司所研發(fā)倡導(dǎo)。

　　不容忽視的“障礙”

　　科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步總是伴隨著相應(yīng)的弊端，增材制造也是如此，但技術(shù)革新的步伐卻永遠(yuǎn)不會(huì)停止。

　　倫理和安全問(wèn)題：

　　據(jù)福布斯中文網(wǎng)報(bào)道，美激進(jìn)組織“分布式防御”正在利用3D打印技術(shù)制造可以開(kāi)火并具有殺傷力的槍械，任何人都可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在家里下載這款槍支的設(shè)計(jì)圖，然后借助3D打印技術(shù)制造出來(lái)。該組織已開(kāi)始打印槍支部件并進(jìn)行實(shí)彈射擊測(cè)試，這一事件引發(fā)全球有關(guān)3D打印槍支的爭(zhēng)論。此外，可以克隆人體器官的3D打印技術(shù)在給醫(yī)學(xué)界帶來(lái)無(wú)限想象力的同時(shí)，也面臨著倫理上引起大眾質(zhì)疑的困境。隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，其引發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)和倫理質(zhì)疑將越來(lái)越大，如何保證3D打印技術(shù)不被犯罪分子和恐怖分子利用來(lái)為非作歹，如何建立一套行之有效的監(jiān)管機(jī)制，將對(duì)技術(shù)的成長(zhǎng)極為重要。

　　技術(shù)和材料缺陷：

　　3D打印是材質(zhì)一層層堆積成形，每一層都有厚度，這決定了它的精度難以企及傳統(tǒng)的減材制造方法。為提高精度，則需不斷降低每一層的厚度，這在難度提高的同時(shí)，制造時(shí)間也大幅延長(zhǎng)。而層和層之間粘結(jié)再緊密，其產(chǎn)品性能也無(wú)法和傳統(tǒng)模具整體澆鑄的零件相媲美。此外，打印材料的限制也對(duì)技術(shù)的應(yīng)用范圍形成掣肘。目前，可供3D打印的材料有300多種，多為石膏、塑料、可粘結(jié)的粉末顆粒、樹(shù)脂等，制造精度、復(fù)雜性、強(qiáng)度等難以達(dá)到較高要求，主要應(yīng)用于模型、玩具等產(chǎn)品領(lǐng)域。對(duì)于金屬材料來(lái)說(shuō)，如果液化打印則難以成型，采用粉末冶金方式，除高溫還需高壓，技術(shù)難度很高，因此，諸多金屬材料在短期很難實(shí)際應(yīng)用。

　　打印成本問(wèn)題：

　　價(jià)格是制約3D打印普及應(yīng)用的另一個(gè)因素。中低端機(jī)器主要采用聚合物成型材料，面向個(gè)人消費(fèi)者設(shè)計(jì)需要，可打印眼鏡框、樣板房和玩具等小型物件，以美國(guó)Makerbot為代表的個(gè)人3D打印機(jī)售價(jià)在2000美元左右。高端機(jī)器采用聚合物、金屬和陶瓷等材料，主要用于原型制造和大型結(jié)構(gòu)件直接制造，售價(jià)在20萬(wàn)～200萬(wàn)美元之間?？梢?jiàn)，無(wú)論面向個(gè)人還是專業(yè)機(jī)構(gòu)，當(dāng)前3D打印機(jī)的價(jià)格還是非常昂貴的，而主要用于模型制造的有限價(jià)值使得設(shè)備需求量難有爆發(fā)性增長(zhǎng)。即使3D打印機(jī)成本能夠降下來(lái)，單個(gè)商品的制造成本依然得不到解決。使用3D打印機(jī)制造商品，其成本要遠(yuǎn)高于大型企業(yè)規(guī)?；a(chǎn)后均攤到每一件商品的成本，而批量生產(chǎn)也比3D打印產(chǎn)品的速度快得多。