增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術是通過計算機軟件設計數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)技術，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。自20世紀80年代末增材制造技術逐步發(fā)展，期間也被稱為“材料累加制造”、“快速原型”、“分層制造”、“實體自由制造”、“3D打印技術”。名稱各異的叫法分別從不同側面表達了該制造技術的特點。

狹義的增材制造技術是指當前出現(xiàn)的3D打印技術或者快速成型技術等。廣義的增材制造技術，則以設計數(shù)據(jù)為基礎，將材料(包括液體、粉材、線材或塊材等)自動化地累加起來成為實體結構的制造方法。

增材制造技術不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設計數(shù)據(jù)在一臺設備上可快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現(xiàn)“自由制造”，解決許多過去難以制造的復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。越是復雜結構的產品，其制造的速度優(yōu)勢越顯著。近年來，增材制造技術取得了快速的發(fā)展。增材制造原理與不同的材料和工藝結合形成了許多增材制造設備。

根據(jù)3D打印所用材料的狀態(tài)及成形方法，3D打印技術可以分為熔融沉積成形、光固化立體成形、分層實體制造、電子束選區(qū)熔化、激光選區(qū)熔化、金屬激光熔融沉積、電子束熔絲沉積成形。現(xiàn)將目前增材制造技術不同分類的主要技術原理和技術特點進行列表整理，如表1所示。

表1 增材制造技術的分類及特點

增材制造產業(yè)鏈十分龐大，覆蓋整個制造業(yè)，從結構上可以分為上游產業(yè)、中游產業(yè)和下游產業(yè)，如圖1所示。

圖 1 增材制造產業(yè)鏈結構

2.1 上游產業(yè)

主要是指3D打印前處理模塊產業(yè)，以3D模型設計軟件公司和3D模型掃描設備公司為主。3D模型設計軟件公司的主要代表有因Pro/E三維設計軟件（后更名為Creo）而聞名的美國參數(shù)技術公司（PTC）和主營產品為UG的德國西門子自動化與驅動集團（A&D）。3D模型掃描設備公司的典型代表有主要產品為便攜式3D掃描儀的加拿大Creaform公司和非接觸式激光掃描器制造經銷商美國3D Digital公司。

2.2 中游產業(yè)

主要由裝備生產商和材料生產商兩類公司構成，公司主要集中在美國和歐洲，代表了3D打印技術的最高水平。美國3D systems公司是全球最大、成立最早的增材制造裝備生產公司，其專利技術保證了在其在全球市場占有穩(wěn)定份額；美國Stratasys公司，全球第二大增材制造裝備生產公司，其三維打印機產品種類豐富，覆蓋生產制造各個流程;德國EOS GmbH公司，全球領先的SLS/SLM生產公司，主要產品包括燒結塑料粉材的SLS系統(tǒng)成形機、燒結金屬粉材的SLM系統(tǒng)成形機；德國的Concept Laser公司在激光熔化技術領域處于領先地位，該公司擁有激光熔化技術專利，主要產品是X系列1000R工業(yè)級3D打印平臺,該產品的構建尺寸在激光融熔金屬3D打印領域中是最大的，可用于汽車和航空工業(yè)大尺寸部件的快速制造。

圖2 ASA 熱塑性塑料應用于3D打印*

此外，還有一些專業(yè)增材制造材料生產商，如：美國Huntsman Corporation公司，主要生產SLA成形材料；瑞典Sandvik集團，其金屬粉末材料產品在增材制造金屬粉末全球市場，尤其是在中國市場，已被廣泛應用于工業(yè)裝備制造、航空航天等重要領域；加拿大Raymor公司，通過獨特的等離子霧化工藝，制備出金屬球型鈦粉和鈦合金粉末，適用于激光沉積、快速成型、熱等靜壓、涂層等。

2.3 下游產業(yè)

主要是指運用增材制造技術的服務商和客戶群體。一般而言，國外裝備生產商都能夠提供加工服務，但都不作為其主營業(yè)務。相反，國內一些設備代理商，因為無法推銷出設備而進入了服務領域。

增材制造技術實質上是一種加工技術，如同機床一樣最終會全面滲透到各行各業(yè)，一些企業(yè)已經購置了設備進行研發(fā)和生產工作，所涉領域包括汽車、電子、能源、生命科學、航空航天、國防制造等在內的多個重要領域。

3.1 產業(yè)發(fā)展初具規(guī)模

據(jù)中國增材制造產業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計，2016年我國增材制造產業(yè)規(guī)模已達80億元，產業(yè)規(guī)模實現(xiàn)較快增長，涌現(xiàn)出杭州先臨三維、西安鉑力特、湖南華曙、北京鑫精合、青島三迪時空等具有一定競爭力的裝備制造和服務企業(yè)，以及渭南高新區(qū)3D打印產業(yè)培育基地、安徽春谷3D打印智能裝備產業(yè)園等產業(yè)集聚區(qū)。目前，北京、陜西、廣東、湖北、上海等地基本形成產品設計、專用材料、關鍵器件、裝備、工業(yè)應用等相關環(huán)節(jié)的較為完整產業(yè)鏈條，產業(yè)整體發(fā)展勢頭良好。據(jù)統(tǒng)計，2016年，廣東省從事增材制造業(yè)務的企業(yè)超過400家，實現(xiàn)產值近37億元。其中，2016年，陜西省增材制造產業(yè)規(guī)模超過10億元。北京市從事增材制造技術研發(fā)、生產與服務的企業(yè)達70家以上，2016年實現(xiàn)銷售收入約5億元。

3.2工藝技術不斷突破

我國增材制造的工藝技術水平加速提升，一批工藝裝備、關鍵零部件、軟件系統(tǒng)實現(xiàn)突破。如西安鉑力特激光成形技術公司研發(fā)的激光選區(qū)熔化裝備，在鋪粉效率、定位精度等關鍵技術指標上已達到國際先進水平。湖南華曙高公司已開發(fā)出全球首款開源一體化工業(yè)級3D打印智能控制系統(tǒng)。易博三維研制出國內首臺微型金屬桌面增材制造裝備。江蘇永年激光通過與激光器生產企業(yè)武漢銳科合作，共同推動國產大中功率激光器在增材制造的推廣和應用。華中科技大學研發(fā)的“智能微鑄鍛一體化”金屬增材制造技術，產品的部分技術指標和性能均超過傳統(tǒng)鑄件的性能。佛山峰華卓立新開發(fā)出了陣列噴嘴全自動砂型增材制造機，用其打印的砂型各項參數(shù)接近國外先進水平。中航邁特研發(fā)的真空感應氣霧化制粉爐突破國外技術封鎖，且形成年產10臺（套）的制備能力。

3.3 高校院所擁有一批高水平研發(fā)團隊

我國高校和科研機構在增材制造技術領域的研究起步較早，早在20世紀90年代初，清華大學、西安交通大學等就開始了對增材制造的研究。其中華中科技大學側重選擇性激光燒結技術，清華大學側重熔融沉積成型技術，北京航空大學和西北工業(yè)大學主要集中對金屬材料的研究，西安交通大學重點研究立體光固化成型技術。

經過多年的積累，逐漸形成了代表中國增材制造最高水平的研發(fā)團隊，涌現(xiàn)出一批學科和行業(yè)帶頭人。如清華大學顏永年、北京航空航天大學王華明、華中科技大學史玉升、西安交通大學盧秉恒、西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東、華南理工大學楊永強。此外，大連理工大學、南京航空航天大學、中北大學以及中科院深圳先進研究院、自動化所等科研機構在設備研制、軟件開發(fā)、產品制造和材料研發(fā)等領域開展了一系列的研究。

3.4 主要應用于先進制造相關領域

近20年來，增材制造技術發(fā)展日趨成熟，美國和歐洲知名龍頭企業(yè)正不斷收購中小企業(yè)，開發(fā)新材料、新工藝，發(fā)展零部件的快速制造技術。在國內，針對材料、工藝和設備的研究成果部分已實現(xiàn)產業(yè)化，應用范圍覆蓋航空航天、汽車、生物醫(yī)療和裝備制造等重要領域。

3.4.1航空航天領域

西安鉑力特激光成形技術有限公司針對航空航天極端復雜的精密構件加工制造問題，利用SLM技術，解決了隨形內流道、復雜薄壁、鏤空減重、復雜內腔、多部件集成等復雜結構問題，每年可為航空航天領域提供復雜精密結構件8000余件。

中航邁特粉冶科技（北京）有限公司利用自產的球形鎳基高溫合金粉末GH3536生產的發(fā)動機燃油噴嘴，已經成功應用于某型號飛機，實現(xiàn)了發(fā)動機關鍵部位的合理結構設計，多零件整合以及整體減重。

鑫精合激光科技發(fā)展（北京）有限公司采用激光選區(qū)熔化技術自主研發(fā)制備了大尺寸薄壁鈦合金點陣夾層結構件——集熱窗框，滿足了火星車產品的技術要求，保障了火星車產品的順利研發(fā)與實驗。

3.4.2汽車領域

安徽恒利增材制造科技有限公司利用SLS技術和石膏型真空增壓鑄造技術融合，制造實現(xiàn)一體化制造雙金屬復合發(fā)動機缸體，改變傳統(tǒng)開模具和組砂型鑄造的模式，替代進口，已經成功應用在奇瑞汽車、東風汽車、廣汽、全柴等企業(yè)。

萬向電動汽車有限公司將增材制造技術用于汽車設計、試制階段，打印制作儀表臺、空調面板、大燈模型等內外飾件，在設計早期驗證產品裝配可行性時，能及時發(fā)現(xiàn)產品設計差錯，極大縮短了開發(fā)周期。

薩普汽車科技有限公司引入華曙高科相關設備用于汽車空調設計，極大降低了開模成本，縮短了研發(fā)周期。

3.4.3船舶領域

上海電氣集團公司依托“3D打印燃氣輪機軸向旋流器工業(yè)化應用探索”項目，成功制備出符合性能要求的部件，可協(xié)助完成重型燃氣輪機關鍵零部件的原型設計與優(yōu)化，后期將考慮替代傳統(tǒng)鑄鍛零件，直接利用金屬3D打印部件裝機。

中國船舶重工集團第七二五研究所利用電子束熔絲沉積表面改性和修復技術制備船用螺旋槳，經檢測，樣件無內部質量缺陷，綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造方式生產的葉片。

3.4.4表面修復領域

機械科學研究總院先進制造技術研究中心與德國弗朗霍夫激光技術研究所合作，引入國內首臺激光高速熔覆修復系統(tǒng)，應用自制高性能微細金屬粉末，可實現(xiàn)修復速度最快達200 m/min，是目前最快速度的40-50倍，可替代電鍍，相關成果在北煤機、鄭煤機、平煤機等企業(yè)推廣。

3.4.5生物醫(yī)療領域

增材制造技術可滿足個性化、小批量、大規(guī)模的醫(yī)療需求，已經廣泛應用在體外醫(yī)療器械制造領域，如齒科、手術導板等領域，現(xiàn)正向著個性化永久植入物、臨床修復治療和藥物研發(fā)試驗等領域擴展，未來將致力于生物組織、器官的直接打印。

湖南華曙高科技公司利用選擇性激光燒結技術，借助CT掃描“打印”出骨折部位的術前模型，使得手術更精確，手術時間可節(jié)約三分之一以上，已在湘雅醫(yī)院、長沙市三醫(yī)院有了2000余例成功臨床病例。

廣州邁普再生醫(yī)學科技公司研發(fā)了具有國際先進水平的可個性化定制的生物增材制造裝備，可滿足對非均質多種材料三維結構的成形要求以實現(xiàn)復雜組織器官快速制造，突破了現(xiàn)有裝備的打印精度、速度和效率等性能瓶頸。其開發(fā)的硬腦膜產品“睿膜”已獲得美國FDA、國家食品藥品監(jiān)督管理總局、歐盟CE的批準，目前已應用于近萬名患者的腦膜修復手術。

杭州捷諾飛生物科技公司利用3D打印的肝單元Regen-3D-liver組織，用于藥物臨床前篩選，被Merck等制藥公司使用。

3.4.6文化創(chuàng)意領域

青島智生三維制造公司與珠寶廠商施華洛世奇合作，實現(xiàn)3D打印定制珠寶首飾，極大降低了成本，滿足了個性化需求。

安徽中科鐳泰激光科技有限公司運用建模軟件設計、3D打印蠟模，再翻模制作金屬首飾“清風蕩漾”，實現(xiàn)產品內部結構架空交錯，補充了傳統(tǒng)制造技術的短板。

綜合來看，在增材制造應用推廣方面，簡單的采用增材制造替代現(xiàn)有的鑄造鍛造，制作同樣的部件，市場較為有限。如能從零部件設計階段介入，優(yōu)化復雜精密零部件的設計，實現(xiàn)輕量化，并能縮短制造周期和成本，提升部件綜合性能，進而帶來整個產品的升級換代，這將充分發(fā)揮增材制造對整個制造業(yè)帶來的推動作用，體現(xiàn)出其價值和效益。目前國外行業(yè)巨頭已在相關領域進行應用探索，例如，GE公司在2012年11月收購了3D打印公司Morris Technologies，用來打印飛機引擎中的零部件；三菱電機公司采用增材制造技術實施部分汽輪機末端葉片的生產工作；西門子公司也計劃采用金屬3D打印技術制造和修復燃氣輪機的某些金屬零部件。

增材制造技術在我國發(fā)展已有30年，但是近年來才為人們廣泛熟知。無論是增材制造設備，還是新型材料的研發(fā)以及與傳統(tǒng)制造相結合的衍生技術，國內均有研究并且取得突破，在國家的大力支持下，我國增材制造產業(yè)發(fā)展迅速，但也面臨著諸多挑戰(zhàn)。

4.1材料方面

增材制造產業(yè)的核心在于重點材料的研發(fā)和生產，材料性能決定產品力學性、穩(wěn)定性和生物相容性等其他特殊性質。我國對重點材料，尤其是金屬、光固化等材料的研發(fā)和生產能力有待加強。

4.2知識產權方面

增材制造顛覆了傳統(tǒng)制造行業(yè)，并與知識產權的保護和應用密切相關。從專利的三種形式看，發(fā)明和實用新型注重物體結構，外觀設計則注重物體外形，增材制造既涉及物體結構，也涉及外形，與知識產權關系密切。同時增材制造還涉及專利法、著作權法、商標法等法律法規(guī)。作為一個新興行業(yè)，增材制造正處于快速發(fā)展時期，但知識產權相關法律法規(guī)相比行業(yè)發(fā)展，還存在一定滯后性。

4.3行業(yè)標準方面

增材制造行業(yè)標準的缺失是世界范圍的問題，行業(yè)標準的缺乏導致了行業(yè)畸形擴張、惡性競爭等不良現(xiàn)象出現(xiàn)，這一點在國內尤為明顯。我國經過30年的產業(yè)發(fā)展，已經涌現(xiàn)出以湖南華曙高科技有限責任公司為代表的優(yōu)秀企業(yè)，應積極推動優(yōu)秀企業(yè)參與國際國內行業(yè)標準的制定，更好地規(guī)范行業(yè)發(fā)展。

4.4安全方面

增材制造在安全方面的問題，主要包括兩個方面：一是部分打印材料對環(huán)境和人體的危害性。以目前最為常用光固化材料為例，其含有的揮發(fā)性有機化合物對環(huán)境及人體會產生一定損害；二是打印產品對國家安全的潛在危害性。例如，利用增材制造技術制造武器等，相關安全問題已引起社會的關注和討論。

4.5尺寸方面

國內增材制造設備一直面臨著裝備成型尺寸小、生產零件受限、無法滿足大型工業(yè)設備的現(xiàn)象。目前世界上最大的3D打印機，工作面尺寸也僅為400毫米×400毫米。由重慶大學牽頭的“3D打印關鍵技術與裝備研制”項目，計劃制造出工作面尺寸為2米×2米的3D打印機，大大提高了打印產品的尺寸范圍。

近年來，我國相繼發(fā)布《中國制造2025》《國家增材制造產業(yè)發(fā)展行動計劃(2015~2016年)》，以及2017年增材制造重點專項，為我國增材制造產業(yè)發(fā)展指明了方向。

5.1研發(fā)生產增材制造專用材料

依托高校、科研機構開展增材制造專用材料特性研究與設計，鼓勵優(yōu)勢材料生產企業(yè)從事增材制造專用材料研發(fā)和生產，突破一批增材制造專用材料。針對金屬增材制造專用材料，優(yōu)化粉末大小、形狀和化學性質等材料特性，開發(fā)滿足增材制造發(fā)展需要的金屬材料。針對非金屬增材制造專用材料，提高現(xiàn)有材料在耐高溫、高強度等方面的性能，降低材料成本。

5.2提高增材制造工藝技術

開發(fā)數(shù)字模型、專用工藝軟件及控制軟件，支持企業(yè)研發(fā)增材制造所需的建模、設計、仿真等軟件工具，在三維圖像掃描、計算機輔助設計等領域實現(xiàn)突破。解決金屬構件成形中高效、熱應力控制及變形開裂預防、組織性能調控，以及非金屬材料成形技術中溫度場控制、變形控制、材料組份控制等工藝難題。  

5.3研制增材制造裝備及核心器件

依托優(yōu)勢企業(yè)，加強增材制造專用材料、工藝技術與裝備的結合，研制推廣使用一批具有自主知識產權的增材制造裝備，不斷提高金屬材料增材制造裝備的效率、精度、可靠性，以及非金屬材料增材制造裝備的高工況溫度和工藝穩(wěn)定性。

5.4建立和完善產業(yè)標準體系

研究制訂增材制造工藝、裝備、材料、數(shù)據(jù)接口、產品質量控制與性能評價等行業(yè)及國家標準，開展質量技術評價和第三方檢測認證，促進增材制造技術的推廣應用。

5.5應用示范成熟技術產品

依托國家重大工程建設，著重解決金屬材料增材制造在航空航天領域應用問題，在具備條件的情況下，在國防軍工其他領域予以擴展。在技術相對成熟的產品設計開發(fā)領域，發(fā)展增材制造服務中心和展示中心，通過為用戶提供快速原型和模具開發(fā)等方式，促進增材制造的推廣應用。

增材制造產業(yè)發(fā)展迅速，一批有生命力的研發(fā)機構和科技型企業(yè)正在蓬勃發(fā)展。盡管如此，由于增材制造產業(yè)處于   發(fā)展初期，仍呈現(xiàn)出材料單一、精度低、規(guī)?；潭鹊偷忍攸c。我國必須加速研發(fā)核心技術與原創(chuàng)技術，打造自己的創(chuàng)新鏈與產業(yè)鏈。加大對增材制造專用材料、裝備及核心器件研發(fā)基地建設的支持力度，加快形成產業(yè)集聚發(fā)展，提升產業(yè)創(chuàng)新能力，盡快形成產業(yè)規(guī)模。

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*圖片來源：Stratasys汽車行業(yè)

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