為何發展增材製造技術原因 (上)
前言
作為現代化高科技行業的一大代表，3D打印（或稱增材製造）自問世以來便一路“高歌猛進”，快速躋身全球 最熱門的製造技術的行列。如今，增材製造在各大領域的應用可謂是達到了“火熱”的程度，無論是企業，高 等院校還是醫療機構，設計師以及創客，無不驚嘆增材製造技術為其產品的發展和創新所創造的巨大價值。那 麼，我們為什麼要發展增材製造？增材製造的優勢以及特色具體有哪些？它究竟為各行各業具體創造了哪些價 值？
增材製造發展的背景環境
自2008年國際金融危機以來，以美國、歐盟為代表的西方發達國家開始積極尋找擺脫經濟危機的方法，並重 新審視實體經濟和虛擬經濟之間的關係。這些發達國家紛紛調整經濟發展戰略，提出“再工業化”概念，希望 通過重振製造業來拉動經濟復甦，保持發達國家在核心科技領域的優勢，重塑國家競爭力。以美國為例，2009 年以來先後製定出台了《重振美國製造業框架》、《製造業促進法案》、《先進製造夥伴（AMP）計劃》和 《先進製造業國家戰略計劃》，如圖1所示，，從國家戰略層面提出加快創新、促進美國先進製造業發展的具 體建議和措施。 2012年3月，奧巴馬宣布實施投資10億美元的“國家製造業創新網絡”計劃（NNMI），遴 選出製造領域15項前沿性、前瞻性的製造技術，並建立製造業創新中心，全面提升美國製造業競爭力。同年4 月，增材製造技術（也被稱為3D打印）被確定為首個製造業創新中心；8月，總投入達7000萬美元的國家增 材製造創新中心（NationalAdditiveManufacturingInnovationInstitute）在俄亥俄州小城揚斯頓市剪彩成立。作為首個“樣板示範”中心，國家增材製造創新中心是由產業界、學術界、聯邦政府及州政府三方成員共同 組成的公—私合作聯盟，致力於增材製造技術和產品的開發，並成為新技術研究、開發、示範、轉移和推 廣的基礎平台。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、拜耳材料科學等全球知名公司，卡內基-梅隆大學、阿克隆大學、MIT林肯實 驗室等全球知名研究機構，以及美國宇航局、能源部、教育部等美國政府部門。由此可見，增材製造不單 單被認為是一項新興技術，它同其他先進製造技術一起承載了美國重振製造業的希望，是美國實現先進製 造業國家戰略的技術保障。奧巴馬總統在2013年和2014年的國情咨文演說中均談到了增材製造的重要性， 他指出“3D打印可以革新我們幾乎任何東西的製造方法”，“我們現在有機會在下一輪高技術製造業崗位 競爭中戰勝其他國家。我們已經在羅利和揚斯敦開始運行高技術製造業中心（國家增材製造創新中心）， 把商業和研究型大學聯繫起來，幫助美國引領世界先進技術的發展。 ”
發展增材製造的意義
為什麼增材製造受到設計者、製造者和消費者的關注？ 增材製造是融合了計算機輔助設計、材料加工與成形技術，以數字化模型文件為基礎，通過軟件與數控系 統將特製材料逐層堆積固化，製造出實體產品的製造技術。它與傳統的，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，從無到有地製造產品的新型技術工藝。也正是由於增材製造的這種技 術特點，使得它受到全球的廣泛關注，將有可能給傳統的製造業來帶一系列深刻的變革。 第一，新的生產模式。作為一種“無需工具”的數字化製造技術，增材製造將有可能改變某些產品的生產 模式，給企業和消費者帶來巨大的經濟和社會效益。目前大型工廠的生產需要眾多的機器、大量專業設計 與加工技術人員才能實現。而對於增材製造來說，設計師將不需在工廠工作，在家中就可以把設計好的數 字化文件發送到網絡上，客戶通過文件下載，利用3D打印機製造出符合需求的產品。這將實現生產模式 的根本變革，從傳統製造業的批量化、規模化、標準化製造轉變為定制化、個性化、分佈式製造。
第二，新的設計理念。由於增材製造技術是通過層層堆積的方式來進行生產，可以製造出形狀高度複雜的 產品。這使得過去受到傳統加工方式的約束，而無法實現的複雜結構製造變為可能。這將大大簡化產品設 計，提高零部件的集成度，加快產品開發週期。例如對於航空航天領域來說，可以通過優化產品的幾何形 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域的組分調節， 實現單一零件的多功能化（即零件的不同部位實現不同的力學性能），以滿足實際需求。同時，由於不涉 及熔煉、鍛造、機加工等工序，增材製造可以使產品的研發週期縮短了30%-50%，明顯縮短產品的開發成 本與週期。
第三，新的商業模式。隨著數字技術的發展，增材製造與互聯網結合起來還將使得消費者直接參與到產品 生命週期當中，從最初的設計過程、到生產製造、再到後期產品的維修，並藉助網絡實現數字化文件的共享和交易。這大大規避了傳統製造業和零售業的價值鏈，刺激了新的產品設計模式、銷售商業模式和供應 鏈管理模式的產生，使相關企業受益。消費者的參與一方面將大幅度提升企業的創新能力與研發實力，使 創新邊界得以延伸，另一方面使產品更容易適應市場需求，降低業務風險。
第四，實現個性化產品製造。由於具有“自由設計”和“無需工具”的優點，增材製造將使得商業化個性 製造成為可能，從運用X線電子計算機斷層掃描（CT）和核磁共振成像（MRI）掃描數據打印出百分百符 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展，利用增材製 造技術還可以直接打印活體組織，製造出符合人體需求的人工器官，實現人工器官的再造將給現代醫學帶 來一次革命性的變革。
第五，順應綠色經濟發展模式。相對於利用切削機床對毛坯進行加工的“減材製造”，增材製造減少了原 材料的使用量，降低了對自然資源和環境的壓力。此外，增材製造還可大大壓縮供應鏈，使得傳統的離岸 經濟模式得以改變。它將允許在靠近消費區域的地點進行同步生產，實現分佈式製造。這將顯著地削減將 量產商品從生產地運送到消費地所消耗的大量能源，對當地經濟、環境和消費者都頗具益處。
增材製造可以給我們帶來什麼？
增材製造最初只是用於原型件製造，經過多年的發展，其應用領域已經開始拓展到電子、汽車、醫療、工 業及商用機器、航空航天等眾多行業。據《WohlersReport2013》發布的信息，2012年增材製造全球產值 為 22.04 億美元，比 2011 年的 17.14 億美元增長 28.6%。預計 2015 年產業規模將翻番達到 40 億美元。 雖然增材製造技術在近幾年得到了快速的發展，但根據業內人士分析，目前此技術的市場滲透率仍然不足 8%。一部分原因是由於此項技術的認知度不足，但更重要的是此項技術目前還面臨一些技術瓶頸，限制了 其更大規模的應用。如果可以突破這些瓶頸，那麼此項技術的市場滲透率將達到92%，其產值將在2020 年超過1000億美元。對比之下，目前全球航天產業年產值約為3300億美元。由此可見，作為一種高附加 值的製造業經濟，增材製造將有可能成長為一個龐大的產業，在中國未來經濟發展中發揮重要作用。目前， 這項技術已經在航空航天、醫療器械和創意行業等領域實現了小規模應用，並開始向其他行業拓展。與之 相關的儀器裝備、材料生產、軟件開發及創意設計等行業也將迎來重大的市場機遇。除此之外，增材製造 還具有其他方面的戰略價值。 第一，增材製造可提升製造業發展水平，增強國家先進製造技術的國際競爭力。雖然我國製造業規模已經 位居世界第一，但總體上大而不強。隨著製造業逐步實現數字化，個性化需求逐漸增多，新的變革正在 悄然到來。這意味著一些傳統工廠將逐漸消失，生產製造將從大型、複雜、昂貴、冗長的工業過程中分 離出來。部分高附加值產品的生產方式將像圓圈一樣又繞回到了原點，從大規模生產轉回到個性化生產。 生產目標將不再是追求規模經濟，而是更快更靈活的生產。這一轉變將有可能導致新興市場的一些生產崗 位重新回到發達國家手中。另外，增材製造和傳統製造工藝的結合將可促進產業升級。例如，機械零件製造所用的複雜模具就可以通過增材製造技術生產。德國EOS通過此技術生產的一款產品，成本降低了近 85%，生產週期降低了50%，有力的促進了複雜磨俱和機械零件製造技術的進步。因此，面對發達國家實 行的“製造業復興計劃”，積極發展以增材製造為代表的先進製造業技術，帶動傳統製造業實現轉型升級， 推動我國由製造大國向製造強國的轉變，是鞏固我國全球製造業第一大國地位的戰略需要。
第二，增材製造可以降低貴重資源的消耗，實現稀缺材料和其他資源的高效利用。由於增材製造採用堆積 方式實現產品製造，超過90%的原材料可以回收再利用，此技術具有節料、節能、環保的特點。這對於 一些大量應用於國民經濟和國防工業的稀缺資源來說，具有重要的戰略意義。例如在航空航天領域，為實 現零件的高性能，需要大量使用鈦合金和鎳基合金等昂貴的戰略材料。而這些材料的加工十分困難，傳統 的鍛造工藝會切削產生大量難以再利用的廢屑，造成巨大的原材料浪費。如F22戰機的鈦合金框重量為 144kg，但其原始鍛件質量高達到2980kg，材料利用率僅為4.8%。運用增材製造技術，可以把高性能金 屬零件的材料利用率大幅度提高，節約2/3以上的昂貴原材料。
第三，增材製造將在未來實現“活體”打印，催生生物醫療行業發生變革。增材製造技術最具開創性、革 命性意義的應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，則可以使用患者的 細胞製作“活體組織”，用於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。設計和製 造有生命的人體組織，甚至是人體器官已經成為生命科學前沿研究中的重點方向，其發展和應用正在催生 一個新的學科——再生醫學。未來20年內，再生醫學的年產值將突破5000億美元，替代常規的生物材 料成為生物醫用材料產業的主體。因此，發展增材製造不僅可以促進我國生物醫藥產業快速健康的發展， 而且對提高國民健康水平也具有重大意義。
第四，增材製造可激發的新型設計理念、生產方式和商業模式，將創造更加卓越的價值鏈體系形成。增材 製造不僅是一種先進的製造技術，它還將對現有的設計理念、生產方式和商業模式產生衝擊，使得製造和 設計被整合成為“精益設計”模式。這不但會影響製造業本身，還將改變經濟發展的模式和我們的生活方 式。增材製造將使得製造過程的複雜性降至最低，而通過精益設計提高製造的靈活度將成為產業發展趨勢。 面向製造的設計與面向裝配的設計理念將逐步為人接受，並成為行業領軍企業實現創新之道的模式。 這種變化恰恰迎合了信息技術快速發展的趨勢，如iTunes等數碼產品的興起盤活了傳統的音樂和影視產 業，淘寶等電子商務的崛起激活了大眾消費潛能釋放一樣，增材製造將有可能實現大量現有產品的數字化 文件（3D模型文件）授權和交易。未來，隨著互聯網的愈發普及，人聯網、物聯網、服務網的大融合所 產生的“智慧工廠”將取代傳統封閉性的製造模式，即充分利用信息通信技術和網絡空間虛擬系統，實現 製造的智能化。■