3D打印通過與大數(shù)據(jù)、人工智能等技術深度融合，正在掀起一場全方位的新科技革命和產(chǎn)業(yè)革命，這些曾經(jīng)的科學幻想，如今已經(jīng)融入人們的衣食住行用，將對人類生產(chǎn)模式、生活方式、價值理念等產(chǎn)生深刻影響。

未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新增長點

世界各國紛紛將增材制造作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新增長點。全球著名的麥肯錫報告認為，增材制造將是決定2025年經(jīng)濟的12大顛覆技術之一。美國《時代》周刊將增材制造列為 “美國十大增長最快的工業(yè)”，英國《經(jīng)濟學人》雜志認為增材制造將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起，推動實現(xiàn)第三次工業(yè)革命”，認為該技術將改變未來生產(chǎn)與生活模式，實現(xiàn)社會化制造。以云計算、大數(shù)據(jù)、增材制造等為核心、以“工業(yè)4.0”為標志的新一輪產(chǎn)業(yè)革命正在來臨，制造業(yè)將成為國家經(jīng)濟競爭力的關鍵所在。歐美等發(fā)達國家將增材制造作為“再工業(yè)化”、“重新奪回制造業(yè)”、“重振經(jīng)濟”的國家戰(zhàn)略，德國長期在金屬零件增材制造技術方面處于領先地位。

隨著土地、勞動力等要素成本的快速上漲，資源環(huán)境約束進一步增強，我國制造業(yè)傳統(tǒng)的低成本競爭優(yōu)勢不斷減弱，正面臨歐美發(fā)達國家“再工業(yè)化”和發(fā)展中國家低成本承接產(chǎn)業(yè)轉移的“雙重擠壓”。增材制造與信息網(wǎng)絡技術、新材料技術、新設計理念的深度融合，將給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來變革性影響，被稱為新一輪工業(yè)革命的標志性技術之一。當前，增材制造已經(jīng)成為航空航天等高端設備制造及修復領域的重要技術手段，初步成為產(chǎn)品研發(fā)設計、創(chuàng)新創(chuàng)意及個性化產(chǎn)品的實現(xiàn)手段以及臨床診斷與治療的工具，并且應用范圍不斷擴展。因此，借助云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)為代表的新興信息技術，大力發(fā)展增材制造等顛覆性技術，是實現(xiàn)“中國制造”向“中國智造”轉變的時代選擇，是實現(xiàn)制造業(yè)彎道超速，打造我國制造業(yè)新優(yōu)勢，實現(xiàn)“制造強國夢”的必然選擇，也是力爭搶占未來科技和產(chǎn)業(yè)制高點的必然選擇。

金屬增材制造是先進制造的重要方向之一

金屬增材制造是最前沿和最有潛力的增材制造技術，是先進制造技術的重要發(fā)展方向。金屬增材制造技術是以高能束流（激光束/電子束/電弧等）作為熱源，通過熔化粉材或絲材實現(xiàn)金屬構件逐層堆積成形。根據(jù)所采用能量源和成形材料的不同，典型的金屬增材制造主要包括激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting, SLM）、電子束選區(qū)熔化（Electron Beam Melting, EBM）、激光近凈成形技術（Laser Engineered Net Shaping, LENS）、電子束熔絲沉積成形（Electron Beam Freeform Fabrication, EBFF）和電弧增材制造（Wire and arc additive manufacturing, WAAM）。

表1：目前較成熟的典型金屬增材制造的技術原理和技術特點等的對比

同步絲材送進技術采用電子束或電?。–MT、MIG、TIG等）等作為熱源，將金屬絲材加熱熔化，連續(xù)堆積形成沉積層，最終形成“近形”制件。沉積層厚度為毫米量級，具有成形效率高，制造成本低等優(yōu)點，目前該技術主要用于制造大型零件毛坯，隨著技術的發(fā)展，通過增減材一體化復合，可能將為大型復雜構件的低成本制造提供一種替代方案。電子束選區(qū)熔化（EBM）的優(yōu)點在于其能量密度高，熱影響區(qū)小，變形小，生產(chǎn)率高等，但須在真空環(huán)境中進行，需要一整套專用設備和真空系統(tǒng)，價格較貴，生產(chǎn)應用具有一定局限性，但是電子束能力密度高，掃描速度快，束斑直徑大，成形精度不及激光選區(qū)熔化技術，隨著電子腔技術的發(fā)展，EBM技術將會得到快速的發(fā)展。激光成形最重要特點是熱量集中，加熱快、冷卻快、熱影響區(qū)小，進而影響金屬相形成的均勻度。金屬激光近凈成形（LENS）采用的激光功率比較大（2-10 kW）、光斑直徑大（1-10 mm）、粉末沉積效率高(最大1-3 kg/小時)，但是成形精度低（毫米級別），其技術特點適合應用于大型構件毛坯件的加工成形，隨著增減材一體化技術的發(fā)展，LENS技術的應用將會進一步得到拓展。金屬選區(qū)激光熔化（SLM）成形技術是目前金屬增材制造中發(fā)展最成熟、應用最廣泛的技術，采用激光功率較低（200-1000W）、激光能量密度高（106-8W/cm2）、光斑直徑?。?0-200μm）、粉末沉積效率低（5-30 cm3/h），但是制造精度很高（20μm），最小壁厚可以達到100μm，構件性能可達到同成分鍛件水平，精度遠高于精鑄工藝，零部件致密度近 100%。目前受到SLM設備成形尺寸的限制，SLM主要用于制造中小型復雜精密構件，但隨著多振鏡和增減才一體化技術的發(fā)展，SLM的應用領域和成形件尺寸都將得到進一步的發(fā)展，短期內被其他技術取代的可能性不大。如圖1所示，增材制造的成形質量和成形效率之間存在著矛盾，針對不同的應用領域，應綜合評估權衡成形質量、效率和成本之間的關系，選擇性價比最佳的3D打印該工藝。

圖1：增材制造成形效率與成形質量的關系

增材制造的應用

3D打印應用的領域越來越寬廣，從民用的消費品、文化創(chuàng)意產(chǎn)品、建筑的設計到航空航天的結構，這方面國內很多研究單位做了大量的工作，已經(jīng)用在飛機結構件的承載件，例如C919的很多零件上?，F(xiàn)在中國民用飛機也有自己的目標，上海商發(fā)準備80%發(fā)動機的零件都用3D打印來支持研發(fā)，GE公司也已經(jīng)有三分之一的飛機發(fā)動機零件用3D打印進行生產(chǎn)，并且已完成了30000個燃油噴嘴的SLM成形和應用驗證。未來各種增材制造技術將得到進一步的快速發(fā)展，效率更高成本更低的增材制造工藝也可能會被不斷提出，各種增材制造技術將同臺競技，不斷拓展自己的應用領域。

圖2：結構復雜對增材制造與傳統(tǒng)制造零件成本的影響

圖2表示構件的復雜程度對制造成本的影響，對于傳統(tǒng)的機械制造（如車銑刨磨鉆），零件的制造成本隨復雜程度的提升指數(shù)級的增長，且與制造的批量有關系，批量小于3000件時，成本非常高。而零件的復雜程度對增材制造的成本影響很小，增材制造過程幾乎不受零件復雜程度的影響，其成本主要決定于制造改零件所需要的時間。因此對于單件小批量生產(chǎn)和具有較高幾何復雜性的零件，增材制造具有顯著的競爭優(yōu)勢。傳統(tǒng)的零件的制造受到零件本身復雜性的限制，往往在設計過程中并未完全實現(xiàn)功能優(yōu)先的設計，結構上有很多冗余，浪費材料，增材制造可以通過結構拓撲優(yōu)化設計，極大的提升其性能，實現(xiàn)輕量化、高強度。增材制造可以將不同成分和顏色的不同材質材料按需分布在所需要的位置，獲得理論設計最佳和功能優(yōu)先的一體化設計和制造，真正意義上實現(xiàn)“控材控形控性控色”。

增材制造的未來

增材制造的發(fā)展已經(jīng)不單純是一個技術問題，而是一個生態(tài)問題了。當然，在技術層面，3D打印仍在不斷創(chuàng)新、深入、延伸和融合；而在生態(tài)層面，增材制造正不斷向系統(tǒng)化、平臺化、生態(tài)化方向發(fā)展。在消費級，3D打印傾向于個性化、定制化發(fā)展；在工業(yè)級，3D打印更強調金屬增材制造的低成本批量化應用。任何技術的創(chuàng)新發(fā)展都有其成長軌跡，由于增材制造在數(shù)字化、輕量化、更好性能、更好設計、更利于建模模擬測試、更短制作周期等方面具有獨特優(yōu)勢，其發(fā)展?jié)摿o疑是非常巨大的。

未來，對于3D打印技術的發(fā)展，我們不可盲目樂觀，也不能妄自菲薄，需要全社會協(xié)同，“政產(chǎn)學研用金”六位一體，協(xié)同發(fā)力，共同促進3D打印技術的快速發(fā)展，助推“中國制造”向“中國智造”的發(fā)展。建議政府應出臺相關的扶持和培育政策，充分發(fā)揮政府的引導和頂層設計作用，成立3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金，推進產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、資金鏈有機融合，形成多元投入格局，建立‘沿途下蛋’機制，邊出成果邊應用，重點支持對行業(yè)具有支撐和輻射作用的研究院和龍頭企業(yè)；建立項目研究容錯機制，鼓勵有實力的高校和科研院所強強聯(lián)合，在基礎研究和原始創(chuàng)新方面重點突破，減少低水平重復研究，在成果和人才評價上更加的注重研究成果對社會、對國家的貢獻；鼓勵社會資金與政府引導資金良性互動，從項目研究、孵化、市場化等全過程給予引導和支持，相關企業(yè)應該先行動起來，看準機會，及早布局，大膽投入，在未來科技發(fā)展的競爭中贏得先機。

作者簡介

作 者

盧秉恒：院士 國家增材制造創(chuàng)新中心

編 審

孟采菽：《知識自動化》主編