3D打印

　　作为新一轮科技革命和产业变革中的代表性和颠覆性技术，3D打印(学术称为“增材制造”)的发展受到世界各国的重视。美国政府作为全球3D打印的主要推动者，自2012年设立3D打印创新中心以来，开展了大量的工作，推动了美国3D打印技术及相关产业的发展。2016年2月，美国发布了《国家制造创新网络计划：战略规划》和《国家制造创新网络计划：年度报告》。本文对3D打印创新中心3年以来取得的成绩进行了着重的介绍。借鉴和学习美国创建3D打印创新中心的经验教训，对于我国国家制造业创新中心的设立将具有重要意义。

　　一、美国制造创新网络战略规划

　　2016年2月，美国商务部部长普利兹克、总统行政办公室、国家科学与技术委员会、先进制造国家项目办公室联合向国会提交了《国家制造创新网络计划：战略规划》，列出了该计划的战略目标。总体来说就是将人、创意和技术相连接，来应对美国工业相关的先进制造业面临的挑战，从而增强工业竞争力，促进经济增长，强化国家安全，未来远景实现美国引领全球的先进制造。具体来说可以分为4个方面，包括提升竞争力、促进技术转化、加速制造劳动力、确保稳定和可持续的基础结构。

　　首先，提升美国制造的竞争力。通过培植美国在先进制造研究、创新和技术开发与部署中的领导地位，使美国生产的货品增加，提升本土制造业的竞争力。实现这一首要目标将加强美国制造商在本土和全球市场销售货品的能力。2个子目标分别为支持生产更多的美国本土制造产品;以及培育美国在先进制造研究、创新和技术方面的领导地位。

　　其次，促进创新技术向规模化、经济和高绩效的本土制造能力的转化。填补新兴技术在规模化、经济和高绩效制造部署之间的空白，该战略计划使本土制造商克服技术和经济上的障碍。该目标总体意图是，通过建立包含充足资源和聚焦工业市场的创新生态系统，减少对创新成果发展的阻碍。制造创新机构将帮助工业界克服先进制造技术的复杂性所造成的障碍。3个子目标分别为让美国制造商能够使用经验证明制造能力和资本密集型基础设施;促进用于解决先进制造挑战的最佳实践的共享与书面化;以及促进支持美国先进制造的标准与服务的发展。

　　再次，加速先进制造劳动力的发展。一个健康的制造业环境包括劳动力发展、提升的工作机会以及使美国工人工资增加的经济机遇。这一目标确定了该战略计划将如何加速发展先进制造劳动力，包括技师、高技能生产工人、制造工程师、科学家和实验室人员。5个子目标分别为科学、技术、工程和数学相关领域培养未来工人;支持、扩展和交流相关的中等和高等教育途径;包括资格鉴定与认证，支持州立、地方教育和培训的课程体系与先进制造技能组合要求的协调;高级知识工人：研究人员和工程师;以及确认下一代工人所需的能力。

　　最后，支持帮助制造创新机构稳定、可持续发展的商业模式。为最好地支持一个可生存、可持续的美国创新生态系统，每家机构都必须制定一个可持续的业务模式，向其会员带来实际效益。一家机构必须从其会员及其他渠道获取充足的支持，以独立于初期的联邦支持而存在，也就是说要形成一个由客户以及专注于机构技术领域和工业界、学术界及政府合作伙伴所组成的健康的生态系统。机构共同努力追求这一目标，才能够建立一个稳定和可持续的网络，使国家层面广泛受益。

　　二、美国3D打印中心年度报告

　　1.总体发展情况

　　相关部门在向国会提交《国家制造创新网络计划：战略规划》的同时，首份《国家制造创新网络计划：年度报告》也同步提交，对战略规划的落实情况进行了详细的介绍。在该战略规划执行3年多的时间内，共计成立了7家国家制造创新中心，3D打印创新中心作为最早成立的创新中心，成为了年度报告中的介绍重点。

　　奥巴马是美国历史上第1位把鼓励自主创新作为国家政策的总统，其上台以来，先后制定出台一系列计划和政策，从国家战略层面提出加快创新、促进美国先进制造业发展措施。2012年2月，美国国家科技委员会发布《先进制造业国家战略计划》，正式将先进制造业提升为国家战略。1个月后，奥巴马宣布实施投资10亿美元的“国家制造业创新网络”计划(NNMI)，遴选出制造领域15项具有广阔应用价值的前沿性、前瞻性的制造技术，并建立制造业创新中心，全面提升美国制造业竞争力。同年4月，3D打印被确定为首个制造业创新中心;8月，“国家3D打印创新中心”(National Additive Manufacturing Innovation Institute，NAMII)在俄亥俄州小城扬斯顿市剪彩成立;10月，创新中心正式开始运行，由非营利性机构国家国防制造与加工中心(National Center for Defense Manufacturing and Machining, NCDMM)领导。中心得到高达1.1亿美元的经费支持，其中5 500万美元来自于联邦政府(美国能源部 1 000万美元，商务部国家标准与技术研究院500万美元，国家自然科学基金会，以及美国国家航空航天局)，另外5 500万美元来自于非政府机构(在5年内计划投入资金)。

　　2.构建3D打印生态链

　　在经过3年多的发展之后，美国3D打印创新中心不仅聚集了生态系统中的不同要素，还建立了流程，使之成为一个可持续的生态系统(见图1)。这些流程使得参与的相关机构，如工业界、学术界、政府和其他组织获得收益，从而激励他们不断地参与中心的活动，并吸引新组织，加入和投资到生态系统当中。

图1. 美国3D打印创新中心生态流程图

　　科学和技术的发展板块由3D打印创新中心的会员和相关的政府机构(包括美国商务部、国防部、能源部、宇航局和自然科学基金)组成。通过开设技术路线图研讨会来确定3D打印研发需求的优先级。然后，3D打印创新中心和其会员一同工作，构建团队、进行投资、管理研发资料、分享数据、加速获得知识产权。会员形成集成项目团队来进行研究，构建供应链，来实现技术到产品的成果转化。这将提升美国制造业竞争力，推动美国工业实现制造业领域的主导，这成为科技、经济和国防主导的先决条件。同时，劳动力教育板块由3D打印创新中心的会员和相关政府机构(美国商务部、教育部和劳动部)组成，来建立劳动力培养的优先级。3D打印创新中心及其会员一起创建了劳动力发展计划路线图，明确所需的工作技能，并开发相关课程来匹配这些需求。中心会员提供的这些课程，为3D打印行业培养了具有专业技能的员工。

　　3.技术进步

　　3D打印创新中心牵头构建了先进3D打印技术的工业驱动战略路线图。该战略强调聚焦美国技术领军地位关键技术的竞争力，及相关的缺口和机遇。这包括构建设计工具、新型材料开发、下一代多材料打印设备研制以及可降低制造变化性的先进工艺控制。为了完成这些技术进步，通过频繁的搭建集成项目团队，来形成行业供应链。这其中包括技术开发商、材料和组件供应商、装备制造商和大型系统集成商。集成项目团队可形成牢固的商业关系，贯穿早期的项目技术开发，到项目结束面对实际应用及市场机遇。这种团队结构使得技术在转化为产品的过程中，供应链各层级所有单位的需求都能被了解。一个很好的例子是由诺斯洛普·格鲁门公司领导的，和其合作伙伴小型部件生产商牛津性能材料公司一起完成的可以用于航空航天飞行器的高性能聚合物材料。这个项目成功的开发传播了首个可广泛应用的任意高分子3D材料设计数据库，并和工业界分享其核心设计指南，演示了原材料回收使用的功能，从而大大降低生产成本。3D打印创新中心已经设立了31个工业驱动研发项目，如果再加上其他渠道的3D打印项目，总数达到58个。

　　4.劳动力培养

　　3D打印创新中心(以下简称“中心”)和其他一些机构合作共同开发和举办了很多劳动力的培训活动并与德勤咨询一起进行3h的线上3D打印业务基本培训，目前，已有超过1万人参加。同时，该中心与密尔沃基工程和社会学院的制造工程师们一起开设了首个3D打印和增材制造培训项目。截至2015年中，学院已经颁发了超过150个专业证书。中心与工业界合作，为1 000所中学捐赠了3D打印机，来支撑科学、技术、工程和数学(STEM)教育计划。3D打印创新中心仍在继续的推动路线图的发展，来发展未来3D打印劳动力所需的教育和培训项目。

　　5.可持续发展

　　3D打印创新中心的生态系统发展十分成功。其中的一个佐证就是创新中心会员数量的增长，涉及领域的拓展会员，以及创新中心提供服务质量的提升。目前，创新中心已具有会员单位179家，年增长率达到40%。其中，政府合作伙伴9家，白金会员19家，黄金会员53家，白金会员98家。涵盖了横跨全美3D打印全产业链主要的大型企业、中小型企业、高校、经济发展组织、国家实验室和政府机构。这些会员单位为创新中心缴纳年费，白金会员20万美元，黄金会员5万美元，以及白银会员1.5万美元。

　　作为3D打印创新中心的会员，小型企业从中获益匪浅。创新中心为小型企业的创新活动和大型企业的需求构建了一个联通的渠道。例如，通过和创新中心的其他成员合作，俄亥俄州雅芳湖的一个小型企业获得了重要的AS9100C认证，这使得该公司可以进入到高技术的供应链。公司可以为多个大公司，诸如洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼公司、通用航空和波音公司等进行供货。小型企业Optomec牵头的一个项目团队，通过嵌入设计模块开发出混合打印系统(可以进行增材和减材制造)。这可以改造任何计算机数控机床，升级使其具有3D打印的能力。对比采购一个新系统来说，这个项目的成功开发使得设备商店可将3D打印能力并入到传统设备当中，使得成本下降40%。Steelville Manufacturing公司为市场提供3D打印工具，成为了波音公司航空组件制造供应商。该公司获得了市场准入，得益于3D打印创新中心的第一个技术开发项目——密苏里科技大学牵头的“基于熔融沉积工艺的复杂复材模具制备sparse函数建模”项目。目前，已经有大约50个小型企业加入到创新中心当中，这些小型企业的年保留率高达88%。

　　认识到3D打印创新中心的国有性，促进3D打印制造技术发展的机构之后，联邦政府的相关机构开始和创新中心合作，来攻克所需的技术，以及战略路线图中的研发工作。相关的项目资料加入到分享目录中，形成资料池，提供给不同的公私相关单位，完成重要的技术目标。

　　6.创新生态系统的发展

　　创新中心的会员们展示了其直接投入的重要性，它们提供的人力对中心生态系统的创新和运营起到重要作用。例如，Raytheon公司贡献出一位3D打印的专家，她的一半时间在创新中心工作，作为路线图咨询委员会的主席和3D打印创新执行委员会的成员。美国机械工程师协会贡献出一位资深专家，指派到3D打印创新中心的劳动力教育和推广效果部门。德勤咨询贡献了其雇员，来帮助创新中心发展技术商业化流程，并评估创新中心对经济的影响性。

　　创新中心在私营公司投资方面也取得了重大的进展。Alcoa在新泽西投资了6 000万英镑建设了研发中心。它将包括最先进的3D打印中心，聚焦于原材料供给、工艺、产品设计和检测认证。该投资将推动先进的主流3D打印金属粉末的发展。通用电气公司投入了3 200万英镑在比斯堡建设了先进的3D打印工厂。该中心将帮助它们的业务部门开发3D打印以及其他创新技术。在国家层面，几个大型的企业会员都声明，它们的内部研发投资将和3D打印创新中心的技术投资路线图保持一致。2015年，创新中心在Texas大学开设了一个卫星点，这将实现创新中心的全功能运营。其中包括技术开发、技术转移、劳动力教育和培训。

　　三、美国3D打印技术路线图

　　在打造全国网络化3D打印联盟的同时，“美国制造”中心还进行了技术发展路线图的制定。该技术路线图分为5个板块，包括“设计”、“材料”、“工艺设备”、“检测认证”和“知识发展”。每个环节中都具有4～7个重点发展方向，将在2013年到2017年之间进行针对性项目布局分阶段突破。该中心依据此路线图在过去的3年中，进行了3批次，共计31个项目的布局，第3批次项目列表见附表1。目前，第4批项目正在征集的过程中。

　　然而该3D打印技术路线图一直未对外发布，直到2015年9月，公众版的路线图才在官网上公开(见图2)。可以看到，和最初的设计相比，新版的技术路线图进行了部分框架的调整。最初5个板块当中的“检测认证”和“知识发展”调整成为新版的“价值链”和“增材制造基因组”。每个子版块根据不同的技术成熟度，规划出在2014年到2018年间将要进行的3～5条重点任务。对于每一个子版块，该中心还制定了第2层级的3D打印技术路线图，与布局的项目呈现出相辅相成的效果。

图2 美国3D打印技术路线图

　　1.设计子版块

　　设计子版块的技术路线图(图3)旨在通过新型和创新的非专业设计方法和工具，以此推动先进技术的进步。从而改变设计文化理念，打破诸如铸件或机加工部件的传统设计模式流程。当前的产品设计方法是从常规制造工艺，诸如机加工、铸造、模塑、复合材料铺层等优化而来的，无法充分实现3D打印的设计自由度，体现不出其优势。因此，需要为3D打印部件寻找新的设计方法，全面探索这种技术的优势。该版块解决瓶颈的思路是，避免受到传统制造工艺所用到的专业设计工具如CAD、CAM、CAE、PLM等的束缚。重点将是开发新产品和工艺的通用设计方法，让大中小企业都能采用3D打印技术，并且得以高效利用，实现跨供应链的快速创新。

　　具体的技术路线图分为3个子方向，分别为仿生设计和制造，成本和能耗因素分析及建模，以及产品和工艺设计辅助和程序。相关影响的分析指标包括：复杂度提升、3D功能梯度材料、多种材料的集成、基于模型的检测、产品的个性化与定制。

图3. 美国3D打印设计版块技术路线图

　　2.材料子版块

　　材料子版块的技术路线图(图4)旨在构建标准3D打印性能表征数据的知识体系，消除最终材料性能变化的可能，以此推动先进技术的进步。当前的3D打印工艺和产品性能是以特定的方式进行检测表征的，这导致了相关数据包的不一致、不完整，并且产品性能出现大范围的波动、变化不定。因此，需要将相关技术数据进行规范标准化，从而减少原材料性能的上下波动。同时，建立更严格的工艺方法和操作指南，更好地实现对3D打印工艺的物理学控制，以完全实现所设计的材料微结构，减少成品材料性能的波动。该版块解决瓶颈的思路是，从控制工艺参数和最终微观结构，向控制3D打印工艺的微观层面上的基本物理过程转变，以获得一致的、可重复的微观结构，达到初始设计的预期性能。

　　具体的技术路线图分为3个子方向，分别为“非”特定3D打印技术数据包、材料性能表征以及下一代材料。相关影响的分析指标包括：原材料的标准化;基准材料性能数据;工艺-特性-结构相互关系;工艺窗口边界的确定;后处理工艺的指南与规范。

图4. 美国3D打印材料版块技术路线图

　　3.工艺子版块

　　工艺子版块的技术路线图(见图5)旨在构建更快、更精确、更高分辨率的3D打印设备，实现大批量生产并改进“如构建”部件的质量，以此推动先进技术的进步。当前3D打印的工艺能力存在局限性，这让很多部件无法在高性价比条件下实现批量生产，而且经常需要进行二次后处理，才能达到常规制造生产方法下的部件性能标准。因此，需要在诸多“机器级”技术方面进行提升，让3D打印从一个主要用于制作快速原型的技术变为一个生产型技术。该版块将重点关注“机器级”工艺性能改进所需的关键技术及相关子系统。开发一系列技术，加速并优化材料的沉积、熔化/烧结/挤压和凝固过程，并且对这些过程进行物理学控制，以提升工艺能力。

　　具体的技术路线图分为3个子方向，分别为多种材料运输与沉积系统、下一代装备、以及工艺过程温度梯度控制。相关影响的分析指标包括加工速度、精确度、细节体现性能、表面质量、 最大部件尺寸。

图5. 美国3D打印工艺版块技术路线图

　　4.价值链子版块

　　价值链子版块的技术路线图(见图6)旨在对于进入市场的3D打印制造产品，阶梯式的改善端到端价值链的成本和时间，以此推动先进技术的进步。当前3D打印技术的开发工作只是针对于价值链中和产品生命周期中的单个元素，并且采用分段的开发方式，没有运用一种整体的、系统集成的方法来降低成本、缩短周期。因此，需要开发一系列使能技术，更好地将3D打印制造的价值链和产品生命周期中的所有元素集成到一起。而且，要认识到随着更复杂的三维梯度材料和多材料部件的开发、设计和检测将会成为新的瓶颈。因此，该领域的重点将是面向整个生命周期和价值链，开发和集成高性价比的3D打印制造技术，降低3D打印制造零件的总成本，缩短上市时间。将开发快速检测/认证方法，以及从全盘角度，关注横跨整个产品“摇篮到摇篮”全生命周期的集成技术，这将包括材料和产品的回收再利用。此外，这一版块已经在国防部的“制造技术(ManTech)”计划先进制造企业(AME)投资科目中，被确认为构建单一的、集成的数字线的首要关注点。以帮助确定所需的劳动技能和使能手段，明确新型和创新快速设计及检测技术的需求，例如提高生产率的设计助手和App应用程序。

　　具体的技术路线图分为6个子方向，分别为先进感知和探测方法、数字线集成、智能装备控制方法、快速检测技术、修复技术以及标准/图表/协议。相关影响的分析指标包括工艺成本、原材料成本、质量控制成本、工人生产率成本以及能效成本。

图6. 美国3D打印价值链版块技术路线图

　　5.基因组子版块

　　基因组子版块的技术路线图(见图7)旨在阶梯式的大幅度降低3D打印设计、开发和新材料认证的成本和时间，以此推动先进技术的进步。当前的材料开发、表征与合格鉴定方法大都是基于经验和按属性线性进行。这样就造成开发和鉴定新的3D打印材料与工艺需要一定的成本、时间和风险，阻碍了大规模的技术推广与植入。因此，需要开发新的基于计算的范本，以材料基因组的方式，进行产品和工艺的并行开发，从根本上促进新材料的发现、开发和合格鉴定，降低成本并且缩短周期。该版块的重点将复制美国早前推出的“材料基因组计划”，让3D打印新材料的开发和鉴定的时间和成本都减少一半。因此，将开发新型的和创新的计算方法，例如基于物理及模型辅助的材料性能预测工具;开发对计算机预测进行验证所需的通用基准数据，以及针对材料性能表征的新型的和创新思路，为“每一个”新颖的3D打印材料-工艺组合打破开发设计流程中的壁垒。

具体的技术路线图分为3个子方向，分别为标准测试验证使用案例，模型辅助性能预测，以及基于物理学的建模和仿真。相关影响的分析指标包括：计算机辅助材料开发、模块化开放式仿真架构、访问开放透明的材料性能数据、多尺度数据管理和共享和高效的材料性能表征方法。

图7. 美国3D打印价基因组版块技术路线图

　　四、全球3D行业发展情况

　　1.技术成熟度发展进展

　　世界知名信息技术研究和分析机构高德纳(Garner)公司，在最新发布的新兴技术炒作周期报告中，对112个领域的超过2 000项新兴技术的市场类型、成熟度、商业应用及未来发展进行了评估。2015年新兴技术发展的主题为“数字化业务”，“众力聚合”(Nexus of Forces)开始显现，即移动、云、社交、大数据4方面互相连结和组合将会形成巨大力量，创造出新的巨大商机。并据此提出了具有重大潜力的37项新技术，其中位于技术萌芽期有17项，期望膨胀期有11项，泡沫谷底期有7项，稳步爬升期有2项。这些新技术会支撑“众力聚合”在后期3个阶段，即“数字化市场”“数字化业务”和“自组织”的发展。

　　对于3D打印来说，该项技术顺应了数字化发展的大潮，正在演变成为企业的“数字化业务”。在2015年的技术炒作周期图中(见图8)，3项具体技术入榜。和2014年相比，各技术所处的阶段位置变化不大。其中，“针对器官移植的3D生物打印”处在技术萌芽期，究其原因主要是其处于相对早期的研究阶段，尚未看到明显的进展。“企业级3D打印”被看好，该技术继续处于稳步爬升的光明期，并成为该图中最接近于实际生产的技术。“客户级3D打印”继续步入泡沫谷底期，向稳步爬升期迈进。值得注意的是，2015年入围的“3D生物打印系统”和“3D扫描仪”2项技术脱离曲线。这并不意味着离开曲线的技术不重要，而是不再“新兴”已经逐渐融入人们的生活。

　　对于3D打印细分技术来说，2015年的入榜技术增加到23项，相比2014年增加7项(见图8)。首先，萌芽期技术包括9项。其中新入围技术2项，分别为“消费产品3D打印”和“3D打印辅助臀部/膝盖移植”。2014年入围的“3D生物打印系统”被细化为“生命科学研发的3D生物打印”和“器官移植用3D生物打印系统”。已有的5项技术，“知识产权保护(3D打印)”、“大型3D打印”、“教学3D打印”、零售业3D打印”和“油气开发用3D打印”技术则依然维持在该阶段。其次，期望膨胀期技术包括3项。“工业级3D打印”和“3D打印供应链”在一年的时间里从萌芽期步入到了期望膨胀期，而“3D打印医疗器件”小幅度向前推进。再次，泡沫谷底期技术包括3项。“3D打印牙科器件”是新入围的，同时也是位于该阶段后期的技术。2项从期望膨胀期步入到泡沫谷底期的技术为“3D打印进入到制造工艺流程”和“消费级3D打印”。随后，2014年位于稳步爬升期技术的4项，“3D扫描设备”，“3D打印服务机构”，“3D打印软件开发”，“企业级3D打印”小幅进步。最后，成熟期技术的2项，其中包括新入围的“3D打印听力器件”和已有的“3D打印样品原型”。

　　总体来看，3D各项细分领域技术稳步向前推进。新入榜单的技术几乎被3D生物打印细分领域，以及3D打印在生物医疗领域的应用所垄断，显示出3D打印在个性化医疗方面的优势。

图8. 高德纳3D打印细分领域技术炒作周期

　　2.产业总体情况

　　根据3D打印业内著名咨询机构美国沃勒斯事务所(Wohlers Associates)公司最先发布的3D打印报告。2015年，全球3D打印总产值达到51.65亿美元。相比2014年的41亿美元，年增长率达到25.9%，这其中包括的3D打印产品和3D打印服务2个方面的总产值。近3年的复合增长率达到31.5%，过去27年的复合增长率高达了惊人的26.2%。

　　该报告同时披露，2015年工业级3D打印系统(价格高于5000美元)的制造销售商从2014年的49个增长到62个，这个数字是2011年的2倍。金属3D打印的领军企业为德国EOS公司， 美国3D Systems公司，德国 Concept Laser公司和美国Optomec公司等。然而近些年，一些新进者发展较为迅速，其中包括日本东芝公司，以色列初创公司 XJet等。同时，2015年桌面级3D打印机(价格低于5000美元)的销量快速增长，达到27.8万台。相比2014年销售量的16.0万台，增长11.8万台，年增长率超过70%。从2010年到2015年，桌面级3D打印机的市场发展迅速，增长呈现出从水平向垂直发展的趋势。桌面级3D打印机销量的快速增长要归功于美国Stratasys公司、荷兰Ultimaker公司、台湾XYZPrinting公司以及其他公司。他们的努力使得桌面级3D打印机的性价比得以提升，对其普及作出了重大的贡献。预计目前出货的3D打印机，85%都属于桌面级3D打印机。

　　发展3D打印这种颠覆性技术，需要从战略角度统筹规划和布局。首先，从设计端入手，最大限度地发挥3D打印的设计自由度优势;其次，开发3D打印专用的各种金属、高分子、无机非金属等新材料，满足不同类型产品的性能要求;再次，研制先进的3D打印装备，满足不同生产工艺要求，提高批量化生产的精密度和稳定性;第四要从人才端入手，培养专业化人才;最后要搭建更多开放式服务平台，深化“3D打印+”，促进3D打印与传统产业紧密结合。唯有此，3D打印技术才可能尽快走出应用市场的“最后一公里”，这需要政府有关部门相关扶持政策，鼓励原始创新，鼓励用户与3D打印服务平台结合。

[时间：2017-04-06  来源：新材料产业]