國(guó)內(nèi)增材制造（3D打?。┘夹g(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與研究趨勢(shì)

摘要：增材制造又稱3D打印，由于具有個(gè)性化、高難度、復(fù)雜化等優(yōu)勢(shì)，引起國(guó)內(nèi)各方廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是“中國(guó)制造2025”的支柱。文章介紹了國(guó)內(nèi)增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國(guó)內(nèi)增材制造行業(yè)目前面臨的問(wèn)題，探討了國(guó)內(nèi)增材制造的研究趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：增材制造技術(shù)；3D打??；中國(guó)制造2025；發(fā)展趨勢(shì)；快速成型技術(shù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TG669 文章編號(hào)：1009-2374（2016）24-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.013

增材制造技術(shù)又稱“快速成型技術(shù)”或“3D打印技術(shù)”，其中“快速成型”和“增材制造”的提法主要用于學(xué)術(shù)專業(yè)領(lǐng)域，而“3D打印”提法則更加淺顯易懂。增材制造技術(shù)是通過(guò)CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)，相較對(duì)于傳統(tǒng)的材料去除（切削加工）技術(shù)，是一種“自上而下”材料累加的制造方法。隨著技術(shù)的不斷成熟，3D打印技術(shù)越來(lái)越多地在制造、醫(yī)療、文創(chuàng)、航空航天等產(chǎn)業(yè)中得到應(yīng)用。隨著《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015～2016年）》和《中國(guó)制造2025》相繼出臺(tái)，增材制造技術(shù)正越來(lái)越受到關(guān)注。本文將對(duì)國(guó)內(nèi)增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行概括綜述，分析增材制造行業(yè)目前面臨的問(wèn)題，并探討增材制造研究趨勢(shì)。

1 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

增材制造技術(shù)，在美國(guó)于19世紀(jì)末出現(xiàn)，并在20世紀(jì)80年代得到實(shí)現(xiàn)與發(fā)展。自20世紀(jì)90年代傳入我國(guó)，受到國(guó)內(nèi)高校與科研機(jī)構(gòu)的重視。增材制造技術(shù)在我國(guó)發(fā)展已有30年，但是近年來(lái)才為人們廣泛熟知。無(wú)論是增材制造設(shè)備，還是新型材料的研發(fā)以及與傳統(tǒng)制造相結(jié)合的衍生技術(shù)，國(guó)內(nèi)均有研究并且取得突破?，F(xiàn)今，增材制造在“中國(guó)制造2025”推動(dòng)下，正迎來(lái)前所未有的機(jī)遇期，眾多高校、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)甚至各地方政府都積極參與其中。

1.1 高校和科研機(jī)構(gòu)方面

在增材制造技術(shù)的研究中，我國(guó)國(guó)內(nèi)高校和科研機(jī)構(gòu)起步也比較早。早在20世紀(jì)90年代初，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校就開(kāi)始了對(duì)增材制造的研究。各高校均有其不同的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其中華中科技大學(xué)的優(yōu)勢(shì)在于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS），清華大學(xué)側(cè)重熔融沉積成型技術(shù)（FDM），北京航空大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)主要集中在金屬領(lǐng)域，西安交通大學(xué)則主要集中在立體光固化成型技術(shù)（SLA）。形成了以清華大學(xué)顏永年團(tuán)隊(duì)、北京航空航天大學(xué)王華明團(tuán)隊(duì)、華中科技大學(xué)史玉升團(tuán)隊(duì)、西安交通大學(xué)盧秉恒團(tuán)隊(duì)、西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)、華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)團(tuán)隊(duì)為代表的科研團(tuán)體，代表著中國(guó)增材制造技術(shù)研究的最高水平。此外，大連理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、中北大學(xué)以及中科院深圳先進(jìn)研究院、自動(dòng)化所等科研機(jī)構(gòu)也都在設(shè)備研制、軟件開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品制造和材料研發(fā)等領(lǐng)域開(kāi)展了一系列的研究。高校科研機(jī)構(gòu)的研究成果一般會(huì)通過(guò)相關(guān)公司進(jìn)行吸收與轉(zhuǎn)化，并為企業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1.2 公司方面

科研機(jī)構(gòu)研究成果的應(yīng)用最終要通過(guò)企業(yè)對(duì)接市場(chǎng)完成。增材制造行業(yè)市場(chǎng)潛能巨大，吸引了眾多公司參與其中。目前，國(guó)內(nèi)從事增材制造行業(yè)的公司大致可以分為兩類：一類是傳統(tǒng)制造行業(yè)轉(zhuǎn)型而來(lái)的公司，這些公司往往具有雄厚的資金支持；另一類是海外歸國(guó)或高?？蒲袡C(jī)構(gòu)人員組成的公司，這些公司掌握著核心技術(shù)。

2 國(guó)內(nèi)增材制造發(fā)展面臨的問(wèn)題

2.1 材料方面

增材制造技術(shù)的核心在于材料，打印材料的性能決定著產(chǎn)品的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能以及粗糙度、穩(wěn)定性和相容性等其他特殊性能。材料價(jià)格也是一個(gè)繞不開(kāi)的話題，以工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的鈦合金粉末為例，每公斤的價(jià)格為5000元左右。目前，我國(guó)增材制造材料缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)有能力生產(chǎn)增材制造材料的公司很少，尤其是金屬、光固化等材料主要依賴進(jìn)口，費(fèi)用高。

2.2 制造精度與打印速度方面

由于增材制造是分層疊加制造而成，這就引起了成品臺(tái)階效應(yīng)的產(chǎn)生。這不僅影響了成品的美觀，同時(shí)不可避免地造成精度上的偏差。在增材制造產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，影響產(chǎn)品精度是多方面的，如設(shè)備本身精度、材料性能、工藝參數(shù)的設(shè)定、產(chǎn)品翹曲等。對(duì)于增材制造，精度和速度有時(shí)是一對(duì)矛盾體。制造精度與打印速度之間的矛盾：分層厚度小，模型精度有保證，但打印時(shí)間長(zhǎng)；反之，打印時(shí)間縮短，但易導(dǎo)致模型階梯誤差大。有時(shí)為了保證打印的精度，不得不以犧牲速度為代價(jià)。

2.3 知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面

增材制造顛覆了傳統(tǒng)制造行業(yè)，并且已經(jīng)開(kāi)始挑戰(zhàn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。如果物品可以用電子文件來(lái)表述，就會(huì)容易復(fù)制和傳播，當(dāng)然盜版等侵權(quán)現(xiàn)象也會(huì)隨之出現(xiàn)。發(fā)明創(chuàng)造有三類：發(fā)明、實(shí)用新型和外觀設(shè)計(jì)。發(fā)明和實(shí)用新型注重物體結(jié)構(gòu)，而外觀設(shè)計(jì)則注重物體外形。增材制造涉及物體結(jié)構(gòu)和外形，因此增材制造與知識(shí)產(chǎn)權(quán)關(guān)系密切。同時(shí)增材制造還涉及專利法、著作權(quán)法、商標(biāo)法等法律法規(guī)。增材制造作為一個(gè)新興的行業(yè)，正處于快速發(fā)展時(shí)期，而目前關(guān)于知識(shí)產(chǎn)權(quán)的法律法規(guī)還存在著一些滯后性。

2.4 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面

增材制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的缺失是目前國(guó)內(nèi)增材制造行業(yè)亂象叢生的根源。目前，在世界范圍內(nèi)也沒(méi)有關(guān)于增材制造行業(yè)完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這就導(dǎo)致了畸形擴(kuò)張、惡性競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題的出現(xiàn)，這一點(diǎn)在中國(guó)國(guó)內(nèi)顯得尤為明顯。在增材制造行業(yè)中，我國(guó)經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，已經(jīng)涌現(xiàn)出以湖南華曙高科技有限責(zé)任公司為代表，擁有行業(yè)發(fā)言權(quán)的企業(yè)。這些企業(yè)應(yīng)該積極參與國(guó)際國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，推動(dòng)我國(guó)領(lǐng)先領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，從而更好地規(guī)范行業(yè)發(fā)展。

2.5 安全方面

增材制造在安全方面的問(wèn)題，主要包括兩個(gè)方面：第一，打印材料有害。以目前最為常用光固化材料為例，它含有揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC），對(duì)環(huán)境及人體健康有一定的損害；第二，打印產(chǎn)品危害國(guó)家安全。2012年，25歲的美國(guó)大學(xué)生威爾森利用增材制造技術(shù)制造了手槍，并且把關(guān)于打印手槍的完整數(shù)據(jù)包上傳到網(wǎng)上。這就意味著任何人都可以在家中進(jìn)行打印，由此引發(fā)了關(guān)于安全方面的討論。

2.6 尺寸方面

國(guó)內(nèi)增材制造設(shè)備一直面臨著裝備成型尺寸小、生產(chǎn)零件受限、無(wú)法滿足大型工業(yè)設(shè)備的現(xiàn)象。目前世界上最大的3D打印機(jī)，工作面尺寸也僅僅為400毫米×400毫米。由重慶大學(xué)牽頭的“3D打印關(guān)鍵技術(shù)與裝備研制”項(xiàng)目，計(jì)劃制造出工作面尺寸為2米×2米的3D打印機(jī)，屆時(shí)該問(wèn)題將會(huì)得到有效解決。

3 增材制造研究趨勢(shì)

3.1 集成化

增材制造是高端制造業(yè)的重點(diǎn)方向，在制造業(yè)中居于核心位置。增材制造應(yīng)包括制造工藝、核心元器件和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及智能化系統(tǒng)集成。同時(shí)將增材制造與傳統(tǒng)制造相結(jié)合，使增材制造成為傳統(tǒng)制造的補(bǔ)充與拓展。

3.2 精度化與快速化

提高產(chǎn)品的制造精度和打印速度，將會(huì)成為未來(lái)增材制造設(shè)備一個(gè)重要發(fā)展方向。增材制造技術(shù)自從誕生以來(lái)，一直沿用逐層堆積加工的方式，這一思想在大多數(shù)增材制造設(shè)備中都能得以體現(xiàn)。但是這種方法會(huì)面臨一個(gè)矛盾現(xiàn)象：精度提高速度下降，速度提高精度下降。我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展需要二者兼得，通過(guò)將精度與速度雙提高，來(lái)增加產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

3.3 材料通用化、專業(yè)化和多樣化

目前，國(guó)內(nèi)增材制造行業(yè)面臨著材料種類少，不能通用，質(zhì)量沒(méi)有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象。未來(lái)增材制造材料應(yīng)當(dāng)克服這些問(wèn)題，朝著通用化、專業(yè)化和多樣化的方向發(fā)展。首先，材料通用化，可以使同一材料用于多種設(shè)備；其次，材料專業(yè)化，規(guī)范材料標(biāo)準(zhǔn)，保障材料的穩(wěn)定性；最后，材料多樣化，增加增材制造材料種類，滿足不同產(chǎn)品需求。

4 結(jié)語(yǔ)

增材制造技術(shù)正在成為我國(guó)制造業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展與完善，該技術(shù)應(yīng)用范圍將非常廣闊，并對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)生重要影響。增材制造技術(shù)有利于“中國(guó)制造2025”計(jì)劃的推進(jìn)，并將為我國(guó)制造強(qiáng)國(guó)的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧秉恒，李滌塵.增材制造（3D打?。┘夹g(shù)發(fā)展[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，（4）.

[2] 陳雪.3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的發(fā)展應(yīng)用[J].廣東科技，2014，（15）.

[3] 李堅(jiān)，許民，包文慧.影響未來(lái)的顛覆性技術(shù)：多元材料混合智造的3D打印[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（6）.

[4] 杜宇雷，孫菲菲，原光，翟世先，翟海平.3D打印材料的發(fā)展現(xiàn)狀[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，（1）.

[5] 李金華，張建李，姚芳萍，蘇智超.3D打印精度影響因素及翹曲分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2014，（21）.

[6] 劉利剛，徐文鵬，王偉明，楊周旺，劉秀平.3D打印中的幾何計(jì)算研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2015，（6）.

[7] 王剛.知識(shí)產(chǎn)權(quán)視角下的3D打印技術(shù)[J].電視技術(shù)，2013，（37）.

[8] 晁兵.企業(yè)專利申請(qǐng)的過(guò)程控制[J].中國(guó)涂料，2010，（7）.

[9] 國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015～2016年）

[J].電加工與模具，2015，（8）.

[10] 朱俊飛，周美華.光引發(fā)劑的生產(chǎn)現(xiàn)狀[J].精細(xì)與專用化學(xué)品，2003，（19）.

作者簡(jiǎn)介：伏欣（1995-），男，江蘇揚(yáng)州人，蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院本科在讀學(xué)生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）