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國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心：增材制造技術(shù)影響深遠(yuǎn)

2023-03-29

增材制造（AdditiveManufacturing，AM）也稱(chēng)3D打印技術(shù)，是指利用計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、塑料、細(xì)胞組織等材料逐層堆積，制造出實(shí)體產(chǎn)品的技術(shù)。近年來(lái)，增材制造技術(shù)迅速發(fā)展，并逐漸在全球制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。本文旨在通過(guò)列舉事實(shí)和數(shù)據(jù)，展現(xiàn)增材制造當(dāng)前的發(fā)展現(xiàn)狀，分析新技術(shù)給制造業(yè)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，說(shuō)明未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

一、增材制造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

增材制造技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，已在航空航天、生物醫(yī)療和國(guó)防軍工等領(lǐng)域獲得應(yīng)用，并逐步向更多領(lǐng)域拓展。通過(guò)增材制造技術(shù)，越來(lái)越多的領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了降低成本和提高效率。

（一）航空航天領(lǐng)域

航空航天領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的性能要求高、減重需求大、成本不敏感，部分零部件非常適合采用增材制造技術(shù)，是近年來(lái)該技術(shù)應(yīng)用最多的領(lǐng)域。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）已對(duì)增材制造技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了整體布局，并探索了幾乎所有的金屬3D打印工藝。2021年5月，NASA工程人員利用增材制造技術(shù)制造出首個(gè)全尺寸銅合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件。2022年10月，通用（GE）航空集團(tuán)使用金屬3D打印工藝，將150多個(gè)零件合并為1個(gè)直徑為1米的高溫合金部件。2023年3月，全球首枚全3D打印火箭RelativitySpaceTerran1成功飛過(guò)Max-Q階段，達(dá)到預(yù)定關(guān)鍵目標(biāo)，是增材制造技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的重要里程碑。

（二）生物醫(yī)療領(lǐng)域

增材制造產(chǎn)品可以按需定制，且制造周期短，非常適合應(yīng)用于骨科、牙科植入物等生物醫(yī)療領(lǐng)域。同時(shí)，增材制造技術(shù)也促進(jìn)了生物領(lǐng)域的科研創(chuàng)新。2022年2月，荷蘭烏得勒支大學(xué)研究人員使用超快體積3D生物打印方法制造出功能性肝臟。哈佛醫(yī)學(xué)院和四川大學(xué)合作利用低溫生物3D打印技術(shù)制造出活體人類(lèi)肌腱。2022年6月，美國(guó)3DBioTherapeutics公司使用3D細(xì)胞打印的活體組織植入物為一名右耳小耳畸形的患者重建了外耳。2022年8月，印度首個(gè)3D打印眼角膜成功通過(guò)動(dòng)物測(cè)試。2022年12月，法國(guó)醫(yī)療機(jī)構(gòu)利用3D生物打印技術(shù)完成鼻癌患者鼻子重建手術(shù)。2023年3月，美國(guó)麻省理工學(xué)院研究人員開(kāi)發(fā)出一種3D打印心臟復(fù)制品的方法，提高心臟瓣膜置換手術(shù)的成功率。

（三）國(guó)防軍工領(lǐng)域

增材制造技術(shù)可以滿足軍工產(chǎn)品對(duì)制造速度、制造成本和產(chǎn)品重量的更高要求，各國(guó)防務(wù)部門(mén)廣泛采用。2023年2月，美國(guó)海軍戰(zhàn)略潛艇項(xiàng)目執(zhí)行辦公室（PEOSSBN）執(zhí)行主任MattSermon稱(chēng)軍用造船的未來(lái)取決于金屬增材制造，美國(guó)海軍將繼續(xù)加大增材制造技術(shù)的部署力度。2022年7月，美國(guó)海軍在“黃蜂級(jí)”兩棲攻擊艦第2號(hào)艦上安裝了施樂(lè)液態(tài)金屬3D打印機(jī)，這是美國(guó)海軍艦艇上部署的第一臺(tái)金屬增材制造裝備。2022年7月，英國(guó)皇家空軍利用增材制造技術(shù)創(chuàng)建出一支無(wú)人機(jī)機(jī)隊(duì)。該機(jī)隊(duì)可快速部署，攜帶了彈藥，能摧毀戰(zhàn)略目標(biāo)。2023年2月，美國(guó)海軍授權(quán)采用IperionX的回收再制造鈦合金粉末為艦船3D打印出泵組件。2023年3月，澳大利亞制造商N(yùn)upress公司與SPEE3D公司簽署合作協(xié)議，將為澳大利亞AAI公司水陸兩棲飛機(jī)項(xiàng)目提供3D打印定制模型和部件。

二、增材制造技術(shù)發(fā)展影響深遠(yuǎn)

增材制造技術(shù)將改變傳統(tǒng)制造模式和供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的制造模式是靠大批量生產(chǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，而增材制造技術(shù)則支持小批量生產(chǎn)，使得定制化生產(chǎn)成為可能。利用增材制造技術(shù)，制造商不僅能夠更靈活地響應(yīng)客戶需求，還能更快地推出新產(chǎn)品，提高生產(chǎn)效率，將對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和分銷(xiāo)方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

（一）增材制造將改變產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方式

傳統(tǒng)制造方法的產(chǎn)品設(shè)計(jì)受模具和工具限制，而增材制造技術(shù)的數(shù)字設(shè)計(jì)過(guò)程可以根據(jù)個(gè)性化需求進(jìn)行全方位定制。例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，利用增材制造技術(shù)，醫(yī)療器械商可以生產(chǎn)出根據(jù)患者特點(diǎn)定制的骨科植入物、脊柱側(cè)彎矯形器、助聽(tīng)器等，大大提高患者適配度和術(shù)后愈合速度。

（二）增材制造將改變產(chǎn)品的生產(chǎn)方式

增材制造可以以較小的規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品，使其成為原型制作和小批量生產(chǎn)的理想選擇。這不僅能解決小批量定制化成本高的問(wèn)題，還縮短了制造時(shí)間，為小微企業(yè)和初創(chuàng)公司提供了新機(jī)遇。例如，美國(guó)珍珠（AmericanPearl）等多家珠寶公司已經(jīng)將增材制造技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)的黃金珠寶首飾生產(chǎn)中。借助增材制造技術(shù)，一款按消費(fèi)者個(gè)性化需求定制的珠寶首飾可在一周內(nèi)完成設(shè)計(jì)、制造和配送服務(wù)，大大改變了珠寶產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷(xiāo)售方式。

（三）增材制造將改變供應(yīng)鏈結(jié)構(gòu)

由于增材制造技術(shù)可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)或不便采用傳統(tǒng)制造方法的地區(qū)生產(chǎn)產(chǎn)品，對(duì)于解決偏遠(yuǎn)地區(qū)生產(chǎn)能力不足和設(shè)備零件供應(yīng)不及時(shí)的問(wèn)題具有重要意義。例如，通用電氣已經(jīng)采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)出燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的替換部件，并用于石油和天然氣鉆井平臺(tái)。此外，英國(guó)謝菲爾德大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種3D打印無(wú)線電天線的方法，可以為偏遠(yuǎn)地區(qū)的人們提供更強(qiáng)的手機(jī)信號(hào)和更快的互聯(lián)網(wǎng)連接。增材制造技術(shù)的普及將帶來(lái)更加分散的供應(yīng)鏈，可在更靠近用戶的地方生產(chǎn)產(chǎn)品，減少對(duì)運(yùn)輸和物流的需求。

三、增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

按照技術(shù)發(fā)展的Gartner曲線，一項(xiàng)新技術(shù)的生命周期將歷經(jīng)誕生、過(guò)熱、低谷，到最終被人們接受。增材制造技術(shù)已出現(xiàn)多年，隨著時(shí)代發(fā)展不斷取得新的突破。憑借其研發(fā)制造周期短、材料利用率高、節(jié)省人工和產(chǎn)線建設(shè)等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)愈發(fā)受到關(guān)注，目前處于快速發(fā)展階段。預(yù)計(jì)未來(lái)增材制造技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⒊尸F(xiàn)多樣化、規(guī)模化和智能化的趨勢(shì)。

多樣化。目前，增材制造技術(shù)已經(jīng)能夠使用金屬、塑料、生物材料等多種材料進(jìn)行打印，并能夠?qū)崿F(xiàn)不同材料之間的混合。未來(lái)，增材制造技術(shù)或?qū)⑦M(jìn)一步提高材料的選擇性和組合性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多功能的打印效果。

規(guī)模化。目前，增材制造技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了部分大尺寸物體的打印，包括房屋建筑、飛行器大型零部件等。未來(lái)，增材制造技術(shù)或?qū)⒃谔岣叽蛴∷俣群途鹊耐瑫r(shí)進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)大尺寸、一體化制造。

智能化。目前，人工智能（AI）技術(shù)已經(jīng)在增材制造領(lǐng)域被用于篩選部件、生成復(fù)雜設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制等方面。隨著以ChatGPT為代表的新一代AI技術(shù)取得突破性進(jìn)展，AI與增材制造的深度融合將進(jìn)一步提高增材制造的效率和質(zhì)量。

研究所簡(jiǎn)介

國(guó)際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所（IITE）成立于1985年11月，是隸屬于國(guó)務(wù)院發(fā)展研究中心的非營(yíng)利性研究機(jī)構(gòu)，主要職能是研究我國(guó)經(jīng)濟(jì)、科技社會(huì)發(fā)展中的重大政策性、戰(zhàn)略性、前瞻性問(wèn)題，跟蹤和分析世界科技、經(jīng)濟(jì)發(fā)展態(tài)勢(shì)，為中央和有關(guān)部委提供決策咨詢服務(wù)。“全球技術(shù)地圖”為國(guó)際技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所官方微信賬號(hào)，致力于向公眾傳遞前沿技術(shù)資訊和科技創(chuàng)新洞見(jiàn)。

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