美國3D打印創(chuàng)新中心發(fā)展進(jìn)展概覽

作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革中的代表性和顛覆性技術(shù)，3D打印(學(xué)術(shù)稱為“增材制造”)的發(fā)展受到世界各國的重視。美國政府作為全球3D打印的主要推動者，自2012年設(shè)立3D打印創(chuàng)新中心以來，開展了大量的工作，推動了美國3D打印技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2016年2月，美國發(fā)布了《國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃：戰(zhàn)略規(guī)劃》和《國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃：年度報告》。本文對3D打印創(chuàng)新中心3年以來取得的成績進(jìn)行了著重的介紹。借鑒和學(xué)習(xí)美國創(chuàng)建3D打印創(chuàng)新中心的經(jīng)驗教訓(xùn)，對于我國國家制造業(yè)創(chuàng)新中心的設(shè)立將具有重要意義。

一、美國制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略規(guī)劃

2016年2月，美國商務(wù)部部長普利茲克、總統(tǒng)行政辦公室、國家科學(xué)與技術(shù)委員會、先進(jìn)制造國家項目辦公室聯(lián)合向國會提交了《國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃：戰(zhàn)略規(guī)劃》，列出了該計劃的戰(zhàn)略目標(biāo)�？傮w來說就是將人、創(chuàng)意和技術(shù)相連接，來應(yīng)對美國工業(yè)相關(guān)的先進(jìn)制造業(yè)面臨的挑戰(zhàn)，從而增強(qiáng)工業(yè)競爭力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長，強(qiáng)化國家安全，未來遠(yuǎn)景實現(xiàn)美國引領(lǐng)全球的先進(jìn)制造。具體來說可以分為4個方面，包括提升競爭力、促進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化、加速制造勞動力、確保穩(wěn)定和可持續(xù)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

首先，提升美國制造的競爭力。通過培植美國在先進(jìn)制造研究、創(chuàng)新和技術(shù)開發(fā)與部署中的領(lǐng)導(dǎo)地位，使美國生產(chǎn)的貨品增加，提升本土制造業(yè)的競爭力。實現(xiàn)這一首要目標(biāo)將加強(qiáng)美國制造商在本土和全球市場銷售貨品的能力。2個子目標(biāo)分別為支持生產(chǎn)更多的美國本土制造產(chǎn)品;以及培育美國在先進(jìn)制造研究、創(chuàng)新和技術(shù)方面的領(lǐng)導(dǎo)地位。

其次，促進(jìn)創(chuàng)新技術(shù)向規(guī)�；�、經(jīng)濟(jì)和高績效的本土制造能力的轉(zhuǎn)化。填補(bǔ)新興技術(shù)在規(guī)�；�、經(jīng)濟(jì)和高績效制造部署之間的空白，該戰(zhàn)略計劃使本土制造商克服技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的障礙。該目標(biāo)總體意圖是，通過建立包含充足資源和聚焦工業(yè)市場的創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，減少對創(chuàng)新成果發(fā)展的阻礙。制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)將幫助工業(yè)界克服先進(jìn)制造技術(shù)的復(fù)雜性所造成的障礙。3個子目標(biāo)分別為讓美國制造商能夠使用經(jīng)驗證明制造能力和資本密集型基礎(chǔ)設(shè)施;促進(jìn)用于解決先進(jìn)制造挑戰(zhàn)的最佳實踐的共享與書面化;以及促進(jìn)支持美國先進(jìn)制造的標(biāo)準(zhǔn)與服務(wù)的發(fā)展。

再次，加速先進(jìn)制造勞動力的發(fā)展。一個健康的制造業(yè)環(huán)境包括勞動力發(fā)展、提升的工作機(jī)會以及使美國工人工資增加的經(jīng)濟(jì)機(jī)遇。這一目標(biāo)確定了該戰(zhàn)略計劃將如何加速發(fā)展先進(jìn)制造勞動力，包括技師、高技能生產(chǎn)工人、制造工程師、科學(xué)家和實驗室人員。5個子目標(biāo)分別為科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域培養(yǎng)未來工人;支持、擴(kuò)展和交流相關(guān)的中等和高等教育途徑;包括資格鑒定與認(rèn)證，支持州立、地方教育和培訓(xùn)的課程體系與先進(jìn)制造技能組合要求的協(xié)調(diào);高級知識工人：研究人員和工程師;以及確認(rèn)下一代工人所需的能力。

最后，支持幫助制造創(chuàng)新機(jī)構(gòu)穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展的商業(yè)模式。為最好地支持一個可生存、可持續(xù)的美國創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)，每家機(jī)構(gòu)都必須制定一個可持續(xù)的業(yè)務(wù)模式，向其會員帶來實際效益。一家機(jī)構(gòu)必須從其會員及其他渠道獲取充足的支持，以獨立于初期的聯(lián)邦支持而存在，也就是說要形成一個由客戶以及專注于機(jī)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域和工業(yè)界、學(xué)術(shù)界及政府合作伙伴所組成的健康的生態(tài)系統(tǒng)。機(jī)構(gòu)共同努力追求這一目標(biāo)，才能夠建立一個穩(wěn)定和可持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，使國家層面廣泛受益。

二、美國3D打印中心年度報告

1.總體發(fā)展情況
相關(guān)部門在向國會提交《國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃：戰(zhàn)略規(guī)劃》的同時，首份《國家制造創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃：年度報告》也同步提交，對戰(zhàn)略規(guī)劃的落實情況進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。在該戰(zhàn)略規(guī)劃執(zhí)行3年多的時間內(nèi)，共計成立了7家國家制造創(chuàng)新中心，3D打印創(chuàng)新中心作為最早成立的創(chuàng)新中心，成為了年度報告中的介紹重點。

奧巴馬是美國歷史上第1位把鼓勵自主創(chuàng)新作為國家政策的總統(tǒng)，其上臺以來，先后制定出臺一系列計劃和政策，從國家戰(zhàn)略層面提出加快創(chuàng)新、促進(jìn)美國先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展措施。2012年2月，美國國家科技委員會發(fā)布《先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃》，正式將先進(jìn)制造業(yè)提升為國家戰(zhàn)略。1個月后，奧巴馬宣布實施投資10億美元的“國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計劃(NNMI)，遴選出制造領(lǐng)域15項具有廣闊應(yīng)用價值的前沿性、前瞻性的制造技術(shù)，并建立制造業(yè)創(chuàng)新中心，全面提升美國制造業(yè)競爭力。同年4月，3D打印被確定為首個制造業(yè)創(chuàng)新中心;8月，“國家3D打印創(chuàng)新中心”(National Additive Manufacturing Innovation Institute，NAMII)在俄亥俄州小城揚(yáng)斯頓市剪彩成立;10月，創(chuàng)新中心正式開始運行，由非營利性機(jī)構(gòu)國家國防制造與加工中心(National Center for Defense Manufacturing and Machining, NCDMM)領(lǐng)導(dǎo)。中心得到高達(dá)1.1億美元的經(jīng)費支持，其中5 500萬美元來自于聯(lián)邦政府(美國能源部 1 000萬美元，商務(wù)部國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院500萬美元，國家自然科學(xué)基金會，以及美國國家航空航天局)，另外5 500萬美元來自于非政府機(jī)構(gòu)(在5年內(nèi)計劃投入資金)。

2.構(gòu)建3D打印生態(tài)鏈
在經(jīng)過3年多的發(fā)展之后，美國3D打印創(chuàng)新中心不僅聚集了生態(tài)系統(tǒng)中的不同要素，還建立了流程，使之成為一個可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)(見圖1)。這些流程使得參與的相關(guān)機(jī)構(gòu)，如工業(yè)界、學(xué)術(shù)界、政府和其他組織獲得收益，從而激勵他們不斷地參與中心的活動，并吸引新組織，加入和投資到生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)中。

圖1. 美國3D打印創(chuàng)新中心生態(tài)流程圖

科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展板塊由3D打印創(chuàng)新中心的會員和相關(guān)的政府機(jī)構(gòu)(包括美國商務(wù)部、國防部、能源部、宇航局和自然科學(xué)基金)組成。通過開設(shè)技術(shù)路線圖研討會來確定3D打印研發(fā)需求的優(yōu)先級。然后，3D打印創(chuàng)新中心和其會員一同工作，構(gòu)建團(tuán)隊、進(jìn)行投資、管理研發(fā)資料、分享數(shù)據(jù)、加速獲得知識產(chǎn)權(quán)。會員形成集成項目團(tuán)隊來進(jìn)行研究，構(gòu)建供應(yīng)鏈，來實現(xiàn)技術(shù)到產(chǎn)品的成果轉(zhuǎn)化。這將提升美國制造業(yè)競爭力，推動美國工業(yè)實現(xiàn)制造業(yè)領(lǐng)域的主導(dǎo)，這成為科技、經(jīng)濟(jì)和國防主導(dǎo)的先決條件。同時，勞動力教育板塊由3D打印創(chuàng)新中心的會員和相關(guān)政府機(jī)構(gòu)(美國商務(wù)部、教育部和勞動部)組成，來建立勞動力培養(yǎng)的優(yōu)先級。3D打印創(chuàng)新中心及其會員一起創(chuàng)建了勞動力發(fā)展計劃路線圖，明確所需的工作技能，并開發(fā)相關(guān)課程來匹配這些需求。中心會員提供的這些課程，為3D打印行業(yè)培養(yǎng)了具有專業(yè)技能的員工。

3.技術(shù)進(jìn)步
3D打印創(chuàng)新中心牽頭構(gòu)建了先進(jìn)3D打印技術(shù)的工業(yè)驅(qū)動戰(zhàn)略路線圖。該戰(zhàn)略強(qiáng)調(diào)聚焦美國技術(shù)領(lǐng)軍地位關(guān)鍵技術(shù)的競爭力，及相關(guān)的缺口和機(jī)遇。這包括構(gòu)建設(shè)計工具、新型材料開發(fā)、下一代多材料打印設(shè)備研制以及可降低制造變化性的先進(jìn)工藝控制。為了完成這些技術(shù)進(jìn)步，通過頻繁的搭建集成項目團(tuán)隊，來形成行業(yè)供應(yīng)鏈。這其中包括技術(shù)開發(fā)商、材料和組件供應(yīng)商、裝備制造商和大型系統(tǒng)集成商。集成項目團(tuán)隊可形成牢固的商業(yè)關(guān)系，貫穿早期的項目技術(shù)開發(fā)，到項目結(jié)束面對實際應(yīng)用及市場機(jī)遇。這種團(tuán)隊結(jié)構(gòu)使得技術(shù)在轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過程中，供應(yīng)鏈各層級所有單位的需求都能被了解。一個很好的例子是由諾斯洛普·格魯門公司領(lǐng)導(dǎo)的，和其合作伙伴小型部件生產(chǎn)商牛津性能材料公司一起完成的可以用于航空航天飛行器的高性能聚合物材料。這個項目成功的開發(fā)傳播了首個可廣泛應(yīng)用的任意高分子3D材料設(shè)計數(shù)據(jù)庫，并和工業(yè)界分享其核心設(shè)計指南，演示了原材料回收使用的功能，從而大大降低生產(chǎn)成本。3D打印創(chuàng)新中心已經(jīng)設(shè)立了31個工業(yè)驅(qū)動研發(fā)項目，如果再加上其他渠道的3D打印項目，總數(shù)達(dá)到58個。

4.勞動力培養(yǎng)
3D打印創(chuàng)新中心(以下簡稱“中心”)和其他一些機(jī)構(gòu)合作共同開發(fā)和舉辦了很多勞動力的培訓(xùn)活動并與德勤咨詢一起進(jìn)行3h的線上3D打印業(yè)務(wù)基本培訓(xùn)，目前，已有超過1萬人參加。同時，該中心與密爾沃基工程和社會學(xué)院的制造工程師們一起開設(shè)了首個3D打印和增材制造培訓(xùn)項目。截至2015年中，學(xué)院已經(jīng)頒發(fā)了超過150個專業(yè)證書。中心與工業(yè)界合作，為1 000所中學(xué)捐贈了3D打印機(jī)，來支撐科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)(STEM)教育計劃。3D打印創(chuàng)新中心仍在繼續(xù)的推動路線圖的發(fā)展，來發(fā)展未來3D打印勞動力所需的教育和培訓(xùn)項目。

5.可持續(xù)發(fā)展
3D打印創(chuàng)新中心的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展十分成功。其中的一個佐證就是創(chuàng)新中心會員數(shù)量的增長，涉及領(lǐng)域的拓展會員，以及創(chuàng)新中心提供服務(wù)質(zhì)量的提升。目前，創(chuàng)新中心已具有會員單位179家，年增長率達(dá)到40%。其中，政府合作伙伴9家，白金會員19家，黃金會員53家，白金會員98家。涵蓋了橫跨全美3D打印全產(chǎn)業(yè)鏈主要的大型企業(yè)、中小型企業(yè)、高校、經(jīng)濟(jì)發(fā)展組織、國家實驗室和政府機(jī)構(gòu)。這些會員單位為創(chuàng)新中心繳納年費，白金會員20萬美元，黃金會員5萬美元，以及白銀會員1.5萬美元。

作為3D打印創(chuàng)新中心的會員，小型企業(yè)從中獲益匪淺。創(chuàng)新中心為小型企業(yè)的創(chuàng)新活動和大型企業(yè)的需求構(gòu)建了一個聯(lián)通的渠道。例如，通過和創(chuàng)新中心的其他成員合作，俄亥俄州雅芳湖的一個小型企業(yè)獲得了重要的AS9100C認(rèn)證，這使得該公司可以進(jìn)入到高技術(shù)的供應(yīng)鏈。公司可以為多個大公司，諸如洛克希德·馬丁、諾斯羅普·格魯曼公司、通用航空和波音公司等進(jìn)行供貨。小型企業(yè)Optomec牽頭的一個項目團(tuán)隊，通過嵌入設(shè)計模塊開發(fā)出混合打印系統(tǒng)(可以進(jìn)行增材和減材制造)。這可以改造任何計算機(jī)數(shù)控機(jī)床，升級使其具有3D打印的能力。對比采購一個新系統(tǒng)來說，這個項目的成功開發(fā)使得設(shè)備商店可將3D打印能力并入到傳統(tǒng)設(shè)備當(dāng)中，使得成本下降40%。Steelville Manufacturing公司為市場提供3D打印工具，成為了波音公司航空組件制造供應(yīng)商。該公司獲得了市場準(zhǔn)入，得益于3D打印創(chuàng)新中心的第一個技術(shù)開發(fā)項目——密蘇里科技大學(xué)牽頭的“基于熔融沉積工藝的復(fù)雜復(fù)材模具制備sparse函數(shù)建�！表椖�。目前，已經(jīng)有大約50個小型企業(yè)加入到創(chuàng)新中心當(dāng)中，這些小型企業(yè)的年保留率高達(dá)88%。

認(rèn)識到3D打印創(chuàng)新中心的國有性，促進(jìn)3D打印制造技術(shù)發(fā)展的機(jī)構(gòu)之后，聯(lián)邦政府的相關(guān)機(jī)構(gòu)開始和創(chuàng)新中心合作，來攻克所需的技術(shù)，以及戰(zhàn)略路線圖中的研發(fā)工作。相關(guān)的項目資料加入到分享目錄中，形成資料池，提供給不同的公私相關(guān)單位，完成重要的技術(shù)目標(biāo)。

6.創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展
創(chuàng)新中心的會員們展示了其直接投入的重要性，它們提供的人力對中心生態(tài)系統(tǒng)的創(chuàng)新和運營起到重要作用。例如，Raytheon公司貢獻(xiàn)出一位3D打印的專家，她的一半時間在創(chuàng)新中心工作，作為路線圖咨詢委員會的主席和3D打印創(chuàng)新執(zhí)行委員會的成員。美國機(jī)械工程師協(xié)會貢獻(xiàn)出一位資深專家，指派到3D打印創(chuàng)新中心的勞動力教育和推廣效果部門。德勤咨詢貢獻(xiàn)了其雇員，來幫助創(chuàng)新中心發(fā)展技術(shù)商業(yè)化流程，并評估創(chuàng)新中心對經(jīng)濟(jì)的影響性。

創(chuàng)新中心在私營公司投資方面也取得了重大的進(jìn)展。Alcoa在新澤西投資了6 000萬英鎊建設(shè)了研發(fā)中心。它將包括最先進(jìn)的3D打印中心，聚焦于原材料供給、工藝、產(chǎn)品設(shè)計和檢測認(rèn)證。該投資將推動先進(jìn)的主流3D打印金屬粉末的發(fā)展。通用電氣公司投入了3 200萬英鎊在比斯堡建設(shè)了先進(jìn)的3D打印工廠。該中心將幫助它們的業(yè)務(wù)部門開發(fā)3D打印以及其他創(chuàng)新技術(shù)。在國家層面，幾個大型的企業(yè)會員都聲明，它們的內(nèi)部研發(fā)投資將和3D打印創(chuàng)新中心的技術(shù)投資路線圖保持一致。2015年，創(chuàng)新中心在Texas大學(xué)開設(shè)了一個衛(wèi)星點，這將實現(xiàn)創(chuàng)新中心的全功能運營。其中包括技術(shù)開發(fā)、技術(shù)轉(zhuǎn)移、勞動力教育和培訓(xùn)。

三、美國3D打印技術(shù)路線圖

在打造全國網(wǎng)絡(luò)化3D打印聯(lián)盟的同時，“美國制造”中心還進(jìn)行了技術(shù)發(fā)展路線圖的制定。該技術(shù)路線圖分為5個板塊，包括“設(shè)計”、“材料”、“工藝設(shè)備”、“檢測認(rèn)證”和“知識發(fā)展”。每個環(huán)節(jié)中都具有4～7個重點發(fā)展方向，將在2013年到2017年之間進(jìn)行針對性項目布局分階段突破。該中心依據(jù)此路線圖在過去的3年中，進(jìn)行了3批次，共計31個項目的布局，第3批次項目列表見附表1。目前，第4批項目正在征集的過程中。

然而該3D打印技術(shù)路線圖一直未對外發(fā)布，直到2015年9月，公眾版的路線圖才在官網(wǎng)上公開(見圖2)�？梢钥吹�，和最初的設(shè)計相比，新版的技術(shù)路線圖進(jìn)行了部分框架的調(diào)整。最初5個板塊當(dāng)中的“檢測認(rèn)證”和“知識發(fā)展”調(diào)整成為新版的“價值鏈”和“增材制造基因組”。每個子版塊根據(jù)不同的技術(shù)成熟度，規(guī)劃出在2014年到2018年間將要進(jìn)行的3～5條重點任務(wù)。對于每一個子版塊，該中心還制定了第2層級的3D打印技術(shù)路線圖，與布局的項目呈現(xiàn)出相輔相成的效果。

圖2 美國3D打印技術(shù)路線圖

1.設(shè)計子版塊
設(shè)計子版塊的技術(shù)路線圖(圖3)旨在通過新型和創(chuàng)新的非專業(yè)設(shè)計方法和工具，以此推動先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步。從而改變設(shè)計文化理念，打破諸如鑄件或機(jī)加工部件的傳統(tǒng)設(shè)計模式流程。當(dāng)前的產(chǎn)品設(shè)計方法是從常規(guī)制造工藝，諸如機(jī)加工、鑄造、模塑、復(fù)合材料鋪層等優(yōu)化而來的，無法充分實現(xiàn)3D打印的設(shè)計自由度，體現(xiàn)不出其優(yōu)勢。因此，需要為3D打印部件尋找新的設(shè)計方法，全面探索這種技術(shù)的優(yōu)勢。該版塊解決瓶頸的思路是，避免受到傳統(tǒng)制造工藝所用到的專業(yè)設(shè)計工具如CAD、CAM、CAE、PLM等的束縛。重點將是開發(fā)新產(chǎn)品和工藝的通用設(shè)計方法，讓大中小企業(yè)都能采用3D打印技術(shù)，并且得以高效利用，實現(xiàn)跨供應(yīng)鏈的快速創(chuàng)新。

具體的技術(shù)路線圖分為3個子方向，分別為仿生設(shè)計和制造，成本和能耗因素分析及建模，以及產(chǎn)品和工藝設(shè)計輔助和程序。相關(guān)影響的分析指標(biāo)包括：復(fù)雜度提升、3D功能梯度材料、多種材料的集成、基于模型的檢測、產(chǎn)品的個性化與定制。

圖3. 美國3D打印設(shè)計版塊技術(shù)路線圖

2.材料子版塊
材料子版塊的技術(shù)路線圖(圖4)旨在構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)3D打印性能表征數(shù)據(jù)的知識體系，消除最終材料性能變化的可能，以此推動先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步。當(dāng)前的3D打印工藝和產(chǎn)品性能是以特定的方式進(jìn)行檢測表征的，這導(dǎo)致了相關(guān)數(shù)據(jù)包的不一致、不完整，并且產(chǎn)品性能出現(xiàn)大范圍的波動、變化不定。因此，需要將相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化，從而減少原材料性能的上下波動。同時，建立更嚴(yán)格的工藝方法和操作指南，更好地實現(xiàn)對3D打印工藝的物理學(xué)控制，以完全實現(xiàn)所設(shè)計的材料微結(jié)構(gòu)，減少成品材料性能的波動。該版塊解決瓶頸的思路是，從控制工藝參數(shù)和最終微觀結(jié)構(gòu)，向控制3D打印工藝的微觀層面上的基本物理過程轉(zhuǎn)變，以獲得一致的、可重復(fù)的微觀結(jié)構(gòu)，達(dá)到初始設(shè)計的預(yù)期性能。

具體的技術(shù)路線圖分為3個子方向，分別為“非”特定3D打印技術(shù)數(shù)據(jù)包、材料性能表征以及下一代材料。相關(guān)影響的分析指標(biāo)包括：原材料的標(biāo)準(zhǔn)化;基準(zhǔn)材料性能數(shù)據(jù);工藝-特性-結(jié)構(gòu)相互關(guān)系;工藝窗口邊界的確定;后處理工藝的指南與規(guī)范。

圖4. 美國3D打印材料版塊技術(shù)路線圖

3.工藝子版塊
工藝子版塊的技術(shù)路線圖(見圖5)旨在構(gòu)建更快、更精確、更高分辨率的3D打印設(shè)備，實現(xiàn)大批量生產(chǎn)并改進(jìn)“如構(gòu)建”部件的質(zhì)量，以此推動先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步。當(dāng)前3D打印的工藝能力存在局限性，這讓很多部件無法在高性價比條件下實現(xiàn)批量生產(chǎn)，而且經(jīng)常需要進(jìn)行二次后處理，才能達(dá)到常規(guī)制造生產(chǎn)方法下的部件性能標(biāo)準(zhǔn)。因此，需要在諸多“機(jī)器級”技術(shù)方面進(jìn)行提升，讓3D打印從一個主要用于制作快速原型的技術(shù)變?yōu)橐粋�生產(chǎn)型技術(shù)。該版塊將重點關(guān)注“機(jī)器級”工藝性能改進(jìn)所需的關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)子系統(tǒng)。開發(fā)一系列技術(shù)，加速并優(yōu)化材料的沉積、熔化/燒結(jié)/擠壓和凝固過程，并且對這些過程進(jìn)行物理學(xué)控制，以提升工藝能力。

具體的技術(shù)路線圖分為3個子方向，分別為多種材料運輸與沉積系統(tǒng)、下一代裝備、以及工藝過程溫度梯度控制。相關(guān)影響的分析指標(biāo)包括加工速度、精確度、細(xì)節(jié)體現(xiàn)性能、表面質(zhì)量、 最大部件尺寸。

圖5. 美國3D打印工藝版塊技術(shù)路線圖

4.價值鏈子版塊

價值鏈子版塊的技術(shù)路線圖(見圖6)旨在對于進(jìn)入市場的3D打印制造產(chǎn)品，階梯式的改善端到端價值鏈的成本和時間，以此推動先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步。當(dāng)前3D打印技術(shù)的開發(fā)工作只是針對于價值鏈中和產(chǎn)品生命周期中的單個元素，并且采用分段的開發(fā)方式，沒有運用一種整體的、系統(tǒng)集成的方法來降低成本、縮短周期。因此，需要開發(fā)一系列使能技術(shù)，更好地將3D打印制造的價值鏈和產(chǎn)品生命周期中的所有元素集成到一起。而且，要認(rèn)識到隨著更復(fù)雜的三維梯度材料和多材料部件的開發(fā)、設(shè)計和檢測將會成為新的瓶頸。因此，該領(lǐng)域的重點將是面向整個生命周期和價值鏈，開發(fā)和集成高性價比的3D打印制造技術(shù)，降低3D打印制造零件的總成本，縮短上市時間。將開發(fā)快速檢測/認(rèn)證方法，以及從全盤角度，關(guān)注橫跨整個產(chǎn)品“搖籃到搖籃”全生命周期的集成技術(shù)，這將包括材料和產(chǎn)品的回收再利用。此外，這一版塊已經(jīng)在國防部的“制造技術(shù)(ManTech)”計劃先進(jìn)制造企業(yè)(AME)投資科目中，被確認(rèn)為構(gòu)建單一的、集成的數(shù)字線的首要關(guān)注點。以幫助確定所需的勞動技能和使能手段，明確新型和創(chuàng)新快速設(shè)計及檢測技術(shù)的需求，例如提高生產(chǎn)率的設(shè)計助手和App應(yīng)用程序。

具體的技術(shù)路線圖分為6個子方向，分別為先進(jìn)感知和探測方法、數(shù)字線集成、智能裝備控制方法、快速檢測技術(shù)、修復(fù)技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)/圖表/協(xié)議。相關(guān)影響的分析指標(biāo)包括工藝成本、原材料成本、質(zhì)量控制成本、工人生產(chǎn)率成本以及能效成本。

圖6. 美國3D打印價值鏈版塊技術(shù)路線圖

5.基因組子版塊
基因組子版塊的技術(shù)路線圖(見圖7)旨在階梯式的大幅度降低3D打印設(shè)計、開發(fā)和新材料認(rèn)證的成本和時間，以此推動先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步。當(dāng)前的材料開發(fā)、表征與合格鑒定方法大都是基于經(jīng)驗和按屬性線性進(jìn)行。這樣就造成開發(fā)和鑒定新的3D打印材料與工藝需要一定的成本、時間和風(fēng)險，阻礙了大規(guī)模的技術(shù)推廣與植入。因此，需要開發(fā)新的基于計算的范本，以材料基因組的方式，進(jìn)行產(chǎn)品和工藝的并行開發(fā)，從根本上促進(jìn)新材料的發(fā)現(xiàn)、開發(fā)和合格鑒定，降低成本并且縮短周期。該版塊的重點將復(fù)制美國早前推出的“材料基因組計劃”，讓3D打印新材料的開發(fā)和鑒定的時間和成本都減少一半。因此，將開發(fā)新型的和創(chuàng)新的計算方法，例如基于物理及模型輔助的材料性能預(yù)測工具;開發(fā)對計算機(jī)預(yù)測進(jìn)行驗證所需的通用基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以及針對材料性能表征的新型的和創(chuàng)新思路，為“每一個”新穎的3D打印材料-工藝組合打破開發(fā)設(shè)計流程中的壁壘。

具體的技術(shù)路線圖分為3個子方向，分別為標(biāo)準(zhǔn)測試驗證使用案例，模型輔助性能預(yù)測，以及基于物理學(xué)的建模和仿真。相關(guān)影響的分析指標(biāo)包括：計算機(jī)輔助材料開發(fā)、模塊化開放式仿真架構(gòu)、訪問開放透明的材料性能數(shù)據(jù)、多尺度數(shù)據(jù)管理和共享和高效的材料性能表征方法。

圖7. 美國3D打印價基因組版塊技術(shù)路線圖

四、全球3D行業(yè)發(fā)展情況

1.技術(shù)成熟度發(fā)展進(jìn)展
世界知名信息技術(shù)研究和分析機(jī)構(gòu)高德納(Garner)公司，在最新發(fā)布的新興技術(shù)炒作周期報告中，對112個領(lǐng)域的超過2 000項新興技術(shù)的市場類型、成熟度、商業(yè)應(yīng)用及未來發(fā)展進(jìn)行了評估。2015年新興技術(shù)發(fā)展的主題為“數(shù)字化業(yè)務(wù)”，“眾力聚合”(Nexus of Forces)開始顯現(xiàn)，即移動、云、社交、大數(shù)據(jù)4方面互相連結(jié)和組合將會形成巨大力量，創(chuàng)造出新的巨大商機(jī)。并據(jù)此提出了具有重大潛力的37項新技術(shù)，其中位于技術(shù)萌芽期有17項，期望膨脹期有11項，泡沫谷底期有7項，穩(wěn)步爬升期有2項。這些新技術(shù)會支撐“眾力聚合”在后期3個階段，即“數(shù)字化市場”“數(shù)字化業(yè)務(wù)”和“自組織”的發(fā)展。

對于3D打印來說，該項技術(shù)順應(yīng)了數(shù)字化發(fā)展的大潮，正在演變成為企業(yè)的“數(shù)字化業(yè)務(wù)”。在2015年的技術(shù)炒作周期圖中(見圖8)，3項具體技術(shù)入榜。和2014年相比，各技術(shù)所處的階段位置變化不大。其中，“針對器官移植的3D生物打印”處在技術(shù)萌芽期，究其原因主要是其處于相對早期的研究階段，尚未看到明顯的進(jìn)展�！捌髽I(yè)級3D打印”被看好，該技術(shù)繼續(xù)處于穩(wěn)步爬升的光明期，并成為該圖中最接近于實際生產(chǎn)的技術(shù)�！翱蛻艏�3D打印”繼續(xù)步入泡沫谷底期，向穩(wěn)步爬升期邁進(jìn)。值得注意的是，2015年入圍的“3D生物打印系統(tǒng)”和“3D掃描儀”2項技術(shù)脫離曲線。這并不意味著離開曲線的技術(shù)不重要，而是不再“新興”已經(jīng)逐漸融入人們的生活。

對于3D打印細(xì)分技術(shù)來說，2015年的入榜技術(shù)增加到23項，相比2014年增加7項(見圖8)。首先，萌芽期技術(shù)包括9項。其中新入圍技術(shù)2項，分別為“消費產(chǎn)品3D打印”和“3D打印輔助臀部/膝蓋移植”。2014年入圍的“3D生物打印系統(tǒng)”被細(xì)化為“生命科學(xué)研發(fā)的3D生物打印”和“器官移植用3D生物打印系統(tǒng)”。已有的5項技術(shù)，“知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)(3D打印)”、“大型3D打印”、“教學(xué)3D打印”、零售業(yè)3D打印”和“油氣開發(fā)用3D打印”技術(shù)則依然維持在該階段。其次，期望膨脹期技術(shù)包括3項。“工業(yè)級3D打印”和“3D打印供應(yīng)鏈”在一年的時間里從萌芽期步入到了期望膨脹期，而“3D打印醫(yī)療器件”小幅度向前推進(jìn)。再次，泡沫谷底期技術(shù)包括3項�！�3D打印牙科器件”是新入圍的，同時也是位于該階段后期的技術(shù)。2項從期望膨脹期步入到泡沫谷底期的技術(shù)為“3D打印進(jìn)入到制造工藝流程”和“消費級3D打印”。隨后，2014年位于穩(wěn)步爬升期技術(shù)的4項，“3D掃描設(shè)備”，“3D打印服務(wù)機(jī)構(gòu)”，“3D打印軟件開發(fā)”，“企業(yè)級3D打印”小幅進(jìn)步。最后，成熟期技術(shù)的2項，其中包括新入圍的“3D打印聽力器件”和已有的“3D打印樣品原型”。

總體來看，3D各項細(xì)分領(lǐng)域技術(shù)穩(wěn)步向前推進(jìn)。新入榜單的技術(shù)幾乎被3D生物打印細(xì)分領(lǐng)域，以及3D打印在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用所壟斷，顯示出3D打印在個性化醫(yī)療方面的優(yōu)勢。

圖8. 高德納3D打印細(xì)分領(lǐng)域技術(shù)炒作周期

2.產(chǎn)業(yè)總體情況

根據(jù)3D打印業(yè)內(nèi)著名咨詢機(jī)構(gòu)美國沃勒斯事務(wù)所(Wohlers Associates)公司最先發(fā)布的3D打印報告。2015年，全球3D打印總產(chǎn)值達(dá)到51.65億美元。相比2014年的41億美元，年增長率達(dá)到25.9%，這其中包括的3D打印產(chǎn)品和3D打印服務(wù)2個方面的總產(chǎn)值。近3年的復(fù)合增長率達(dá)到31.5%，過去27年的復(fù)合增長率高達(dá)了驚人的26.2%。

該報告同時披露，2015年工業(yè)級3D打印系統(tǒng)(價格高于5000美元)的制造銷售商從2014年的49個增長到62個，這個數(shù)字是2011年的2倍。金屬3D打印的領(lǐng)軍企業(yè)為德國EOS公司， 美國3D Systems公司，德國 Concept Laser公司和美國Optomec公司等。然而近些年，一些新進(jìn)者發(fā)展較為迅速，其中包括日本東芝公司，以色列初創(chuàng)公司 XJet等。同時，2015年桌面級3D打印機(jī)(價格低于5000美元)的銷量快速增長，達(dá)到27.8萬臺。相比2014年銷售量的16.0萬臺，增長11.8萬臺，年增長率超過70%。從2010年到2015年，桌面級3D打印機(jī)的市場發(fā)展迅速，增長呈現(xiàn)出從水平向垂直發(fā)展的趨勢。桌面級3D打印機(jī)銷量的快速增長要歸功于美國Stratasys公司、荷蘭Ultimaker公司、臺灣XYZPrinting公司以及其他公司。他們的努力使得桌面級3D打印機(jī)的性價比得以提升，對其普及作出了重大的貢獻(xiàn)。預(yù)計目前出貨的3D打印機(jī)，85%都屬于桌面級3D打印機(jī)。

發(fā)展3D打印這種顛覆性技術(shù)，需要從戰(zhàn)略角度統(tǒng)籌規(guī)劃和布局。首先，從設(shè)計端入手，最大限度地發(fā)揮3D打印的設(shè)計自由度優(yōu)勢;其次，開發(fā)3D打印專用的各種金屬、高分子、無機(jī)非金屬等新材料，滿足不同類型產(chǎn)品的性能要求;再次，研制先進(jìn)的3D打印裝備，滿足不同生產(chǎn)工藝要求，提高批量化生產(chǎn)的精密度和穩(wěn)定性;第四要從人才端入手，培養(yǎng)專業(yè)化人才;最后要搭建更多開放式服務(wù)平臺，深化“3D打印+”，促進(jìn)3D打印與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合。唯有此，3D打印技術(shù)才可能盡快走出應(yīng)用市場的“最后一公里”，這需要政府有關(guān)部門相關(guān)扶持政策，鼓勵原始創(chuàng)新，鼓勵用戶與3D打印服務(wù)平臺結(jié)合。

作者: 張立喬 北京新材料發(fā)展中心   
來源：新材料產(chǎn)業(yè)