3D打印通過與大數據、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業革命，這些曾經的科學幻想，如今已經融入人們的衣食住行用，將對人類生產模式、生活方式、價值理念等產生深刻影響。
未來產業發展的新增長點
世界各國紛紛將增材製造作為未來產業發展新增長點。全球著名的麥肯錫報告認為，增材製造將是決定2025年經濟的12大顛覆技術之一。美國《時代》週刊將增材製造列為 “美國十大增長最快的工業”，英國《經濟學人》雜誌認為增材製造將“與其他數字化生產模式一起，推動實現第三次工業革命”，認為該技術將改變未來生產與生活模式，實現社會化製造。以雲計算、大數據、增材製造等為核心、以“工業4.0”為標誌的新一輪產業革命正在來臨，製造業將成為國家經濟競爭力的關鍵所在。歐美等發達國家將增材製造作為“再工業化”、“重新奪回製造業”、“重振經濟”的國家戰略，德國長期在金屬零件增材製造技術方面處於領先地位。
隨著土地、勞動力等要素成本的快速上漲，資源環境約束進一步增強，我國製造業傳統的低成本競爭優勢不斷減弱，正面臨歐美髮達國家“再工業化”和發展中國家低成本承接產業轉移的“雙重擠壓”。增材製造與信息網絡技術、新材料技術、新設計理念的深度融合，將給傳統制造業帶來變革性影響，被稱為新一輪工業革命的標誌性技術之一。當前，增材製造已經成為航空航天等高端設備製造及修復領域的重要技術手段，初步成為產品研發設計、創新創意及個性化產品的實現手段以及臨床診斷與治療的工具，並且應用範圍不斷擴展。因此，藉助雲計算、物聯網、大數據為代表的新興信息技術，大力發展增材製造等顛覆性技術，是實現“中國製造”向“中國智造”轉變的時代選擇，是實現製造業彎道超速，打造我國製造業新優勢，實現“製造強國夢”的必然選擇，也是力爭搶佔未來科技和產業制高點的必然選擇。
金屬增材製造是先進製造的重要方向之一
金屬增材製造是最前沿和最有潛力的增材製造技術，是先進製造技術的重要發展方向。金屬增材製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金屬構件逐層堆積成形。根據所採用能量源和成形材料的不同，典型的金屬增材製造主要包括激光選區熔化（Selective Laser Melting, SLM）、電子束選區熔化（Electron Beam Melting, EBM）、激光近淨成形技術（Laser Engineered Net Shaping, LENS）、電子束熔絲沉積成形（Electron Beam Freeform Fabrication, EBFF）和電弧增材製造（Wire and arc additive manufacturing, WAAM）。
表1：目前較成熟的典型金屬增材製造的技術原理和技術特點等的對比
同步絲材送進技術採用電子束或電弧（CMT、MIG、TIG等）等作為熱源，將金屬絲材加熱熔化，連續堆積形成沉積層，最終形成“近形”製件。沉積層厚度為毫米量級，具有成形效率高，製造成本低等優點，目前該技術主要用於製造大型零件毛坯，隨著技術的發展，通過增減材一體化複合，可能將為大型複雜構件的低成本製造提供一種替代方案。電子束選區熔化（EBM）的優點在於其能量密度高，熱影響區小，變形小，生產率高等，但須在真空環境中進行，需要一整套專用設備和真空系統，價格較貴，生產應用具有一定侷限性，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熔化技術，隨著電子腔技術的發展，EBM技術將會得到快速的發展。激光成形最重要特點是熱量集中，加熱快、冷卻快、熱影響區小，進而影響金屬相形成的均勻度。金屬激光近淨成形（LENS）採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於大型構件毛坯件的加工成形，隨著增減材一體化技術的發展，LENS技術的應用將會進一步得到拓展。金屬選區激光熔化（SLM）成形技術是目前金屬增材製造中發展最成熟、應用最廣泛的技術，採用激光功率較低（200-1000W）、激光能量密度高（106-8W/cm2）、光斑直徑小（50-200μm）、粉末沉積效率低（5-30 cm3/h），但是製造精度很高（20μm），最小壁厚可以達到100μm，構件性能可達到同成分鍛件水平，精度遠高於精鑄工藝，零部件緻密度近 100%。目前受到SLM設備成形尺寸的限制，SLM主要用於製造中小型複雜精密構件，但隨著多振鏡和增減才一體化技術的發展，SLM的應用領域和成形件尺寸都將得到進一步的發展，短期內被其他技術取代的可能性不大。如圖1所示，增材製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係，選擇性價比最佳的3D打印該工藝。
圖1：增材製造成形效率與成形質量的關係
增材製造的應用
3D打印應用的領域越來越寬廣，從民用的消費品、文化創意產品、建築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，已經用在飛機結構件的承載件，例如C919的很多零件上。現在中國民用飛機也有自己的目標，上海商發準備80%發動機的零件都用3D打印來支持研發，GE公司也已經有三分之一的飛機發動機零件用3D打印進行生產，並且已完成了30000個燃油噴嘴的SLM成形和應用驗證。未來各種增材製造技術將得到進一步的快速發展，效率更高成本更低的增材製造工藝也可能會被不斷提出，各種增材製造技術將同臺競技，不斷拓展自己的應用領域。
圖2：結構複雜對增材製造與傳統制造零件成本的影響
圖2表示構件的複雜程度對製造成本的影響，對於傳統的機械製造（如車銑刨磨鑽），零件的製造成本隨複雜程度的提升指數級的增長，且與製造的批量有關係，批量小於3000件時，成本非常高。而零件的複雜程度對增材製造的成本影響很小，增材製造過程幾乎不受零件複雜程度的影響，其成本主要決定於製造改零件所需要的時間。因此對於單件小批量生產和具有較高几何複雜性的零件，增材製造具有顯著的競爭優勢。傳統的零件的製造受到零件本身複雜性的限制，往往在設計過程中並未完全實現功能優先的設計，結構上有很多冗餘，浪費材料，增材製造可以通過結構拓撲優化設計，極大的提升其性能，實現輕量化、高強度。增材製造可以將不同成分和顏色的不同材質材料按需分佈在所需要的位置，獲得理論設計最佳和功能優先的一體化設計和製造，真正意義上實現“控材控形控性控色”。
增材製造的未來
增材製造的發展已經不單純是一個技術問題，而是一個生態問題了。當然，在技術層面，3D打印仍在不斷創新、深入、延伸和融合；而在生態層面，增材製造正不斷向系統化、平臺化、生態化方向發展。在消費級，3D打印傾向於個性化、定製化發展；在工業級，3D打印更強調金屬增材製造的低成本批量化應用。任何技術的創新發展都有其成長軌跡，由於增材製造在數字化、輕量化、更好性能、更好設計、更利於建模模擬測試、更短製作週期等方面具有獨特優勢，其發展潛力無疑是非常巨大的。
未來，對於3D打印技術的發展，我們不可盲目樂觀，也不能妄自菲薄，需要全社會協同，“政產學研用金”六位一體，協同發力，共同促進3D打印技術的快速發展，助推“中國製造”向“中國智造”的發展。建議政府應出臺相關的扶持和培育政策，充分發揮政府的引導和頂層設計作用，成立3D打印產業發展基金，推進產業鏈、創新鏈、資金鍊有機融合，形成多元投入格局，建立‘沿途下蛋’機制，邊出成果邊應用，重點支持對行業具有支撐和輻射作用的研究院和龍頭企業；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合，在基礎研究和原始創新方面重點突破，減少低水平重複研究，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，相關企業應該先行動起來，看準機會，及早佈局，大膽投入，在未來科技發展的競爭中贏得先機。
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