增材制造发展战略及技术创新需求分析

于灏

如果列举2013年全球热门的科技讨论话题，则不得不提增材制造技术（俗称“3D打印”）。这项先进技术经过20多年的发展，已经从实验室走进大众视野，开始逐步进入到我们的日常生活中。从创意巧克力、甜品、冰激凌，到陶瓷餐具、模型、时装，从个性化牙刷、心脏起搏器、仿生耳朵、微型肝脏，到概念车外壳、划艇、赛车零件，各种关于增材制造的话题层出不穷，各种耳目一新的3D打印物品纷纷面世。增材制造貌似已经无所不能，这也难怪科技界将2014年宣称为“增材制造元年”。除了媒体的高度曝光外，增才制造——这项新兴技术也受到了资本市场的广泛关注。根据Wohlers Associates最新发布的增材制造报告《Wohlers Report 2014》，2013年全球3D打印产品和服务市场总量达到30.7亿美元，复合年增长率（CAGR）为34.9%，达到了17年来的最高。在资本市场，增材制造的相关股票也增长迅速。2013年，3D打印巨头美国Stratasys公司股价累计涨幅68.06%，价格最高达到138.1美元。另一家领军企业美国3D system公司股价累计涨幅高达74.19%，价格最高达到97.3美元。麦肯锡公司发布的《2025年前的12种颠覆性技术》和 Gartner公司发布的《影响未来10年技术》均将增材制造技术纳入其中，这些信息貌似都预示着我们即将进入3D打印的时代。

但与此同时，也有相当比例的学者对增材制造技术持谨慎态度，认为3D打印的影响被媒体夸大了，这种技术距离真正的应用还很遥远，还远不能替代传统制造业，未来也恐怕很难对世界产生颠覆性的影响。这种观点实际上是从更加理性的角度去看待这项新兴技术。不可否认，增材制造技术尚未成熟，其产业仍处于萌芽阶段。虽然它具有非常好的发展潜力，但其发展速度能否达到人们期望的程度，何时才能实现愿景，还无法得知。

以上2个对立的观点实际上引出了需要我们回答的一个共性核心问题：如何促进增材制造技术发展，使其快速順应市场需求？诚然，这个问题没有标准答案，也很难进行直接的讨论。因此， 我们将从“增材制造的技术就绪指数”入手，循序渐进地进入“驱动力及瓶颈”和“创新需求”的讨论，最后再到“世界各国相关发展战略”的参考。力求通过对上述4个环节的分析，从宏观上建立一个基本框架和参照方法，来引导对增材制造技术发展需求的认识。希望读者在看过本文以后，能够得到自己的答案。

一、增材制造技术就绪指数

技术就绪指数（Technology Readiness Level，TRL）由美国航空航天局（NASA）于1969年最先发展起来，是一种衡量技术发展 （包括材料、零件、设备等）成熟度的指标，其核心思想是用符合科学技术研究规律的技术成熟状况来评价科学技术的研究进程及其创新阶梯。这套评价体系将科技活动按一定原则制定分级标准，使得科技活动可以按照所处阶段进行分级，量化评价每一个技术的成熟程度。它可以用来评估单个特定技术的成熟度，也可对不同类型技术的成熟度进行一致性量化比较。经过多年发展，TRL已经得到广泛认可，被美国国防部等部分美国联邦政府机构及国际大公司所使用。在美国2013年发布的《国家制造业创新网络：一个初步设计》研究报告中，TRL也被用做普适工具来界定美国国家制造业创新学院（IMI）的主要职责。

一般而言，当一个新的技术被发明或提出时，不适合立刻在实际环境中进行应用。它需要经过大量的实验检测以及改良完善，充分证明其应用的可行性，再进行大规模推广应用。因此，TRL将整个科技研发过程分为9级3个阶段，前3级为“实验室”阶段，中间3级为“中试”阶段，最后3级为“产业化”阶段（图1）。根据TRL的评估标准，增材制造技术总的来说位于图中TRL4～6的位置，这意味着这项技术已经进入产品化阶段，需要开始拓展其商业用途。目前，增材制造技术已经开始在一些具体的领域中实现应用，而在其他一些潜在领域，相关的研发也正在进行中。就航空航天领域来说，增材制造组件的制造大部分都处于TRL4～6级附近，而维修和保养则相对更成熟和容易一些，位于TRL5～6级。当然也有一些特殊情况，比如简单塑料部件的增材制造就可以认为比较成熟，达到TRL9，而单晶涡轮叶片制造则仅为TRL1。从材料角度来说，金属材料增材制造的成熟度处于TRL3～7之间，而高性能高分子材料增材制造则大约在TRL4～5附近。其他一些材料则很不成熟，如陶瓷位于TRL1～3。

需要注意的是，TRL4～6区域被称为“死亡之谷”，是一项新技术实现商业化应用的关键区域。如果新技术的发展不顺利，很可能导致半路夭折。对比阶段一的“实验室”阶段，当技术发展到第二阶段，需要大量的资金投入，以促进技术的快速成熟，在短期内实现稳定生产和规模化生产。根据罗尔斯·罗伊斯股份有限公司的研究报告，在此阶段，如果国际领军企业和政府不进行资金和机制方面的支持，将有可能在新技术的竞争中处于严重的劣势地位。因此，通过TRL评估分析并结合合适的管理方法，则可准确把握切入市场的时机，有效防止过早推出尚未优化的产品，导致投资浪费和失败。

二、增材制造发展的驱动力和障碍

增材制造快速发展的动力很大程度上来自于市场需求。根据研究表明，很多行业都对增材制造技术具有浓厚的兴趣，特别是对于一些需要引进新工艺来解决现有问题的行业，如航空航天、医疗保健、创意产业、汽车和能源等。得益于表1中给出的4个驱动力，增材制造技术才可以最先在这些领域中实现应用。但同时，增材制造也面临很多发展中的障碍，其中最为重要的就是生产成本过高，其他的主要瓶颈还包括可选用材料有限，生产工艺/设备不成熟，相关数据、标准/认证尚不完备，供应链薄弱。这5个主要障碍都是增材制造在未来的发展中必须解决的问题。

如图2所示，不同的应用领域对增材制造4个主要驱动力的敏感程度有所不同。在航空航天领域，比较高的驱动影响因素包括增加设计自由度、实现个性化制造、提高材料利用率和降低能源消耗。这些驱动力带来的好处包括实现产品轻量化、简化组装流程、高生产效率、提高航空工业（Buyto-Fly，BTF）比率和降低生命周期成本等；相比之下，在生物医疗领域，更快的供应链反应时间显得比材料的高利用率更为重要；就能源领域来说，使用增材制造技术的驱动力并不强，这也解释了为什么增材制造技术在航空航天、医疗保健、创意产业领域的渗透率要比其他行业要高得多。同样，各应用领域对5个主要障碍的敏感程度也有所区别。例如，医疗器械领域的一些植入体，使用传统工艺制造比使用增材制造技术制造在成本价格上要昂贵很多。然而，对其他领域来说，增材制造的生产成本也依然很高。根据估计，如果成本降低到现在的1/8，增材制造才能实现大规模的应用。此外，即使上述2个领域所面临的障碍是一样的，但其意义和要求也并不相同。比如在航空航天领域和文化创意领域，都对生产过程中的制品表面光洁度有所要求。航空航天所用的零部件需要经过严格的测试和验证过程，以确保产品的各项服役性能达到要求。而对文化创意行业来说，能将艺术作品完美的加工生产出来，就可达到客户的要求。

三、增材制造技术创新需求分析

尽管增材制造技术发展了30年，但目前仍处于不成熟的阶段。因此，认识此项技术所面临的瓶颈已经成为此领域人们最为关注的问题之一，也是快速推进此项先进制造技术发展的需要。下文将详细分析5个主要瓶颈所涉及的技术创新需求，通过宏观框架的建立和中观层面上的分析，明确未来增材制造的发展方向和所需的关键技术，进而厘清产品和技术之间的相互关系。

1.生产成本过高

（1）原材料价格过于昂贵

针对大规模零部件生产，增材制造所用的材料价格都过于昂贵，这显著地提高了零部件制造的整体成本。例如对金属粉末来说，3D打印纯钛和钛合金价格约为340～880美元/kg，远高于传统工艺用原材料价格。而对于光敏树脂和塑料等高分子材料来说，增材制造工艺专用材料也是传统工艺原材料价格的几十倍。注射成型塑料的价格仅为2～3美元/kg，而大多数3D打印光敏树脂和塑料的价格在175～250美元/kg之间。过高的原材料成本导致增材制造零部件的生产成本过高，也使得原材料费用成为决定最终制品生产成本的主要因素。

（2）生产速度过于缓慢

目前，增材制造的速度还很缓慢，导致机器和厂房的折旧率很高。这样的生产速度只可满足如口腔植入物等小型产品的个性化生产。但对于大多数应用领域来说，需要提高现有的生产效率来满足商业化要求。例如，对于粉末床熔合工艺，金属基制件的扫描速度和材料处理能力需要提高到现有速度的4～10倍，才能实现大规模应用。

（3）生产能力受到机器尺寸的限制

增材制造用于终端产品制造的比例已经超过20%，预计这个比例到2020年将增长到50%。目前，受到机器设备尺寸的限制，增材制造技术可制造的部件尺寸及批次生产能力都很有限。特别是对于粉末床工艺，还不能实现更加经济的批量化制造。因此，为了推进增材制造在大型构件方面的应用，如航空航天领域，还需要大幅度提升设备的加工尺寸及批次处理能力。

（4）设备的投资成本较高

虽然近期增材制造设备的价格有了大幅度的下降，但对于商业化产品生产来说，投资依然较高。机器的产出能力和产品的售价相比，仍然不具备吸引力。除某些使用昂贵材料生产的产品外，设备的价格还需要进一步下降以满足大规模生产的需要。

（5）对某些行业来说准入门槛较高

对于航空航天及医疗器械等一些高度监管的领域来说，新的工艺技术及产品往往需要进行非常严格的考核，以达到工业标准的要求。这势必导致更漫长的研发周期、更高的产品开发成本及更长的检测及认证时间，延缓了增材制造向这些领域的渗透速度，影响了中小企业特别是一些新兴创新企业向此类市场推广产品的能力。

2.可选用的材料十分有限

（1）可打印材料偏少，难以满足需求

与传统的制造技术相比，增材制造目前可选用的材料还相对较少。可打印的高分子材料主要为ABS（ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯）、聚乳酸、丙烯酸树脂、环氧树脂、尼龙和聚醚醚酮等；金属材料主要为不锈钢、铝合金、钴铬合金、铬镍铁合金、钛合金及金银等，加上其他可打印材料，预计总数不超过30种。即使掌握打印材料最多的Stratasys公司也仅有20多种单体材料，混合后达到140种材料，这与各应用领域成千上万种类的材料需求相比，远远不能满足需求。

（2）现用材料缺乏优化

区别于传统材料，增材制造对材料的性能和适用性的要求更高。材料需要可以熔化，打印后可成型，并在加工前后保持稳定，以满足连续生产的需求。目前所用材料大多是根据传统制造工艺或设备厂商针对各自设备特点定制的，没有专门针对增才制造进行材料设计，导致现用材料的通用性差，工艺对材料依赖性明显，产品成型后的精度和强度不能满足要求。

（3）材料的性能需要提升

对高分子增材制造产品来说，现有材料的强度和耐候性不足，这是由于材料的抗吸湿性和抗紫外线能力不足导致。对于创意产业来说，如果一个艺术品需要花费几千英镑制造，而其保质期只有几个月，这将是无法接受的；而对于金属材料來说，要想实现增材制造产品对现有铸造、锻造金属产品的替代，需要提高材料的力学性能，达到铸造、锻造金属产品的标准。

（4）可选的色彩很有限

增材制造可实现的色彩很有限，这对创意行业来说是巨大的缺陷。在很多情况下，色彩本身就是创意的一部分，而不是仅仅用于上色。陶瓷基材料的3D打印虽然可实现多色彩，但由于机械性能的限制，其并不实用。Stratasys公司于2014年2月推出了首款全彩多材料3D打印机（其他彩板见图3），可在一件原型件上实现多达46种的色彩，这很大程度上满足了创意行业对色彩的需求，但未来彩色3D打印还有很漫长的道路要走。

3.工艺及装备尚不成熟

（1）工艺技术不够稳定

对于同一型号机器来说，不同批次产品的稳定性、重复性和统一性均尚待提高。同样的问题也存在于不同型号机器生产的产品当中。导致这些结果的主要因素包括不受控制的工艺变量、原材料供应的变化、以及不同机器核心部件的差异等。

（2）缺乏在线控制方法和在线监测方法

根据相关人士预计，增材制造产品的成品率大约为70%。此外，20%是制造过程中产生的废件，其他10%则存在内部物理缺陷。如果未来增材技术被整合到工业生产中，那么后者将是一个需要解决的关键问题。对于航空航天及国防等领域，产品的可靠性将至关重要。目前，提供给制造商可用的在线控制方法和在线监测方法非常少，特别是有关热能控制的缺陷检测。这导致很难知道产品是否达到规格要求，生产过程是否正常。

（3）设计工具和软件限制了设计的自由度

虽然增材制造技术可以实现完全的自有创意，但依靠现有的设计工具如CAD，并不能真正地实现创意的自由发挥。这些软件很大程度上无法处理复杂的晶格结构、蜂窝结构、拓扑优化结构和其他一些复杂的几何形状。同时，现有软件只有专业人士才能操作，使得非专业人士很难使用这些软件对所需产品进行创造性的设计。

（4）后处理工序增加了生产的复杂性

为了满足产品的最终要求，增材制造产品经常需要后处理工序。这包括进行表面抛光，以达到特定的光洁度；进行机加工，以满足尺寸公差；通过残余应力消除及热处理，以去除制造支撑结构和进行废料处理。这些步骤会影响生产效率并增加了生产成本，此外还有可能引入新的工艺变量，影响产品质量。

4.数据库、标准/认证体系缺乏（1）材料、工艺、产品数据的缺乏

目前，增材制造的关联数据还比较缺乏，主要是材料-工艺-性能相互关系的基础数据。从材料的角度来说，无法知道这些材料的局限性和优点，使得材料选用成为困难，很难根据不完善的材料属性设计相应的零部件；从工艺角度来说，有限的数据不足以支撑建立精确和详尽的数学模型，这大大降低了对产品性能的预期能力，增加了失败几率；从成品的角度来说，几乎没有什么可查阅的公开产品性能数据。例如航空航天领域的机械性能及疲劳相关参数，医疗保健行业的机械性能和生物反应相关参数。这使得设计师、工程师、科学家及用户对整个生产环节的理解和规划能力大打折扣，限制了增材制造技术的发展。

（2）标准/认证的缺失

对比传统制造技术，增材制造技术的标准和认证还很少，使得最终零部件的定量检测、对比十分困难。美国测试和材料协会（ASTM）已和国际标准化组织（ISO）签署协议，共同推进3D打印技术的国际标准工作。目前，ASTM已颁布了6项相关标准，包括设计和术语标准各1项，测试方法、材料及工艺标准各2项，但这远远不足以支撑增材制造应用的快速发展。此外，增材制造的认证标准也十分缺乏。目前，还没有形成标准化的材料性能数据库，无法对设备或工艺水平进行认证，以帮助实现机器到机器以及部件到部件的可重复性，减少实验时间和精力耗费。因此，填补认证体系的空白也是发展这项先进技术的要素之一。

5.商业推广障碍

（1）TRL较低

对于很多应用来说，增材制造技术的就绪指数仍然处于较低位置。例如，一些金属部件的相关应用处于TRL3～7的位置，而实际上当TRL达到9级的时候才意味着一种新技术已经“准备好”，可以开始大规模生产应用。因此，这项技术还需要政府、企业和民间合力进行推动，最终成为一项革命性技术。

（2）产业链不成熟

受到TRL较低的影响，增材制造产业链也显得十分薄弱。在原材料领域，相关的供应商十分有限，而不同设备供应商生产的机器也缺乏统一的标准，这导致不同厂商生产的原材料和不同厂家生产的设备匹配性很差。常常是必须使用设备厂商销售的专用材料，产品才能达到最好的性能。另一方面，如果供应链发生断裂，用户则需要进行广泛的搜索，寻找新的供应商，并与合作伙伴进行大量的洽谈，以达成技术规范和要求的一致。

（3）缺乏相关的专业培训和教育

增材制造相关的专业培训非常有限，这使得对此技术感兴趣的非专业人员以及刚刚涉足此领域的新人无法得到所需的专业培训和指导，这限制了此技术的设计自由度和其他优势得到最大程度的发挥，从而导致一些具有商业价值的潜在应用没有得到实现。

（4）增材制造技术的认知度较低

很多人还没有真正意识到增材制造带来的影响。例如，在医疗器械行业里面，一些公司已经开始使用这项技术制造牙冠，而另外一些牙冠制造公司仍不知道增材制造这项先进技术。除去对传统制造业的影响以外，更难认识到的是这项技术对社会发展的深远意义。通过和移动互联网的高度结合，它将衍生出各种新颖的商业模式和营销模式。这些新兴的模式将如苹果、淘宝、特斯拉等公司的出现一样，改变我们现有或未来的生活方式，这也是为什么美国高调将增材制造技术遴选为首个先进制造技术，并率先成立了增材制造国家制造创新中心。

（5）一些行业对这项技术持怀疑态度

虽然增材制造技术已经被引入到在航空航天、医疗的组件生产和研发中，但其他一些行业对此技术能否满足生产要求持怀疑态度，他们觉得在日常生产使用增材制造技术有些“太高科技”。但随着时间的推移，我們已经可以看到糕点、玩具、家具、建筑等普通产品使用上这种先进技术。虽然这些应用大部分还处于原型件阶段，但前景令人期待。