国内增材制造（3D打印）技术发展现状与研究趋势

摘要：增材制造又称3D打印，由于具有个性化、高难度、复杂化等优势，引起国内各方广泛关注，被认为是“中国制造2025”的支柱。文章介绍了国内增材制造技术发展现状，分析了国内增材制造行业目前面临的问题，探讨了国内增材制造的研究趋势。

关键词：增材制造技术；3D打印；中国制造2025；发展趋势；快速成型技术 文献标识码：A

中图分类号：TG669 文章编号：1009-2374（2016）24-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.24.013

增材制造技术又称“快速成型技术”或“3D打印技术”，其中“快速成型”和“增材制造”的提法主要用于学术专业领域，而“3D打印”提法则更加浅显易懂。增材制造技术是通过CAD设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术，相较对于传统的材料去除（切削加工）技术，是一种“自上而下”材料累加的制造方法。随着技术的不断成熟，3D打印技术越来越多地在制造、医疗、文创、航空航天等产业中得到应用。随着《国家增材制造产业发展推进计划（2015～2016年）》和《中国制造2025》相继出台，增材制造技术正越来越受到关注。本文将对国内增材制造技术发展现状进行概括综述，分析增材制造行业目前面临的问题，并探讨增材制造研究趋势。

1 国内发展现状

增材制造技术，在美国于19世纪末出现，并在20世纪80年代得到实现与发展。自20世纪90年代传入我国，受到国内高校与科研机构的重视。增材制造技术在我国发展已有30年，但是近年来才为人们广泛熟知。无论是增材制造设备，还是新型材料的研发以及与传统制造相结合的衍生技术，国内均有研究并且取得突破。现今，增材制造在“中国制造2025”推动下，正迎来前所未有的机遇期，众多高校、科研机构、企业甚至各地方政府都积极参与其中。

1.1 高校和科研机构方面

在增材制造技术的研究中，我国国内高校和科研机构起步也比较早。早在20世纪90年代初，清华大学、西安交通大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校就开始了对增材制造的研究。各高校均有其不同的技术优势，其中华中科技大学的优势在于选择性激光烧结技术（SLS），清华大学侧重熔融沉积成型技术（FDM），北京航空大学和西北工业大学主要集中在金属领域，西安交通大学则主要集中在立体光固化成型技術（SLA）。形成了以清华大学颜永年团队、北京航空航天大学王华明团队、华中科技大学史玉升团队、西安交通大学卢秉恒团队、西北工业大学黄卫东团队、华南理工大学杨永强团队为代表的科研团体，代表着中国增材制造技术研究的最高水平。此外，大连理工大学、南京航空航天大学、中北大学以及中科院深圳先进研究院、自动化所等科研机构也都在设备研制、软件开发、产品制造和材料研发等领域开展了一系列的研究。高校科研机构的研究成果一般会通过相关公司进行吸收与转化，并为企业提供技术指导。

1.2 公司方面

科研机构研究成果的应用最终要通过企业对接市场完成。增材制造行业市场潜能巨大，吸引了众多公司参与其中。目前，国内从事增材制造行业的公司大致可以分为两类：一类是传统制造行业转型而来的公司，这些公司往往具有雄厚的资金支持；另一类是海外归国或高校科研机构人员组成的公司，这些公司掌握着核心技术。

2 国内增材制造发展面临的问题

2.1 材料方面

增材制造技术的核心在于材料，打印材料的性能决定着产品的强度、刚度等力学性能以及粗糙度、稳定性和相容性等其他特殊性能。材料价格也是一个绕不开的话题，以工业领域应用较为广泛的钛合金粉末为例，每公斤的价格为5000元左右。目前，我国增材制造材料缺乏行业标准，国内有能力生产增材制造材料的公司很少，尤其是金属、光固化等材料主要依赖进口，费用高。

2.2 制造精度与打印速度方面

由于增材制造是分层叠加制造而成，这就引起了成品台阶效应的产生。这不仅影响了成品的美观，同时不可避免地造成精度上的偏差。在增材制造产品生产过程中，影响产品精度是多方面的，如设备本身精度、材料性能、工艺参数的设定、产品翘曲等。对于增材制造，精度和速度有时是一对矛盾体。制造精度与打印速度之间的矛盾：分层厚度小，模型精度有保证，但打印时间长；反之，打印时间缩短，但易导致模型阶梯误差大。有时为了保证打印的精度，不得不以牺牲速度为代价。

2.3 知识产权方面

增材制造颠覆了传统制造行业，并且已经开始挑战知识产权。如果物品可以用电子文件来表述，就会容易复制和传播，当然盗版等侵权现象也会随之出现。发明创造有三类：发明、实用新型和外观设计。发明和实用新型注重物体结构，而外观设计则注重物体外形。增材制造涉及物体结构和外形，因此增材制造与知识产权关系密切。同时增材制造还涉及专利法、著作权法、商标法等法律法规。增材制造作为一个新兴的行业，正处于快速发展时期，而目前关于知识产权的法律法规还存在着一些滞后性。

2.4 行业标准方面

增材制造行业标准的缺失是目前国内增材制造行业乱象丛生的根源。目前，在世界范围内也没有关于增材制造行业完善的行业标准，这就导致了畸形扩张、恶性竞争等问题的出现，这一点在中国国内显得尤为明显。在增材制造行业中，我国经过30年的发展，已经涌现出以湖南华曙高科技有限责任公司为代表，拥有行业发言权的企业。这些企业应该积极参与国际国内行业标准的制定，推动我国领先领域的国内标准成为国际标准，从而更好地规范行业发展。

2.5 安全方面

增材制造在安全方面的问题，主要包括两个方面：第一，打印材料有害。以目前最为常用光固化材料为例，它含有挥发性有机化合物（VOC），对环境及人体健康有一定的损害；第二，打印产品危害国家安全。2012年，25岁的美国大学生威尔森利用增材制造技术制造了手枪，并且把关于打印手枪的完整数据包上传到网上。这就意味着任何人都可以在家中进行打印，由此引发了关于安全方面的讨论。

2.6 尺寸方面

国内增材制造设备一直面临着装备成型尺寸小、生产零件受限、无法满足大型工业设备的现象。目前世界上最大的3D打印机，工作面尺寸也仅仅为400毫米×400毫米。由重庆大学牵头的“3D打印关键技术与装备研制”项目，计划制造出工作面尺寸为2米×2米的3D打印机，届时该问题将会得到有效解决。

3 增材制造研究趋势

3.1 集成化

增材制造是高端制造业的重点方向，在制造业中居于核心位置。增材制造应包括制造工艺、核心元器件和技术标准及智能化系统集成。同时将增材制造与传统制造相结合，使增材制造成为传统制造的补充与拓展。

3.2 精度化与快速化

提高产品的制造精度和打印速度，将会成为未来增材制造设备一个重要发展方向。增材制造技术自从诞生以来，一直沿用逐层堆积加工的方式，这一思想在大多数增材制造设备中都能得以体现。但是这种方法会面临一个矛盾现象：精度提高速度下降，速度提高精度下降。我国制造业的发展需要二者兼得，通过将精度与速度双提高，来增加产品竞争力。

3.3 材料通用化、专业化和多样化

目前，国内增材制造行业面临着材料种类少，不能通用，质量没有相应标准的现象。未来增材制造材料应当克服这些问题，朝着通用化、专业化和多样化的方向发展。首先，材料通用化，可以使同一材料用于多種设备；其次，材料专业化，规范材料标准，保障材料的稳定性；最后，材料多样化，增加增材制造材料种类，满足不同产品需求。

4 结语

增材制造技术正在成为我国制造业升级的关键技术。从长远考虑，随着增材制造技术的发展与完善，该技术应用范围将非常广阔，并对传统制造业产生重要影响。增材制造技术有利于“中国制造2025”计划的推进，并将为我国制造强国的实现发挥重要作用。

参考文献

[1] 卢秉恒，李涤尘.增材制造（3D打印）技术发展[J].机械制造与自动化，2013，（4）.

[2] 陈雪.3D打印技术在医学中的发展应用[J].广东科技，2014，（15）.

[3] 李坚，许民，包文慧.影响未来的颠覆性技术：多元材料混合智造的3D打印[J].东北林业大学学报，2015，（6）.

[4] 杜宇雷，孙菲菲，原光，翟世先，翟海平.3D打印材料的发展现状[J].徐州工程学院学报（自然科学版），2014，（1）.

[5] 李金华，张建李，姚芳萍，苏智超.3D打印精度影响因素及翘曲分析[J].制造业自动化，2014，（21）.

[6] 刘利刚，徐文鹏，王伟明，杨周旺，刘秀平.3D打印中的几何计算研究进展[J].计算机学报，2015，（6）.

[7] 王刚.知识产权视角下的3D打印技术[J].电视技术，2013，（37）.

[8] 晁兵.企业专利申请的过程控制[J].中国涂料，2010，（7）.

[9] 国家增材制造产业发展推进计划（2015～2016年）

[J].电加工与模具，2015，（8）.

[10] 朱俊飞，周美华.光引发剂的生产现状[J].精细与专用化学品，2003，（19）.

作者简介：伏欣（1995-），男，江苏扬州人，兰州理工大学机电工程学院本科在读学生，研究方向：机械设计制造及其自动化。

（责任编辑：黄银芳）