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1、说明：本路线图是中国机械工程学会要求撰写的书中一章，请大家提出宝贵意见。意见可以直接在文中修改（修改模式下），请在4月21日前将意见反馈到分会邮箱am_，以便我们完成好相关工作。谢谢。 中国机械工程技术发展路线图第六章 增材制造（3D打印）技术概 论增材制造（Additive Manufacturing，AM）技术是上世纪80年代后期发展起来的新型制造技术。美国麦肯锡咨询公司发布的“展望2025”报告中将增材制造列入决定未来经济发展的12大颠覆性技术之一。增材制造技术过去也被称为“材料累加制造”（Material Increase Manufacturing）、“快速原型”（Rapid Pro
2、totyping）、“分层制造”（Layered Manufacturing）、 “实体自由制造”（Solid Free-form Fabrication）、“3D打印技术”（3D Printing）等。美国材料与试验协会(ASTM)F42国际委员会对增材制造给出了定义：增材制造是依据三维模型数据将材料连接制作物体的过程，相对于减法制造它通常是逐层累加过程。3D打印也常用来表示“增材制造”技术。3D喷印是指采用打印头、喷嘴或其它打印技术沉积材料来制造物体的技术，这些增材制造设备相对价格较低和总体功能较弱。更广义的原理来看，以三维CAD设计数据为基础，将材料（包括液体、粉材、线材或块材等）自动化
3、地累加起来成为实体结构的制造方法，都可视为增材制造技术。相对于车铣刨磨为代表的减材制造和铸锻为代表的等材制造技术，其发展时间短但发展潜力巨大。它从原理上突破了传统制造技术受结构复杂性制约的难题，实现从材料微观组织到宏观结构的可控制造，引领制造技术向“设计材料制造”一体化方向发展。 世界科技强国和新兴国家都将增材制造技术作为未来产业发展新的增长点加以培育和支持，以抢占未来科技产业的制高点。2012年美国提出了“重振制造业”战略，将“增材制造” 列为第一个启动项目，成立了国家增材制造研究院（NAMII）。美国政府将增材制造技术作为国家制造业发展的首要战略任务给予支持。欧盟国家认识到增材制造技术对工
4、业乃至整个国家发展的重要作用及巨大潜力，纷纷加大支持力度。德国政府在高技术战略2020和德国工业4.0战略计划实施建议等纲领性文件中，明确支持包括激光增材制造在内的新一代革命性技术的研发与创新。澳大利亚政府倡导成立增材制造协同研究中心，促进以终端客户驱动的协作研究。新加坡政府在2013年财政预算案中宣布，将5亿美元的资金用于发展增材制造技术，让新加坡的制造企业能够拥有全球最先进的增材制造技术。日本政府在2014年预算案中划拨了40亿日元，由经济产业省组织实施以增材制造技术为核心的制造革命计划。日本计划构建其完备的增材制造材料与装备体系，提高其增材制造技术的国际竞争能力。2014年6月，韩国政府
5、宣布成立增材制造工业发展委员会，批准了一份旨在使韩国在增材制造领域争取领先位置的总体规划。该规划的目标包括到2020年培养1000万创客，针对各个层次的民众制订相应的增材制造培训课程，以及为贫困人口提供相应的数字化基础设施。增材制造的发展正在带动新一轮的世界科技和产业竞争。 改革开放三十年来，释放了全民族的创造力，中国成为了制造业大国。但是，产品创新开发能力严重不足成为制约我国制造业发展的瓶颈。促进创新和创业是未来我们的核心任务。而增材制造技术为创新和创业开辟了巨大空间。增材制造可以快速高效实现新产品物理原型的制造，为产品研发提供快捷技术途径。增材制造技术降低了制造业的资金和人员技术门槛，有助
6、于催生小微制造服务业，有效提高就业水平，有助于激活社会智慧和资金资源，实现制造业结构调整，促进制造业由大变强。增材制造技术发展，给科技发展和社会进步提供了新的发展机遇。为创新开拓了巨大空间：增材制造适合应用于复杂形状结构、适合多品种小批量的制造、适合在众多的领域应用。人们可以通过拓扑优化设计及多材料制造功能梯度结构，可以最大限度地发挥材料的功能，为许多装备设计和制造带来颠覆性进步。使设计摆脱了传统技术可制造性的约束，给创新设计释放了巨大的空间。为创业提供了无限商机：增材制造带来集散制造的崭新模式，即通过网络平台，实现个性化订单、创客设计、制造设备，乃至资金的集成规划与分散实施，这一生产模式有效
7、实现社会资源的最大发挥，为全民创业和凡在制造提供技术支撑。为学科交叉提供创新手段：发展微型冶金实验平台，应用于材料基因研究，创造新合金材料；通过细胞打印、组织工程，发展器官再造，发展基因打印，为生命学科发展提供跃进式发展。为制造业升级带来重大机遇：增材制造是产品创新的利器，已经成为先进开发模式。而制造业生产能力过剩，产品开发能力严重不足，是制造业发展的瓶颈。将增材制造迅速在各个领域推广应用，是发展高技术的服务业，制造业调整结构和促进制造业由大变强的重要手段。增材制造近年来无论在基础研究、关键技术和产业发展方面都取得了飞速发展。基础研究方面，新工艺、新原理、新材料和新应用不断涌现，4D打印、太空
8、3D打印、电子3D打印、细胞3D打印、食品3D打印、建筑打印等新概念不断出现，从传统的制造业向社会的各个领域发展。基础研究展现出学科交叉引领发展。向智能材料的4D打印发展，麻省理工学院研究智能复合材料成形与后续可变形的关系，实现3D打印构件在水中自动变形。向高效成形方向发展，2015年Science以封面文章报道了利用光固化材料表面氧阻聚原理实现逐层连续成形技术，将光固化成形速度提高25到100倍，制件表面粗糙度大幅度降低。向生命体制造发展，进行细胞的3D打印，探索DNA的3D打印，研究打印组织结构与生命体再生的关系。向微电子3D打印发展，美国斯坦福大学研发出3D打印出嵌有电路构件的设备，探索
9、结构与电子系统一体化制造。向太空3D打印拓展，2014年美国将首台3D打印机送入空间站，探索太空中微重力环境、低能源保障条件下3D打印的挑战。基础研究趋势是向设计-材料-制造一体化融合发展，突破传统的设计与制造模式。关键技术突破引发产业创新。关键技术发展的方向是向功能材料、高性能、高效率和高精度发展。高性能工程塑料（尼龙、PEEK，聚酰亚胺及复合材料等）成形方面上，选区激光烧结（SLS）、熔化沉积（FDM）设备在提高成形环境温度，减少内应力方面取得进展。在金属零件制造方面的应用，钛合金的性能和精度的突破，力学性能达到锻造工艺的性能，在有效控制变形和开裂的进展，技术在航空航天和人工假体制造取得工
10、程应用；金属增材制造与传统减材制造复合的加工机床解决了结构制造与高精度的完美结合，日本DMG森精机开发出了将的增材制造功能与加工中心的切削功能集于一身的机床“LASERTEC 65 3D”。增材制造标准体系完成初步形成。2012年，美国NIST国家标准技术研究院提出了增材制造技术标准战略规划，2015年在欧盟地七框架计划的资助下近日发布了一份增材制造标准化路线图。美国ASME和欧洲ISO组织合作构建标准化体系，其中重要的是制定了新的增材制造数据标准AMF格式，标准的建立，为产业化发展解决制造质量稳定性技术瓶颈。增材制造产业高速增长。 2014年全球增材制造设备与服务增长35.2%，产值达41.
11、03亿美元，美国和以色列合作企业Stratasys设备销售量最大，其次是美国3DSystems公司，德国EOS公司设备销量市场总量2.2%。在增材制造设备中，桌面3D打印机增长量保持高速增长，增长率为92.5%，体现出增材制造技术从工业品向消费品发展的高速增长势头。美国GE公司的互联网下的大众设计的创新设计与服务模式在逐步形成，互联网下万众创新产业模式雏形已经呈现。增材制造新材料与新工艺是增材制造技术保持活力并持续发展的核心动力。随着增材制造工艺的发展，其所使用材料从最开始的液态光敏树脂，扩展到种类繁多的工程塑料、金属粉体材料，并且逐渐成熟、开展应用。增材制造工艺的发展依托与能源、材料及其交互
12、方式的创新，涉及机械、材料、物理、力学等多学科交叉领域。如图1 所示。未来，基于金属材料、非金属材料、生物材料等体系的增材制造工艺技术与装备是发展和应用的主要方向。增材制造电激光电子束？能量密度 J/cm2液态树脂聚合物生物材料金属材料陶瓷材料复合材料加热（软化）烧结融化？多种材料 图1 增材制造工艺、能源、材料交互方式第一节 增材制造基础技术一、 概述增材制造技术相对与传统制造技术是一个大的变革，无论是材料、设计、控制、标准化体系和生产模式都带了新的机遇与挑战。这些技术与增材制造技术密切相关，直接决定了增材制造技术的发展。2015年9月，美国国家增材制造创新机构发布了美国增材制造技术路线图，
13、勾勒了未来5年的该机构乃至美国增材制造工业技术发展的路径。路线图包括设计、材料、工艺、价值链和增材制造基因组等5个领域。设计技术、软件体系、生产模式和技术标准是影响基础技术和共性技术，这些问题的解决将带动整个增材制造技术整体技术的提升。二、 未来市场需求及产品（一） 设计技术：增材制造技术改变了产品的设计理念，有望实现从“制造约束设计”向“功能引领设计”的转变。增材制造不受工艺约束与限制，能够克服传统制造实现空心、多孔、网格、异质材料和功能梯度等结构制造技术瓶颈，将从根本上改变设计思路，设计从模仿型、经验型和制造优先型向创新型、数学最优化型和功能优先型发展，可实现产品结构轻量化、高性能化和低成
14、本化。美国通用电气（GE）公司将原来20个零件的发动机喷嘴集成为一件，减重25%，增效15%。这充分显示出增材制造技术给设计方法带来的变革。但是，目前缺少相关的设计理论和支撑软件技术。未来需要大力发展设计技术和相关软件技术。（二）软件技术：软件是增材制造自动化和智能化发展的核心技术。目前软件发展出现两种模式。一是专业化发展，从2000年前，3D 打印开发商就细分开发出功能完善的商业软件。比如软件市场占有率领先的Materialize 公司的产品贯穿了增材制造的整个流程，从模型修复、支撑设计、切层、到路径生成，有针对医疗行业的软件，有针对模具工业的软件，还包括面向3D 打印的ERP 软件。另外一
15、个方向是“草根化”。与专业软件面向工业客户和教育行业不同，草根化的3D 打印软件面向每个对它感兴趣的人，每个人都可以使用或维护它，比如SkeinForge,Slic3r 等。国内尚没有独立销售的3D 打印处理软件，部分厂家针对自己的设备开发了相关软件捆绑使用，但功能有限。大部分用户依赖国外软件，而且这些软件十分庞杂，良莠不齐。在使用过程中，出现难以满足使用要求、授权昂贵、使用习惯不符合等问题。未来需要大力发展增材制造软件技术，并与装备智能化发展相结合，形成通用性技术平台。（三）制造模式：在近20年中，增材制造发展迅猛，其重要性与日俱增，如何创新增材制造个性化打印定制服务是而占领这制造技术产业价
16、值链最高端，是一个崭新的课题。增材制造引发的个性化打印定制服务模式呈现出“个性化定制”和“社会化制造”的特点， 增材制造个性化打印定制服务模式带来的制造特征、组织模式、管理机制以及交易策略的方面的改变。增材制造与互联网技术相结合，实现产品个性化定制过程中不同阶段和角色的统筹协调，创新服务模式与盈利模式，通过从需求获取、创意设计、3D 打印制造至物流配送服务等产品研制的全过程服务，满足用户对产品及服务个性化、高端化、定制化的需求。目前增材制造个性化定制服务平台处于亟待开发的状态，只有少数企业在进行自身企业的个性化定制服务业务，平台的建设处于无序状态，因此，创新现有增材制造个性化打印定制服务的科技资源共享平台建设和社会化公共服务的模式，将成为增材制造产业发
