摘要：本文基于增材制造技术的基本概念，回顾增材制造的发展历史，针对该技术的不同领域分析，讨论中国增材制造技术的应用现状以及发展展望。提出中国当前的增材制造技术发展迅速，集中分布在长三角、珠三角和环渤海以及陕西省区域，当前中国的增材制造在基础理论等方面亟需建设和发展。
关键词：增材制造 激光 材料 汽车
1、前言
增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗称3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术[1]。
相对于传统的、以去除材料为主的加工制造业而言，增材制造技术可以通过材料累加的手段实现从无到有，自下而上的制造工艺。其不仅仅可以实现原材料的高利用率，同时可以满足普通制造工艺无法完成的嵌套式制造手段。从而把不可能变为现实，同时又满足个性化生产的需要[2]。
2、增材制造技术发展历史
自1986年，美国科学家Charles Hull获得SLA技术发明专利，并成立全球首家增材制造公司3D Systems开始，3D打印产业拉开了帷幕。从2011年开始，全球开始掀起3D打印热潮，当前，3D打印在航空航天、汽车、医疗健康等领域的市场应用已经取得积极的进展[3]。
我国3D打印从1988年发展至今，呈现出不断深化、不断扩大应用的态势。2015-2017年的3年间，中国3D打印产业规模实现了翻倍增长，年均增速超过25%。2017年，中国3D打印领域相关企业超过500家，产业规模已达100亿元，增速略微放缓至25%左右，但仍高于全球4个百分点。2018年上半年，中国3D打印产业维持25%以上增速，2018年整体规模有望达到18.3亿美元[4]。
3、增材制造技术分类
增材制造技术主要包含增材制造材料研发、增材制造设备研发制造及增材制造应用领域等多个方面的技术领域。
根据《中国3D打印产业全景图谱》[5]的分类方法，增材制造上游为3D打印材料研发制造层，包括获得原始数据的三维扫描仪、分析和利用数据的控制软件、以及各种打印材料（非金属材料和金属材料）。3D打印存在着许多不同的技术。它们的不同之处在于以可用的材料的方式，并以不同层构建创建部件。3D打印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料。
中游为3D打印设备研发制造，主要包括熔融沉积FDM、立体平板印刷SLA、选择激光熔化SLM以及选择激光烧结SLS等；
从3D打印机类型来看，2017年，国内桌面3D打印机出货量增长27%，其中约95%是个人或桌面打印机，工业级3D打印机出货量虽只增加了5%。但从销售收入来看，工业级3D打印机占总收入的80%。所以，虽然消费级设备支撑了出货量，但工业级设备支撑了整个行业的销售收入，未来工业级3D打印设备是行业收入增长的主力军。
下游为应用领域，主要应用原型制造、模具制造、生物医疗、汽车产品等。当前在各个应用领域，增材制造技术都在突飞猛进发展。
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由于我国近年才引入3D打印技术，与国外相比差距非常大，目前全球已经发展至金属3D打印、高分子3D打印、陶瓷3D打印以及生物3D打印技术，我国则主要在层压、激光灯。不过近年来我国生物3D打印技术不断获得突破，推进了3D打印医疗器械、人工组织器官的临床转化进程。
3D打印应用领域广泛，其在下游应用行业和具体用途领域的分布反映了这一技术具有的优势和特点，同时也反映了这一技术的局限和在发展过程中尚需完善的地方。3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。目前，应用领域排名前三的是工业机械、航空航天和汽车，分别占市场份额的20.0%、16.6%和13.8%[6]。
4、增材制造技术在国内的布局
近几年来，我国3D打印市场呈现出稳中向好的态势。因此，越来越多的企业想要分这块大蛋糕，纷纷进入该领域，目前中国所有3D打印相关企业中，约有46.9%是2016年以后进入3D打印市场的。当前中国市场的主流设备品牌包括联泰、EOS、华曙、铂力特、3D Systems、GE、Stratasys、惠普等，多为国外品牌。
从区域分布来看，我国3D打印产业集聚态势明显，目前已基本形成以环渤海、长三角、珠三角为核心，以中西部部分地区为纽带的产业空间发展格局。
其中，北京、浙江、陕西、湖北、广东等省份产业发展较快。目前，北京市从事3D打印技术研发、生产与服务的企业达70家以上，2017年实现销售收入约6亿元。广东省从事3D业务的企业超过400家，实现产值超过30亿元。陕西省从事3D研发生产企业超过70家[7]。
5、增材制造技术在国内的发展前景
当前中国的企业制造能力很强，但是我们的增材制造领域的理论研究和以及功能梯度材料研究方面亟需解决。我们知道，无论是激光束还是电子束增材制造，其熔融状态的熔池很小，金属结晶过程中晶粒的增长和其凝固的速度有非常大的关系，从而影响了制品的结构件的强度，因此，需要在微小体积下的结晶过程研究分析。在此基础上，可以产生新的工艺和制造手段，比如一体液态金属打印技术，金属粉末包裹在熔融的金属里面，实现快速的增材制造。
同样，在基础领域里面，如何得到和利用高强度、任性好、重量轻的功能梯度材料，是汽车领域和医疗领域迫切需要解决的问题。比如汽车和行体结构，都需要较高的轻度和韧性的材料，比如当今已经逐步采用的碳纤维材料，当表面比较平整、面积大的部位可以采用长纤维碳纤维，但是对于局部的不规则部位，可以选择短碳纤维来实现。
参考文献：
[1][期刊论文]陈勃生，CHEN Bosheng- 《建设机械技术与管理》2015年12期
[2] 王至尧.增材制造3D打印未来[J].知识就是力量，2013（6）：14-17.
[3] 李不言，管雯珺.3D打印设备发展现状[J].中国印刷，2013（8）：81-83.
[4] 孙智强.我国3D打印产业发展现状及前景展望[J].江苏科技信息，2014（6）：19-20.
[5] 前瞻产业研究院.预见2019——《中国3D打印产业全景图谱》[J].中国包装，2019.
[6] 王秀丽，魏永辉.浅谈金属基复合材料在航空航天领域的应用与发展[J].科技创新导报，2016，13（6）：16-17.
[7] 成力为，戴小勇.研发投入分布特征与研发投资强度影响因素的分析——基于我国30万个工业企业面板数据[J].中国软科学，2012（8）：152-165.
论文作者:朱洪军
论文发表刊物:《基层建设》2019年第18期
论文发表时间:2019/9/20
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