增材制造原理及技术前言(增材制造国内外产业及科研发展趋势深度分析)

增材制造（通常又称3D打印），是以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺（GB/T35351-2017，2.2.1），被《“十三五”国家科技创新规划》列为重要的颠覆性技术之一，在航空、航天、医疗、兵器、船舶、核工业、汽车、轨道交通、家电、模具、文化创意等领域展现出非常广阔的应用前景。据增材制造（AM）市场的领先行业分析公司SmarTechAnalysis发布的数据显示，2018年全球增材制造市场价值达到了93亿美元。

在增材制造技术与装备方面，欧洲、美国等工业发达国家和地区一直引领着全球增材制造技术与装备的研究与发展，无论是在原始创新力、市场竞争力还是工业领域的应用方面，均处于全球领先地位。日本、韩国、新加坡和澳大利亚等国也在积极推动增材制造技术与装备的研究与开发，但尚未形成一定规模。与前几年相比，2018年全球企业呈现出了更加激烈的竞争局势。

我国3D打印的研究起步于20世纪90年代，最早由清华大学颜永年团队、北京航空航天大学王华明团队、西安交通大学卢秉恒院士团队、华中科技大学史玉升研究团队及西北工业大学黄卫东团队等为代表，开展了一系列重要科研和产业化推进工作，取得了一系列成果，奠定了发展基础。2002年大连理工大学姚山教授提出了轮廓失效3D打印方法（ProfileInvalidationRapidPrototying，简称PIRP法），解决了设备大型化与制件成本、效率、精度上的矛盾，并于2013年将3D打印机加工面积扩展至1.8m×1.8m[9]。此外，华中科技大学史玉升团队在2010年时，也研制出了加工面积为1.2m×1.2m的3D打印机。2013年，华中科技大学张海鸥教授提出了熔融沉积-连续轧制复合直接制造金属零件的方法，有效提高了制造精度、效率、成形件组织性能。

近两年我国在3D打印领域，取得一定进展，其中在3D打印热固性材料领域取得重要进展。3D打印技术方面，微纳增材制造技术、液态金属悬浮3D打印技术、“直写式”3D微打印技术等方面取得突破。2018年11月，北京AFS隆源自动成型系统有限公司联合北京科技大学成功开发梯度材料金属铺粉3D打印设备AFS-M120X。

在增材制造材料方面，增材制造材料目前的发展前沿仍主要集中在欧美地区，伴随着增材制造技术的迅猛发展，材料体系也日趋丰富，产品性能不断优化，在航空、航天、生物医疗、汽车和工业等领域逐步得到推广和规模化产业应用。我国和日本、印度等其它国家也在增材制造材料领域积极布局，处于跟跑阶段。我国增材制造研究起步仅比欧美晚3至5年，近年来发展非常迅速。然而材料作为发展的必要物质基础和保障，其产业化在我国仍处于起步阶段，在材料性能、产品体系健全程度上与先进国家相比存在一定差距。

2018年至2019年，国外在增材制造材料方面取得重要突破，据日立于2019年3月6日的官方消息，日立制作所和日立金属开发出可利用3D打印机成型耐腐蚀性和强度出色的新合金；英国帝国理工学院团队报告了一种全新人造超材料——强度增加但质量较轻，这种材料是利用多向晶格，并结合3D打印技术制成，而其中新型晶格则是根据强金属合金的基本原理设计的。这些成果的发现将会为科学界带来更加坚固且适合于各种应用的轻型3D打印材料。

近年来，我国增材制造材料产业发展非常迅速，优势企业主要集中在北京、河北、江苏、陕西、湖南、广东等地区。这些企业大都围绕自身增材制造装备以及应用领域开发材料体系，最初的研发工作大都依托国内实力雄厚的高校、科研院所和行业领军人物，后逐步加强自主研发和行业战略合作，在增材制造材料研发实力和产业化推进上处于全国领先地位。我国在3D打印热固性材料领域取得重要进展，东华大学材料学院游正伟教授团队基于新近发展的热固性材料3D打印新技术，构筑了具有三维立体多孔结构的纳米摩擦发电机（3DP-TENG）。

目前产业上的进展多为3D打印工艺以及设备的改进，以提高精细化程度。事实上现有技术在达到高精度标准的同时，正力求打印出与铸造成品性能相当的产品。但目前还面临的一个问题是可用的打印材料不够丰富，因此更多的学术研究放在了可打印材料的研发上。我国增材制造全产业链未能达到有效协同发展，高校、科研院所和企业间虽然已经建立了部分合作机制，但是整体上凝聚力不强。

我国要立足技术自身特点，做好产业顶层设计，避免重复性投资和产业过热；推动增材制造技术成果的产业化，加强增材制造新材料的研发；推动增材制造技术与传统工艺的互补协调发展；加快建立适应科技创新和产业发展的高质量标准体系。