國務院發(fā)展研究中心：增材制造技術影響深遠

來源：國務院發(fā)展研究中心國際技術經(jīng)濟研究所

增材制造（Additive Manufacturing，AM）也稱3D打印技術，是指利用計算機三維設計模型，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、塑料、細胞組織等材料逐層堆積，制造出實體產(chǎn)品的技術。近年來，增材制造技術迅速發(fā)展，并逐漸在全球制造業(yè)中得到廣泛應用。本文旨在通過列舉事實和數(shù)據(jù)，展現(xiàn)增材制造當前的發(fā)展現(xiàn)狀，分析新技術給制造業(yè)帶來的挑戰(zhàn)，說明未來的發(fā)展趨勢。

一、增材制造技術發(fā)展現(xiàn)狀

增材制造技術應用領域廣泛，已在航空航天、生物醫(yī)療和國防軍工等領域獲得應用，并逐步向更多領域拓展。通過增材制造技術，越來越多的領域?qū)Ξa(chǎn)品進行了改進和創(chuàng)新，實現(xiàn)了降低成本和提高效率。

（一）航空航天領域

航空航天領域?qū)Ξa(chǎn)品的性能要求高、減重需求大、成本不敏感，部分零部件非常適合采用增材制造技術，是近年來該技術應用最多的領域。美國國家航空航天局（NASA）已對增材制造技術在航天領域的應用進行了整體布局，并探索了幾乎所有的金屬3D打印工藝。2021年5月，NASA工程人員利用增材制造技術制造出首個全尺寸銅合金火箭發(fā)動機零件。2022年10月，通用（GE）航空集團使用金屬3D打印工藝，將150多個零件合并為1個直徑為1米的高溫合金部件。2023年3月，全球首枚全3D打印火箭Relativity Space Terran1成功飛過Max-Q階段，達到預定關鍵目標，是增材制造技術大規(guī)模應用的重要里程碑。

（二）生物醫(yī)療領域

增材制造產(chǎn)品可以按需定制，且制造周期短，非常適合應用于骨科、牙科植入物等生物醫(yī)療領域。同時，增材制造技術也促進了生物領域的科研創(chuàng)新。2022年2月，荷蘭烏得勒支大學研究人員使用超快體積3D生物打印方法制造出功能性肝臟。哈佛醫(yī)學院和四川大學合作利用低溫生物3D打印技術制造出活體人類肌腱。2022年6月，美國3DBio Therapeutics公司使用3D細胞打印的活體組織植入物為一名右耳小耳畸形的患者重建了外耳。2022年8月，印度首個3D打印眼角膜成功通過動物測試。2022年12月，法國醫(yī)療機構利用3D生物打印技術完成鼻癌患者鼻子重建手術。2023年3月，美國麻省理工學院研究人員開發(fā)出一種3D打印心臟復制品的方法，提高心臟瓣膜置換手術的成功率。

（三）國防軍工領域

增材制造技術可以滿足軍工產(chǎn)品對制造速度、制造成本和產(chǎn)品重量的更高要求，各國防務部門廣泛采用。2023年2月，美國海軍戰(zhàn)略潛艇項目執(zhí)行辦公室（PEOSSBN）執(zhí)行主任Matt Sermon稱軍用造船的未來取決于金屬增材制造，美國海軍將繼續(xù)加大增材制造技術的部署力度。2022年7月，美國海軍在“黃蜂級”兩棲攻擊艦第2號艦上安裝了施樂液態(tài)金屬3D打印機，這是美國海軍艦艇上部署的第一臺金屬增材制造裝備。2022年7月，英國皇家空軍利用增材制造技術創(chuàng)建出一支無人機機隊。該機隊可快速部署，攜帶了彈藥，能摧毀戰(zhàn)略目標。2023年2月，美國海軍授權采用IperionX的回收再制造鈦合金粉末為艦船3D打印出泵組件。2023年3月，澳大利亞制造商Nupress公司與SPEE3D公司簽署合作協(xié)議，將為澳大利亞AAI公司水陸兩棲飛機項目提供3D打印定制模型和部件。

二、增材制造技術發(fā)展影響深遠

增材制造技術將改變傳統(tǒng)制造模式和供應鏈結構。傳統(tǒng)的制造模式是靠大批量生產(chǎn)來實現(xiàn)經(jīng)濟效益，而增材制造技術則支持小批量生產(chǎn)，使得定制化生產(chǎn)成為可能。利用增材制造技術，制造商不僅能夠更靈活地響應客戶需求，還能更快地推出新產(chǎn)品，提高生產(chǎn)效率，將對產(chǎn)品的設計、生產(chǎn)和分銷方式產(chǎn)生深遠影響。

（一）增材制造將改變產(chǎn)品的設計方式

傳統(tǒng)制造方法的產(chǎn)品設計受模具和工具限制，而增材制造技術的數(shù)字設計過程可以根據(jù)個性化需求進行全方位定制。例如，在醫(yī)療領域，利用增材制造技術，醫(yī)療器械商可以生產(chǎn)出根據(jù)患者特點定制的骨科植入物、脊柱側彎矯形器、助聽器等，大大提高患者適配度和術后愈合速度。

（二）增材制造將改變產(chǎn)品的生產(chǎn)方式

增材制造可以以較小的規(guī)模生產(chǎn)產(chǎn)品，使其成為原型制作和小批量生產(chǎn)的理想選擇。這不僅能解決小批量定制化成本高的問題，還縮短了制造時間，為小微企業(yè)和初創(chuàng)公司提供了新機遇。例如，美國珍珠（American Pearl）等多家珠寶公司已經(jīng)將增材制造技術應用于傳統(tǒng)的黃金珠寶首飾生產(chǎn)中。借助增材制造技術，一款按消費者個性化需求定制的珠寶首飾可在一周內(nèi)完成設計、制造和配送服務，大大改變了珠寶產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售方式。

（三）增材制造將改變供應鏈結構

由于增材制造技術可以在偏遠地區(qū)或不便采用傳統(tǒng)制造方法的地區(qū)生產(chǎn)產(chǎn)品，對于解決偏遠地區(qū)生產(chǎn)能力不足和設備零件供應不及時的問題具有重要意義。例如，通用電氣已經(jīng)采用增材制造技術生產(chǎn)出燃氣渦輪發(fā)動機的替換部件，并用于石油和天然氣鉆井平臺。此外，英國謝菲爾德大學的研究人員開發(fā)出一種3D打印無線電天線的方法，可以為偏遠地區(qū)的人們提供更強的手機信號和更快的互聯(lián)網(wǎng)連接。增材制造技術的普及將帶來更加分散的供應鏈，可在更靠近用戶的地方生產(chǎn)產(chǎn)品，減少對運輸和物流的需求。

三、增材制造技術的發(fā)展趨勢

按照技術發(fā)展的Gartner曲線，一項新技術的生命周期將歷經(jīng)誕生、過熱、低谷，到最終被人們接受。增材制造技術已出現(xiàn)多年，隨著時代發(fā)展不斷取得新的突破。憑借其研發(fā)制造周期短、材料利用率高、節(jié)省人工和產(chǎn)線建設等優(yōu)勢，近年來愈發(fā)受到關注，目前處于快速發(fā)展階段。預計未來增材制造技術的發(fā)展方向?qū)⒊尸F(xiàn)多樣化、規(guī)�；�和智能化的趨勢。

多樣化。目前，增材制造技術已經(jīng)能夠使用金屬、塑料、生物材料等多種材料進行打印，并能夠?qū)崿F(xiàn)不同材料之間的混合。未來，增材制造技術或?qū)⑦M一步提高材料的選擇性和組合性，同時實現(xiàn)多功能的打印效果。

規(guī)模化。目前，增材制造技術已實現(xiàn)了部分大尺寸物體的打印，包括房屋建筑、飛行器大型零部件等。未來，增材制造技術或?qū)⒃谔岣叽蛴∷俣群途�度的同時進一步擴大生產(chǎn)規(guī)模，實現(xiàn)大尺寸、一體化制造。

智能化。目前，人工智能（AI）技術已經(jīng)在增材制造領域被用于篩選部件、生成復雜設計和監(jiān)測質(zhì)量控制等方面。隨著以ChatGPT 為代表的新一代AI技術取得突破性進展，AI與增材制造的深度融合將進一步提高增材制造的效率和質(zhì)量。



研究所簡介

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