引言

增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)(也稱為3D打印技術(shù))是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的新型制造技術(shù)。2013年美國麥肯錫咨詢公司發(fā)布的“展望2025”報(bào)告中，將增材制造技術(shù)列入決定未來經(jīng)濟(jì)的十二大顛覆技術(shù)之一。目前，增材制造成形材料包含了金屬、非金屬、復(fù)合材料、生物材料甚至是生命材料，成形工藝能量源包括激光、電子束、特殊波長光源、電弧以及以上能量源的組合，成形尺寸從微納米元器件到10 m以上大型航空結(jié)構(gòu)件，為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展以及傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供了巨大契機(jī)。增材制造以其強(qiáng)大的個(gè)性化制造能力充分滿足未來社會(huì)大規(guī)模個(gè)性化定制的需求，以其對設(shè)計(jì)創(chuàng)新的強(qiáng)力支撐顛覆高端裝備的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造途徑，形成前所未有的全新解決方案，使大量的產(chǎn)品概念發(fā)生革命性變化，成為支撐我國制造業(yè)從轉(zhuǎn)型到創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展模式的轉(zhuǎn)換。

增材制造已經(jīng)從開始的原型制造逐漸發(fā)展為直接制造、批量制造；從3D打印，到隨時(shí)間或外場可變的4D打?。粡囊孕螤羁刂茷橹饕康牡哪Ｐ?、模具制造，到形性兼具的結(jié)構(gòu)功能一體化的部件、組件制造；從一次性成形的構(gòu)件的制造，到具有生命力活體的打?。粡奈⒓{米尺度的功能元器件制造到數(shù)十米大小的民用建筑物打印，等等，增材制造作為一項(xiàng)顛覆性的制造技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。

經(jīng)過近40年的發(fā)展，增材制造技術(shù)面向航空航天、軌道交通、新能源、新材料、醫(yī)療儀器等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)展示了重大價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，是先進(jìn)制造的重要發(fā)展方向，是智能制造不可分割的重要組成部分。增材制造技術(shù)是滿足國家重大需求、支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“國之重器”，已成為世界先進(jìn)制造領(lǐng)域發(fā)展最快、技術(shù)研究最活躍、關(guān)注度最高的學(xué)科方向之一。發(fā)展自主創(chuàng)新的增材制造技術(shù)是我國由“制造大國”向“制造強(qiáng)國”跨越的必由之路，對建設(shè)創(chuàng)新型國家、發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)、維護(hù)國家安全、實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化具有重要的意義。

1.發(fā)展現(xiàn)狀

2018年，全球增材制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達(dá)到 97.95 億美元，較2017年增加24.59億美元，同比增長33.5%；全球工業(yè)級增材制造裝備的銷量近20 000臺(tái)，同比增長17.8%，其中金屬增材制造裝備銷量近2 300臺(tái)，同比增長29.9%，銷售額達(dá)9.49億美元，均價(jià)41.3萬美元。以美國 GE公司為代表的航空應(yīng)用企業(yè)開始采用增材制造技術(shù)批量化生產(chǎn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)配件，嘗試整機(jī)制造，并計(jì)劃2021年啟用一萬臺(tái)金屬打印機(jī)，顯示了增材制造技術(shù)的顛覆性意義。相應(yīng)地，歐洲及日本等發(fā)達(dá)地區(qū)和國家也逐漸把增材制造技術(shù)納入未來制造技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃中，比如歐盟規(guī)模最大的研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃“地平線2020”，計(jì)劃7年內(nèi)(2014—2020)投資800億歐元，其中選擇10個(gè)增材制造項(xiàng)目，總投資2300萬歐元；2019年，德國經(jīng)濟(jì)和能源部發(fā)布《國家工業(yè)戰(zhàn)略2030》草案中，將增材制造列為十個(gè)工業(yè)領(lǐng)域 “關(guān)鍵工業(yè)部門”之一；2014年日本發(fā)布的《日本制造業(yè)白皮書》中，將機(jī)器人、下一代清潔能源汽車、再生醫(yī)療以及3D打印技術(shù)作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域；2016年，日本將3D打印器官模型的費(fèi)用納入保險(xiǎn)支付范圍。

我國增材制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度快，規(guī)模穩(wěn)步增長，技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)鏈條不斷完善，產(chǎn)業(yè)格局初步形成，支撐體系逐漸健全，已逐步建立起較為完善的增材制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系。根據(jù)中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)，在2015—2017年三年間，我國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模年均增速超過30%，增速高于世界平均水平；我國本土企業(yè)實(shí)現(xiàn)快速成長，涌現(xiàn)出先臨三維、鉑力特、華曙高科等一批龍頭企業(yè)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度加快。

1.1 創(chuàng)造能力在不斷提升

增材制造在相關(guān)國家科技計(jì)劃的持續(xù)支持下，已為我國航空航天、動(dòng)力能源領(lǐng)域高端裝備的飛躍發(fā)展和品質(zhì)提升作出了重要貢獻(xiàn)。目前我國已初步建立了涵蓋3D打印金屬材料、工藝、裝備技術(shù)到重大工程型號(hào)應(yīng)用的全鏈條增材制造的技術(shù)創(chuàng)新體系，整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，并在部分領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平，如我國采用激光熔覆沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)了世界上最大、投影面積達(dá)16 m2的飛機(jī)鈦合金整體承力框的增材制造；制造出了長達(dá)1.2 m的世界最大單方向尺寸的激光選區(qū)熔化鈦合金制件，解決了傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的極端復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多結(jié)構(gòu)、功能集成整體制造難題。同時(shí)，我國在增材制造技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面已經(jīng)形成一定的規(guī)模，從增材制造前處理模塊產(chǎn)業(yè)到中游的設(shè)備制造和材料生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)，再到下游的技術(shù)服務(wù)商和客戶群體，已形成小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈。

我國于2016年底建立了支撐增材制造技術(shù)發(fā)展的研發(fā)機(jī)構(gòu)——國家增材制造創(chuàng)新中心，旨在開發(fā)創(chuàng)新型增材制造工藝裝備，專注于服務(wù)產(chǎn)業(yè)的共性技術(shù)研究，推進(jìn)增材制造在各領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，聚焦技術(shù)成熟度介于4—7級的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的孵化與開發(fā)，為我國增材制造領(lǐng)域提供創(chuàng)新技術(shù)、共性技術(shù)以及信息化、檢測檢驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)研究等服務(wù)。同時(shí)一批省級增材制造創(chuàng)新中心也相繼成立或宣布籌建，形成了國家級、省級增材制造創(chuàng)新中心協(xié)同布局的發(fā)展格局，逐漸形成以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、政產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同的“1+N”增材制造創(chuàng)新體系

1.2 產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖僭鲩L

我國增材制造產(chǎn)業(yè)仍處于快速發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步增長。2018年，中國增材制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約為130億元，相較于2017年的100億元，同比增長30%。根據(jù)中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟對40家重點(diǎn)聯(lián)系企業(yè)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2018年，這些企業(yè)的總產(chǎn)值達(dá)40.63億元，比2017年的32.83億元增加7.8億元，同比增長23.8%。2018年，中國增材制造裝備保有量占全球裝備保有量的10.6%，僅次于美國(美國的該參數(shù)為35.3%)，位居全球第二。

我國增材制造產(chǎn)業(yè)已初步形成了以環(huán)渤海地區(qū)、長三角地區(qū)、珠三角地區(qū)為核心，中西部地區(qū)為紐帶的產(chǎn)業(yè)空間發(fā)展格局。其中，環(huán)渤海地區(qū)是我國增材制造人才培養(yǎng)中心、技術(shù)研發(fā)中心和成果轉(zhuǎn)化基地。長江三角洲地區(qū)具備良好經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)勢、區(qū)位條件和較強(qiáng)的工業(yè)基礎(chǔ)，已初步形成了包括增材制造材料制備、裝備生產(chǎn)、軟件開發(fā)、應(yīng)用服務(wù)及相關(guān)配套服務(wù)完整的增材制造產(chǎn)業(yè)鏈。珠三角地區(qū)，隨著粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的推進(jìn)，增材制造產(chǎn)業(yè)將得到進(jìn)一步集聚。中西部地區(qū)，陜西、廣東、湖北、山東、湖南等省份是我國增材制造技術(shù)中心和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域，集聚了一批龍頭企業(yè)和重點(diǎn)園區(qū)。

1.3 應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)拓展

增材制造技術(shù)應(yīng)用已從簡單的概念模型、功能型原型制作向功能部件直接制造方向發(fā)展，各領(lǐng)域應(yīng)用持續(xù)拓展，尤其在航空、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用更為深入。以北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京煜鼎增材制造研究院有限公司、西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司為代表的金屬增材制造產(chǎn)學(xué)研鏈條高校和企業(yè)，已初步建立了涵蓋3D打印金屬材料、工藝、裝備技術(shù)到重大工程型號(hào)應(yīng)用的全鏈條增材制造的技術(shù)創(chuàng)新體系，整體技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，并在部分領(lǐng)域居于國際領(lǐng)先水平。除此之外，在航空航天領(lǐng)域，中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)成立了增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心，旨在推動(dòng)增材制造燃油噴嘴等零部件逐步走向規(guī)模化應(yīng)用；2018年發(fā)射的嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星搭載了多個(gè)采用增材制造技術(shù)研制的復(fù)雜形狀鋁合金結(jié)構(gòu)件。在醫(yī)療領(lǐng)域，目前已有5個(gè)3D打印醫(yī)療器械獲得CFDA(中國食品藥品監(jiān)督管理總局)批準(zhǔn)上市，尤其是2019年初，第二類醫(yī)療器械定制式增材制造膝關(guān)節(jié)矯形器獲批上市，標(biāo)志著CFDA認(rèn)證的增材制造醫(yī)療器械正從標(biāo)準(zhǔn)化走向個(gè)性化。在消費(fèi)領(lǐng)域，先臨三維科技股份有限公司量產(chǎn)3D打印鞋的數(shù)量已超過一萬雙，顯示了3D打印技術(shù)在制鞋行業(yè)中的應(yīng)用前景。

2.問題與挑戰(zhàn)

從總體研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，與大多數(shù)“一帶一路”新興國家相比，我國增材制造技術(shù)處于絕對領(lǐng)先地位，但與歐洲、美國、日本等發(fā)達(dá)地區(qū)和國家相比，我國在基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵工藝技術(shù)以及高端裝備等方面仍存在較大的差距。在高端增材制造裝備商業(yè)化銷售市場，美國和德國還占據(jù)著絕對優(yōu)勢；我國高端增材制造裝備的核心元器件和商用軟件還依賴進(jìn)口；系統(tǒng)級創(chuàng)新設(shè)計(jì)引領(lǐng)的規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用還主要在美歐國家。歐美日等發(fā)達(dá)地區(qū)和國家借助資金、人才、技術(shù)和市場的優(yōu)勢，在增材制造與激光制造基礎(chǔ)理論、核心器件、工藝和裝備、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等方面均處于領(lǐng)跑水平。我國增材制造研究及產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題和挑戰(zhàn)主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 原始創(chuàng)新和變革性技術(shù)不足

近些年增材制造具有變革性的技術(shù)均來源于國外，一些顯著影響增材制造全局的重大技術(shù)進(jìn)步都來自于美歐國家，如德國的電子束高效增材制造裝備、MIT和惠普的金屬粉末床黏結(jié)劑噴射打印技術(shù)、空客公司的增材制造專用鋁合金Scalmalloy等。國內(nèi)相關(guān)技術(shù)仍然處于跟跑位置，原始創(chuàng)新能力有待加強(qiáng)和引導(dǎo)。

2.2 自主創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)的體系尚待完善

從技術(shù)創(chuàng)新層面看，知識(shí)產(chǎn)權(quán)和專利技術(shù)一直是各國搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)的主要戰(zhàn)場。目前以歐、美、日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)構(gòu)建的專業(yè)技術(shù)壁壘對我國企業(yè)在增材制造和激光制造領(lǐng)域的布局和研究產(chǎn)生了較大程度的沖擊。為打破國外技術(shù)壁壘和封鎖，擁有一套核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系是我國發(fā)展增材制造產(chǎn)業(yè)的重中之重。標(biāo)準(zhǔn)層面來看，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究往往引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，如何推行完善的行業(yè)準(zhǔn)則，使增材制造和激光制造的產(chǎn)品符合商業(yè)化的應(yīng)用是我國增材制造和激光制造標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的瓶頸。因此，建立完善的專用材料、工藝和設(shè)備，以及產(chǎn)品的檢測和評價(jià)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)也是未來所面臨的挑戰(zhàn)之一。


2.3 增材制造形性主動(dòng)控制難度大

控形與控性是增材制造工藝的兩個(gè)重要考察指標(biāo)。但是，增材制造過程中材料往往存在強(qiáng)烈的物理、化學(xué)變化以及復(fù)雜的物理冶金過程，同時(shí)伴隨著復(fù)雜的形變過程，以上過程影響因素眾多，涉及材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝過程、后處理等諸多因素，這也使得增材制造過程的材料—工藝—組織—性能關(guān)系往往難以準(zhǔn)確把握，形性的主動(dòng)、有效調(diào)控較難實(shí)現(xiàn)。因此，基于人工智能技術(shù)，發(fā)展形性可控的智能化增材制造技術(shù)和裝備、構(gòu)建完備的工藝質(zhì)量體系是未來增材制造面臨的挑戰(zhàn)之一。

2.4 生物增材制造器官功能化困難

生物制造是未來的重點(diǎn)發(fā)展方向?，F(xiàn)有生物墨水體系仿生度低、可打印性差、種類少，打印工藝穩(wěn)定性及效率低、與生物墨水匹配性差，打印組織結(jié)構(gòu)存在營養(yǎng)物質(zhì)輸送局限，因而無法實(shí)現(xiàn)真正功能化。未來需要攻關(guān)的關(guān)鍵核心技術(shù)包括：高精度微觀仿生設(shè)計(jì)及單細(xì)胞微納跨尺度建模與組裝；多尺度、多組織的生物3D打印高效調(diào)控技術(shù)；血管自組裝與網(wǎng)絡(luò)建立；保證打印大體積組織的維持、存活的生物反應(yīng)器的制造。隨著生物醫(yī)用材料從“非活體”修復(fù)到“活體”修復(fù)的趨勢轉(zhuǎn)變，生物制造面臨的戰(zhàn)略性前瞻性重大科學(xué)問題包括：如何實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)用材料的活性化、功能化構(gòu)建，甚至構(gòu)建功能性組織器官，滿足組織器官短缺、個(gè)性化新藥研發(fā)等重大需求。

3.方向發(fā)展

過去五年，增材制造實(shí)現(xiàn)了爆發(fā)式發(fā)展，從一個(gè)個(gè)的研究點(diǎn)發(fā)展為一個(gè)熱點(diǎn)的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。目前增材制造研究覆蓋了增材制造新原理、新方法、控形控性原理與方法、材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、裝備質(zhì)量與效能提升、質(zhì)量檢測與標(biāo)準(zhǔn)、復(fù)合增材制造等全系統(tǒng)，成為較為完整的學(xué)科方向。我國增材制造的發(fā)展要基于科學(xué)基礎(chǔ)的研究，面向國家戰(zhàn)略性產(chǎn)品和戰(zhàn)略性領(lǐng)域的重大需求，瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)，抓住我國“換道超車”的歷史性發(fā)展機(jī)遇，從而為我國2035年成為世界制造強(qiáng)國的重大戰(zhàn)略目標(biāo)提供支撐。為此，要以增材制造的多學(xué)科融合為核心，通過多制造技術(shù)融合、多制造功能融合，向制造的智能化、極端化和高性能化發(fā)展，必須通過自主創(chuàng)新重點(diǎn)掌握如下制造技術(shù)與裝備。

3.1 加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)問題研究

由于增材制造技術(shù)的發(fā)展歷史較短，隨著技術(shù)的發(fā)展，很多傳統(tǒng)的機(jī)理研究理論無法應(yīng)用于增材制造的物理環(huán)境和成形機(jī)制。從基礎(chǔ)科學(xué)入手加強(qiáng)增材制造新問題的研究是首先需要面對的科研方向。在近期內(nèi)需要解決的科學(xué)問題主要有：

(1)金屬成形中的強(qiáng)非平衡態(tài)凝固學(xué)。由于增材制造過程中的材料與能量源交互作用時(shí)間極短，瞬間實(shí)現(xiàn)熔化—凝固的循環(huán)過程，尤其是對于金屬材料來說，這樣的強(qiáng)非平衡態(tài)凝固學(xué)機(jī)理是傳統(tǒng)平衡凝固學(xué)理論無法完全解釋的，因此建立強(qiáng)非平衡態(tài)下的金屬凝固學(xué)理論是增材制造領(lǐng)域需要解決的一個(gè)重要的科學(xué)問題。

(2)極端條件下增材制造新機(jī)理。隨著人類越來越迫切的探索外太空的需求，增材制造技術(shù)被更多地應(yīng)用于太空探索領(lǐng)域，人們甚至希望直接在外太空實(shí)現(xiàn)原位增材制造，這種情況及類似極端條件下的增材制造機(jī)理以及增材制造制件在這種服役環(huán)境下的壽命和失效機(jī)理的研究將是相關(guān)研究人員關(guān)注的問題。

(3)梯度材料、結(jié)構(gòu)的增材制造機(jī)理。增材制造是結(jié)構(gòu)功能一體化實(shí)現(xiàn)的制造技術(shù)，甚至可以實(shí)現(xiàn)在同一構(gòu)件中材料組成梯度連續(xù)變化、多種結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)對材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)提出了挑戰(zhàn)。

(4)組織器官個(gè)性化制造及功能再生原理。具有生命活力的活體及器官個(gè)性化打印是增材制造在生物醫(yī)療領(lǐng)域中最重要的應(yīng)用之一，但無論是制造過程的生命體活力的保持，還是在使用過程中器官功能再創(chuàng)機(jī)理的研究，都還處于初期階段，需要多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域的專家學(xué)者共同努力。

3.2 解決形性可控的智能化技術(shù)與裝備

增材制造過程是涉及材料、結(jié)構(gòu)、多種物理場和化學(xué)場的多因素、多層次和跨尺度耦合的極端復(fù)雜系統(tǒng)，在此條件下，“完全按照設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)一致的、可重復(fù)的產(chǎn)品精度和性能”以及“使以往不能制造的全新結(jié)構(gòu)和功能器件變?yōu)榭赡堋笔窃霾闹圃彀l(fā)展的核心目標(biāo)。結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)來研究這一極端復(fù)雜系統(tǒng)，在增材制造的多功能集成優(yōu)化設(shè)計(jì)原理和方法上實(shí)現(xiàn)突破，發(fā)展形性主動(dòng)可控的智能化增材制造技術(shù)，將為增材制造技術(shù)的材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量和服役效能的跨越式提升奠定充分的科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展具有自采集、自建模、自診斷、自學(xué)習(xí)、自決策的智能化增材制造裝備也是未來增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。同時(shí)，重視與材料、軟件、人工智能、生命與醫(yī)學(xué)的學(xué)科交叉研究，開展重大技術(shù)原始創(chuàng)新研究，注重在航空航天航海、核電等新能源、醫(yī)療、建筑、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域拓展增材制造技術(shù)的應(yīng)用，是我國增材制造技術(shù)可望引領(lǐng)世界的關(guān)鍵之所在。形性主動(dòng)可控的智能化增材制造技術(shù)和裝備的發(fā)展將有望帶動(dòng)未來增材制造技術(shù)的前沿發(fā)展，從而提升增材制造技術(shù)應(yīng)用的可靠性，創(chuàng)造出顛覆性新結(jié)構(gòu)和新功能器件，更好地支撐國家及國防制造能力的提升。

3.3 突破制造過程跨尺度建模仿真及材料物性變化的時(shí)空調(diào)控技術(shù)

增材制造過程中材料的物性變化、形態(tài)演化以及組織轉(zhuǎn)化極大地影響了成形的質(zhì)量和性能，是增材制造實(shí)現(xiàn)從“結(jié)構(gòu)”可控成形到“功能”可控形成的基礎(chǔ)和關(guān)鍵核心。開展增材制造熔池強(qiáng)非平衡態(tài)凝固動(dòng)力學(xué)理論研究、“制造過程的納觀-微觀-宏觀跨尺度建模仿真”技術(shù)研究，以及“微米-微秒介觀時(shí)空尺度上材料物性變化的時(shí)空調(diào)控”研究，是提高我國增材制造領(lǐng)域競爭力、突破技術(shù)瓶頸的重要基礎(chǔ)。

以功能需求為導(dǎo)向，主要研究針對高分子、陶瓷等有機(jī)/無機(jī)非金屬材料，甚至細(xì)胞、因子、蛋白等生物活性材料的增材制造工藝，進(jìn)行兼具成形性能和功能要求的制造過程納觀-微觀-宏觀跨尺度建模仿真，以及微米-微秒介觀時(shí)空尺度上的原位和透視觀測技術(shù)與裝置的研究與開發(fā)，建立相應(yīng)的多尺度、多場計(jì)算模擬模型，在高時(shí)空分辨率下，研究和揭示非金屬、生物材料、細(xì)胞等在擠出、噴射、光固化等典型增材制造過程中的物性變化、形態(tài)演化、組織轉(zhuǎn)化甚至細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)入等細(xì)節(jié)過程及其影響因素，掌握工藝現(xiàn)象的本質(zhì)原理和成形缺陷的形成機(jī)制，為改進(jìn)和提高現(xiàn)有工藝水平、提升制件質(zhì)量、突破技術(shù)瓶頸奠定理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)之上，與人工智能、大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)結(jié)合，突破先進(jìn)智能材料、柔性材料、響應(yīng)性材料、生物活性墨水的增材制造關(guān)鍵技術(shù)工藝，研究打印過程中以及打印后材料物性變化規(guī)律和調(diào)控規(guī)律。

3.4 注重發(fā)展未來顛覆性技術(shù)

太空打印、生物打印(生物增材制造)是增材制造兩個(gè)具有顛覆性引領(lǐng)性質(zhì)的重大研究方向，它們既關(guān)系到我們的空天科技及生命科學(xué)前沿，又直接關(guān)系到我們的國防安全及健康生活。

太空打印可以以小設(shè)備制造大裝置，可以在太空制造巨型太陽能電站，建立月基發(fā)射基地，乃至發(fā)展成太空裝備新材料，實(shí)現(xiàn)把制造搬到天空去的美好愿望。太空打印是我們走向太空的階梯。

生物打印已經(jīng)在人工心肺制造方面顯示了良好的開端，我國應(yīng)大力發(fā)展生物打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新一代智能型醫(yī)療器械、生物機(jī)械裝置及體外生命系統(tǒng)等的原創(chuàng)性技術(shù)工藝的突破，從而占領(lǐng)基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的制高點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)我國新型生物醫(yī)療器械領(lǐng)域的自主創(chuàng)新及轉(zhuǎn)型升級。

4.發(fā)展思路

增材制造是我國實(shí)體經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級的利器。圍繞國家制造業(yè)強(qiáng)國戰(zhàn)略，針對國民經(jīng)濟(jì)和國防安全的需求，增材制造應(yīng)開展新材料、新結(jié)構(gòu)、智能控制、組織和性能調(diào)控、精度調(diào)控等研究，為增材制造主動(dòng)形性調(diào)控和智能化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。我國在增材制造領(lǐng)域正處在高速發(fā)展期，但是與歐、美、日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)相比，我國增材制造技術(shù)及設(shè)備還處于劣勢，所以推進(jìn)增材制造技術(shù)和裝備的升級和革新顯得尤為重要，這也是我國搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)的重要環(huán)節(jié)。為此要推動(dòng)高可靠、高性能、高精密增材制造工藝與裝備及其配套技術(shù)的創(chuàng)新性發(fā)展。在生物增材制造領(lǐng)域，聚焦組織器官重建，重點(diǎn)圍繞細(xì)胞/組織/器官芯片打印等進(jìn)行生物增材制造核心技術(shù)、工藝及裝備開發(fā)的研究，以攻克組織器官再造技術(shù)瓶頸，盡快實(shí)現(xiàn)皮膚等軟組織修復(fù)產(chǎn)品、血管、軟骨、膀胱等簡單結(jié)構(gòu)組織器官及腫瘤等病理模型的制造，在臨床、個(gè)性化藥物篩選與病理研究、組織再生醫(yī)療和細(xì)胞治療等領(lǐng)域初步應(yīng)用，以期提升我國生物制造核心技術(shù)水平，使之實(shí)現(xiàn)國際 “并跑”甚至“領(lǐng)跑”。

增材制造的發(fā)展將遵循“應(yīng)用發(fā)展為先導(dǎo)，技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展為目標(biāo)”的原則。應(yīng)用方面需結(jié)合增材制造工藝特點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化、創(chuàng)新型應(yīng)用的開發(fā)、個(gè)性化定制生產(chǎn)等，以拓展增材制造的應(yīng)用領(lǐng)域；利用增材制造云平臺(tái)等新模式拓展增材制造的應(yīng)用路徑；結(jié)合增材制造設(shè)備和技術(shù)的高精高效發(fā)展特點(diǎn)，應(yīng)提高增材制造批量化生產(chǎn)能力，拓展領(lǐng)域規(guī)模化應(yīng)用；結(jié)合增材制造設(shè)備的多樣化生產(chǎn)特點(diǎn)，可推廣增材制造產(chǎn)品在社會(huì)各行各業(yè)的應(yīng)用。同時(shí)，產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面，力求建立健全的增材制造產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，結(jié)合云制造、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)及其他基于工業(yè)4.0的智能集成系統(tǒng)，促進(jìn)增材制造設(shè)備和技術(shù)的全面革新，培育一批具有國際競爭力的尖端科技和制造企業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)增材制造產(chǎn)業(yè)的快速可持續(xù)發(fā)展。生物增材制造需有效促進(jìn)先進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用落地，構(gòu)筑總產(chǎn)值達(dá)千億元的生物增材制造創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)體系，培育生物增材制造產(chǎn)業(yè)國際性領(lǐng)軍企業(yè)，帶動(dòng)我國再生醫(yī)學(xué)、生物材料、醫(yī)學(xué)工程等多個(gè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

文章轉(zhuǎn)載自：中國機(jī)械工程

引言

增材制造(additive manufacturing，AM)技術(shù)(也稱為3D打印技術(shù))是20世紀(jì)80年代后期發(fā)展起來的新型制造技術(shù)。2013年美國麥肯錫咨詢公司發(fā)布的“展望2025”報(bào)告中，將增材制造技術(shù)列入決定未來經(jīng)濟(jì)的十二大顛覆技術(shù)之一。目前，增材制造成形材料包含了金屬、非金屬、復(fù)合材料、生物材料甚至是生命材料，成形工藝能量源包括激光、電子束、特殊波長光源、電弧以及以上能量源的組合，成形尺寸從微納米元器件到10 m以上大型航空結(jié)構(gòu)件，為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展以及傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級提供了巨大契機(jī)。增材制造以其強(qiáng)大的個(gè)性化制造能力充分滿足未來社會(huì)大規(guī)模個(gè)性化定制的需求，以其對設(shè)計(jì)創(chuàng)新的強(qiáng)力支撐顛覆高端裝備的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造途徑，形成前所未有的全新解決方案，使大量的產(chǎn)品概念發(fā)生革命性變化，成為支撐我國制造業(yè)從轉(zhuǎn)型到創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展模式的轉(zhuǎn)換。

增材制造已經(jīng)從開始的原型制造逐漸發(fā)展為直接制造、批量制造；從3D打印，到隨時(shí)間或外場可變的4D打?。粡囊孕螤羁刂茷橹饕康牡哪Ｐ?、模具制造，到形性兼具的結(jié)構(gòu)功能一體化的部件、組件制造；從一次性成形的構(gòu)件的制造，到具有生命力活體的打?。粡奈⒓{米尺度的功能元器件制造到數(shù)十米大小的民用建筑物打印，等等，增材制造作為一項(xiàng)顛覆性的制造技術(shù)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。

經(jīng)過近40年的發(fā)展，增材制造技術(shù)面向航空航天、軌道交通、新能源、新材料、醫(yī)療儀器等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)展示了重大價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，是先進(jìn)制造的重要發(fā)展方向，是智能制造不可分割的重要組成部分。增材制造技術(shù)是滿足國家重大需求、支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“國之重器”，已成為世界先進(jìn)制造領(lǐng)域發(fā)展最快、技術(shù)研究最活躍、關(guān)注度最高的學(xué)科方向之一。發(fā)展自主創(chuàng)新的增材制造技術(shù)是我國由“制造大國”向“制造強(qiáng)國”跨越的必由之路，對建設(shè)創(chuàng)新型國家、發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)、維護(hù)國家安全、實(shí)現(xiàn)社會(huì)主義現(xiàn)代化具有重要的意義。

1.發(fā)展現(xiàn)狀

2018年，全球增材制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值達(dá)到 97.95 億美元，較2017年增加24.59億美元，同比增長33.5%；全球工業(yè)級增材制造裝備的銷量近20 000臺(tái)，同比增長17.8%，其中金屬增材制造裝備銷量近2 300臺(tái)，同比增長29.9%，銷售額達(dá)9.49億美元，均價(jià)41.3萬美元。以美國 GE公司為代表的航空應(yīng)用企業(yè)開始采用增材制造技術(shù)批量化生產(chǎn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)配件，嘗試整機(jī)制造，并計(jì)劃2021年啟用一萬臺(tái)金屬打印機(jī)，顯示了增材制造技術(shù)的顛覆性意義。相應(yīng)地，歐洲及日本等發(fā)達(dá)地區(qū)和國家也逐漸把增材制造技術(shù)納入未來制造技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃中，比如歐盟規(guī)模最大的研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃“地平線2020”，計(jì)劃7年內(nèi)(2014—2020)投資800億歐元，其中選擇10個(gè)增材制造項(xiàng)目，總投資2300萬歐元；2019年，德國經(jīng)濟(jì)和能源部發(fā)布《國家工業(yè)戰(zhàn)略2030》草案中，將增材制造列為十個(gè)工業(yè)領(lǐng)域 “關(guān)鍵工業(yè)部門”之一；2014年日本發(fā)布的《日本制造業(yè)白皮書》中，將機(jī)器人、下一代清潔能源汽車、再生醫(yī)療以及3D打印技術(shù)作為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域；2016年，日本將3D打印器官模型的費(fèi)用納入保險(xiǎn)支付范圍。

我國增材制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度快，規(guī)模穩(wěn)步增長，技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)鏈條不斷完善，產(chǎn)業(yè)格局初步形成，支撐體系逐漸健全，已逐步建立起較為完善的增材制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系。根據(jù)中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)，在2015—2017年三年間，我國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模年均增速超過30%，增速高于世界平均水平；我國本土企業(yè)實(shí)現(xiàn)快速成長，涌現(xiàn)出先臨三維、鉑力特、華曙高科等一批龍頭企業(yè)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度加快。

1.1 創(chuàng)造能力在不斷提升

增材制造在相關(guān)國家科技計(jì)劃的持續(xù)支持下，已為我國航空航天、動(dòng)力能源領(lǐng)域高端裝備的飛躍發(fā)展和品質(zhì)提升作出了重要貢獻(xiàn)。目前我國已初步建立了涵蓋3D打印金屬材料、工藝、裝備技術(shù)到重大工程型號(hào)應(yīng)用的全鏈條增材制造的技術(shù)創(chuàng)新體系，整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，并在部分領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先水平，如我國采用激光熔覆沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)了世界上最大、投影面積達(dá)16 m2的飛機(jī)鈦合金整體承力框的增材制造；制造出了長達(dá)1.2 m的世界最大單方向尺寸的激光選區(qū)熔化鈦合金制件，解決了傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的極端復(fù)雜結(jié)構(gòu)的多結(jié)構(gòu)、功能集成整體制造難題。同時(shí)，我國在增材制造技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面已經(jīng)形成一定的規(guī)模，從增材制造前處理模塊產(chǎn)業(yè)到中游的設(shè)備制造和材料生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)，再到下游的技術(shù)服務(wù)商和客戶群體，已形成小規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈。

我國于2016年底建立了支撐增材制造技術(shù)發(fā)展的研發(fā)機(jī)構(gòu)——國家增材制造創(chuàng)新中心，旨在開發(fā)創(chuàng)新型增材制造工藝裝備，專注于服務(wù)產(chǎn)業(yè)的共性技術(shù)研究，推進(jìn)增材制造在各領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用，聚焦技術(shù)成熟度介于4—7級的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的孵化與開發(fā)，為我國增材制造領(lǐng)域提供創(chuàng)新技術(shù)、共性技術(shù)以及信息化、檢測檢驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)研究等服務(wù)。同時(shí)一批省級增材制造創(chuàng)新中心也相繼成立或宣布籌建，形成了國家級、省級增材制造創(chuàng)新中心協(xié)同布局的發(fā)展格局，逐漸形成以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、政產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同的“1+N”增材制造創(chuàng)新體系

1.2 產(chǎn)業(yè)規(guī)?？焖僭鲩L

我國增材制造產(chǎn)業(yè)仍處于快速發(fā)展階段，產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步增長。2018年，中國增材制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約為130億元，相較于2017年的100億元，同比增長30%。根據(jù)中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟對40家重點(diǎn)聯(lián)系企業(yè)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，2018年，這些企業(yè)的總產(chǎn)值達(dá)40.63億元，比2017年的32.83億元增加7.8億元，同比增長23.8%。2018年，中國增材制造裝備保有量占全球裝備保有量的10.6%，僅次于美國(美國的該參數(shù)為35.3%)，位居全球第二。

我國增材制造產(chǎn)業(yè)已初步形成了以環(huán)渤海地區(qū)、長三角地區(qū)、珠三角地區(qū)為核心，中西部地區(qū)為紐帶的產(chǎn)業(yè)空間發(fā)展格局。其中，環(huán)渤海地區(qū)是我國增材制造人才培養(yǎng)中心、技術(shù)研發(fā)中心和成果轉(zhuǎn)化基地。長江三角洲地區(qū)具備良好經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)勢、區(qū)位條件和較強(qiáng)的工業(yè)基礎(chǔ)，已初步形成了包括增材制造材料制備、裝備生產(chǎn)、軟件開發(fā)、應(yīng)用服務(wù)及相關(guān)配套服務(wù)完整的增材制造產(chǎn)業(yè)鏈。珠三角地區(qū)，隨著粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的推進(jìn)，增材制造產(chǎn)業(yè)將得到進(jìn)一步集聚。中西部地區(qū)，陜西、廣東、湖北、山東、湖南等省份是我國增材制造技術(shù)中心和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域，集聚了一批龍頭企業(yè)和重點(diǎn)園區(qū)。

1.3 應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)拓展

增材制造技術(shù)應(yīng)用已從簡單的概念模型、功能型原型制作向功能部件直接制造方向發(fā)展，各領(lǐng)域應(yīng)用持續(xù)拓展，尤其在航空、航天、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用更為深入。以北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京煜鼎增材制造研究院有限公司、西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司為代表的金屬增材制造產(chǎn)學(xué)研鏈條高校和企業(yè)，已初步建立了涵蓋3D打印金屬材料、工藝、裝備技術(shù)到重大工程型號(hào)應(yīng)用的全鏈條增材制造的技術(shù)創(chuàng)新體系，整體技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平，并在部分領(lǐng)域居于國際領(lǐng)先水平。除此之外，在航空航天領(lǐng)域，中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)成立了增材制造技術(shù)創(chuàng)新中心，旨在推動(dòng)增材制造燃油噴嘴等零部件逐步走向規(guī)模化應(yīng)用；2018年發(fā)射的嫦娥四號(hào)中繼衛(wèi)星搭載了多個(gè)采用增材制造技術(shù)研制的復(fù)雜形狀鋁合金結(jié)構(gòu)件。在醫(yī)療領(lǐng)域，目前已有5個(gè)3D打印醫(yī)療器械獲得CFDA(中國食品藥品監(jiān)督管理總局)批準(zhǔn)上市，尤其是2019年初，第二類醫(yī)療器械定制式增材制造膝關(guān)節(jié)矯形器獲批上市，標(biāo)志著CFDA認(rèn)證的增材制造醫(yī)療器械正從標(biāo)準(zhǔn)化走向個(gè)性化。在消費(fèi)領(lǐng)域，先臨三維科技股份有限公司量產(chǎn)3D打印鞋的數(shù)量已超過一萬雙，顯示了3D打印技術(shù)在制鞋行業(yè)中的應(yīng)用前景。

2.問題與挑戰(zhàn)

從總體研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，與大多數(shù)“一帶一路”新興國家相比，我國增材制造技術(shù)處于絕對領(lǐng)先地位，但與歐洲、美國、日本等發(fā)達(dá)地區(qū)和國家相比，我國在基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵工藝技術(shù)以及高端裝備等方面仍存在較大的差距。在高端增材制造裝備商業(yè)化銷售市場，美國和德國還占據(jù)著絕對優(yōu)勢；我國高端增材制造裝備的核心元器件和商用軟件還依賴進(jìn)口；系統(tǒng)級創(chuàng)新設(shè)計(jì)引領(lǐng)的規(guī)模化工業(yè)應(yīng)用還主要在美歐國家。歐美日等發(fā)達(dá)地區(qū)和國家借助資金、人才、技術(shù)和市場的優(yōu)勢，在增材制造與激光制造基礎(chǔ)理論、核心器件、工藝和裝備、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等方面均處于領(lǐng)跑水平。我國增材制造研究及產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題和挑戰(zhàn)主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 原始創(chuàng)新和變革性技術(shù)不足

近些年增材制造具有變革性的技術(shù)均來源于國外，一些顯著影響增材制造全局的重大技術(shù)進(jìn)步都來自于美歐國家，如德國的電子束高效增材制造裝備、MIT和惠普的金屬粉末床黏結(jié)劑噴射打印技術(shù)、空客公司的增材制造專用鋁合金Scalmalloy等。國內(nèi)相關(guān)技術(shù)仍然處于跟跑位置，原始創(chuàng)新能力有待加強(qiáng)和引導(dǎo)。

2.2 自主創(chuàng)新和標(biāo)準(zhǔn)的體系尚待完善

從技術(shù)創(chuàng)新層面看，知識(shí)產(chǎn)權(quán)和專利技術(shù)一直是各國搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)的主要戰(zhàn)場。目前以歐、美、日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)構(gòu)建的專業(yè)技術(shù)壁壘對我國企業(yè)在增材制造和激光制造領(lǐng)域的布局和研究產(chǎn)生了較大程度的沖擊。為打破國外技術(shù)壁壘和封鎖，擁有一套核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)體系是我國發(fā)展增材制造產(chǎn)業(yè)的重中之重。標(biāo)準(zhǔn)層面來看，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究往往引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，如何推行完善的行業(yè)準(zhǔn)則，使增材制造和激光制造的產(chǎn)品符合商業(yè)化的應(yīng)用是我國增材制造和激光制造標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的瓶頸。因此，建立完善的專用材料、工藝和設(shè)備，以及產(chǎn)品的檢測和評價(jià)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)也是未來所面臨的挑戰(zhàn)之一。


2.3 增材制造形性主動(dòng)控制難度大

控形與控性是增材制造工藝的兩個(gè)重要考察指標(biāo)。但是，增材制造過程中材料往往存在強(qiáng)烈的物理、化學(xué)變化以及復(fù)雜的物理冶金過程，同時(shí)伴隨著復(fù)雜的形變過程，以上過程影響因素眾多，涉及材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝過程、后處理等諸多因素，這也使得增材制造過程的材料—工藝—組織—性能關(guān)系往往難以準(zhǔn)確把握，形性的主動(dòng)、有效調(diào)控較難實(shí)現(xiàn)。因此，基于人工智能技術(shù)，發(fā)展形性可控的智能化增材制造技術(shù)和裝備、構(gòu)建完備的工藝質(zhì)量體系是未來增材制造面臨的挑戰(zhàn)之一。

2.4 生物增材制造器官功能化困難

生物制造是未來的重點(diǎn)發(fā)展方向?，F(xiàn)有生物墨水體系仿生度低、可打印性差、種類少，打印工藝穩(wěn)定性及效率低、與生物墨水匹配性差，打印組織結(jié)構(gòu)存在營養(yǎng)物質(zhì)輸送局限，因而無法實(shí)現(xiàn)真正功能化。未來需要攻關(guān)的關(guān)鍵核心技術(shù)包括：高精度微觀仿生設(shè)計(jì)及單細(xì)胞微納跨尺度建模與組裝；多尺度、多組織的生物3D打印高效調(diào)控技術(shù)；血管自組裝與網(wǎng)絡(luò)建立；保證打印大體積組織的維持、存活的生物反應(yīng)器的制造。隨著生物醫(yī)用材料從“非活體”修復(fù)到“活體”修復(fù)的趨勢轉(zhuǎn)變，生物制造面臨的戰(zhàn)略性前瞻性重大科學(xué)問題包括：如何實(shí)現(xiàn)生物醫(yī)用材料的活性化、功能化構(gòu)建，甚至構(gòu)建功能性組織器官，滿足組織器官短缺、個(gè)性化新藥研發(fā)等重大需求。

3.方向發(fā)展

過去五年，增材制造實(shí)現(xiàn)了爆發(fā)式發(fā)展，從一個(gè)個(gè)的研究點(diǎn)發(fā)展為一個(gè)熱點(diǎn)的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。目前增材制造研究覆蓋了增材制造新原理、新方法、控形控性原理與方法、材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、裝備質(zhì)量與效能提升、質(zhì)量檢測與標(biāo)準(zhǔn)、復(fù)合增材制造等全系統(tǒng)，成為較為完整的學(xué)科方向。我國增材制造的發(fā)展要基于科學(xué)基礎(chǔ)的研究，面向國家戰(zhàn)略性產(chǎn)品和戰(zhàn)略性領(lǐng)域的重大需求，瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點(diǎn)，抓住我國“換道超車”的歷史性發(fā)展機(jī)遇，從而為我國2035年成為世界制造強(qiáng)國的重大戰(zhàn)略目標(biāo)提供支撐。為此，要以增材制造的多學(xué)科融合為核心，通過多制造技術(shù)融合、多制造功能融合，向制造的智能化、極端化和高性能化發(fā)展，必須通過自主創(chuàng)新重點(diǎn)掌握如下制造技術(shù)與裝備。

3.1 加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)問題研究

由于增材制造技術(shù)的發(fā)展歷史較短，隨著技術(shù)的發(fā)展，很多傳統(tǒng)的機(jī)理研究理論無法應(yīng)用于增材制造的物理環(huán)境和成形機(jī)制。從基礎(chǔ)科學(xué)入手加強(qiáng)增材制造新問題的研究是首先需要面對的科研方向。在近期內(nèi)需要解決的科學(xué)問題主要有：

(1)金屬成形中的強(qiáng)非平衡態(tài)凝固學(xué)。由于增材制造過程中的材料與能量源交互作用時(shí)間極短，瞬間實(shí)現(xiàn)熔化—凝固的循環(huán)過程，尤其是對于金屬材料來說，這樣的強(qiáng)非平衡態(tài)凝固學(xué)機(jī)理是傳統(tǒng)平衡凝固學(xué)理論無法完全解釋的，因此建立強(qiáng)非平衡態(tài)下的金屬凝固學(xué)理論是增材制造領(lǐng)域需要解決的一個(gè)重要的科學(xué)問題。

(2)極端條件下增材制造新機(jī)理。隨著人類越來越迫切的探索外太空的需求，增材制造技術(shù)被更多地應(yīng)用于太空探索領(lǐng)域，人們甚至希望直接在外太空實(shí)現(xiàn)原位增材制造，這種情況及類似極端條件下的增材制造機(jī)理以及增材制造制件在這種服役環(huán)境下的壽命和失效機(jī)理的研究將是相關(guān)研究人員關(guān)注的問題。

(3)梯度材料、結(jié)構(gòu)的增材制造機(jī)理。增材制造是結(jié)構(gòu)功能一體化實(shí)現(xiàn)的制造技術(shù)，甚至可以實(shí)現(xiàn)在同一構(gòu)件中材料組成梯度連續(xù)變化、多種結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)對材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)提出了挑戰(zhàn)。

(4)組織器官個(gè)性化制造及功能再生原理。具有生命活力的活體及器官個(gè)性化打印是增材制造在生物醫(yī)療領(lǐng)域中最重要的應(yīng)用之一，但無論是制造過程的生命體活力的保持，還是在使用過程中器官功能再創(chuàng)機(jī)理的研究，都還處于初期階段，需要多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域的專家學(xué)者共同努力。

3.2 解決形性可控的智能化技術(shù)與裝備

增材制造過程是涉及材料、結(jié)構(gòu)、多種物理場和化學(xué)場的多因素、多層次和跨尺度耦合的極端復(fù)雜系統(tǒng)，在此條件下，“完全按照設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)一致的、可重復(fù)的產(chǎn)品精度和性能”以及“使以往不能制造的全新結(jié)構(gòu)和功能器件變?yōu)榭赡堋笔窃霾闹圃彀l(fā)展的核心目標(biāo)。結(jié)合大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)來研究這一極端復(fù)雜系統(tǒng)，在增材制造的多功能集成優(yōu)化設(shè)計(jì)原理和方法上實(shí)現(xiàn)突破，發(fā)展形性主動(dòng)可控的智能化增材制造技術(shù)，將為增材制造技術(shù)的材料、工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量和服役效能的跨越式提升奠定充分的科學(xué)和技術(shù)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展具有自采集、自建模、自診斷、自學(xué)習(xí)、自決策的智能化增材制造裝備也是未來增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。同時(shí)，重視與材料、軟件、人工智能、生命與醫(yī)學(xué)的學(xué)科交叉研究，開展重大技術(shù)原始創(chuàng)新研究，注重在航空航天航海、核電等新能源、醫(yī)療、建筑、文化創(chuàng)意等領(lǐng)域拓展增材制造技術(shù)的應(yīng)用，是我國增材制造技術(shù)可望引領(lǐng)世界的關(guān)鍵之所在。形性主動(dòng)可控的智能化增材制造技術(shù)和裝備的發(fā)展將有望帶動(dòng)未來增材制造技術(shù)的前沿發(fā)展，從而提升增材制造技術(shù)應(yīng)用的可靠性，創(chuàng)造出顛覆性新結(jié)構(gòu)和新功能器件，更好地支撐國家及國防制造能力的提升。

3.3 突破制造過程跨尺度建模仿真及材料物性變化的時(shí)空調(diào)控技術(shù)

增材制造過程中材料的物性變化、形態(tài)演化以及組織轉(zhuǎn)化極大地影響了成形的質(zhì)量和性能，是增材制造實(shí)現(xiàn)從“結(jié)構(gòu)”可控成形到“功能”可控形成的基礎(chǔ)和關(guān)鍵核心。開展增材制造熔池強(qiáng)非平衡態(tài)凝固動(dòng)力學(xué)理論研究、“制造過程的納觀-微觀-宏觀跨尺度建模仿真”技術(shù)研究，以及“微米-微秒介觀時(shí)空尺度上材料物性變化的時(shí)空調(diào)控”研究，是提高我國增材制造領(lǐng)域競爭力、突破技術(shù)瓶頸的重要基礎(chǔ)。

以功能需求為導(dǎo)向，主要研究針對高分子、陶瓷等有機(jī)/無機(jī)非金屬材料，甚至細(xì)胞、因子、蛋白等生物活性材料的增材制造工藝，進(jìn)行兼具成形性能和功能要求的制造過程納觀-微觀-宏觀跨尺度建模仿真，以及微米-微秒介觀時(shí)空尺度上的原位和透視觀測技術(shù)與裝置的研究與開發(fā)，建立相應(yīng)的多尺度、多場計(jì)算模擬模型，在高時(shí)空分辨率下，研究和揭示非金屬、生物材料、細(xì)胞等在擠出、噴射、光固化等典型增材制造過程中的物性變化、形態(tài)演化、組織轉(zhuǎn)化甚至細(xì)胞的基因轉(zhuǎn)入等細(xì)節(jié)過程及其影響因素，掌握工藝現(xiàn)象的本質(zhì)原理和成形缺陷的形成機(jī)制，為改進(jìn)和提高現(xiàn)有工藝水平、提升制件質(zhì)量、突破技術(shù)瓶頸奠定理論基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)之上，與人工智能、大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)結(jié)合，突破先進(jìn)智能材料、柔性材料、響應(yīng)性材料、生物活性墨水的增材制造關(guān)鍵技術(shù)工藝，研究打印過程中以及打印后材料物性變化規(guī)律和調(diào)控規(guī)律。

3.4 注重發(fā)展未來顛覆性技術(shù)

太空打印、生物打印(生物增材制造)是增材制造兩個(gè)具有顛覆性引領(lǐng)性質(zhì)的重大研究方向，它們既關(guān)系到我們的空天科技及生命科學(xué)前沿，又直接關(guān)系到我們的國防安全及健康生活。

太空打印可以以小設(shè)備制造大裝置，可以在太空制造巨型太陽能電站，建立月基發(fā)射基地，乃至發(fā)展成太空裝備新材料，實(shí)現(xiàn)把制造搬到天空去的美好愿望。太空打印是我們走向太空的階梯。

生物打印已經(jīng)在人工心肺制造方面顯示了良好的開端，我國應(yīng)大力發(fā)展生物打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新一代智能型醫(yī)療器械、生物機(jī)械裝置及體外生命系統(tǒng)等的原創(chuàng)性技術(shù)工藝的突破，從而占領(lǐng)基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的制高點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)我國新型生物醫(yī)療器械領(lǐng)域的自主創(chuàng)新及轉(zhuǎn)型升級。

4.發(fā)展思路

增材制造是我國實(shí)體經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級的利器。圍繞國家制造業(yè)強(qiáng)國戰(zhàn)略，針對國民經(jīng)濟(jì)和國防安全的需求，增材制造應(yīng)開展新材料、新結(jié)構(gòu)、智能控制、組織和性能調(diào)控、精度調(diào)控等研究，為增材制造主動(dòng)形性調(diào)控和智能化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。我國在增材制造領(lǐng)域正處在高速發(fā)展期，但是與歐、美、日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)相比，我國增材制造技術(shù)及設(shè)備還處于劣勢，所以推進(jìn)增材制造技術(shù)和裝備的升級和革新顯得尤為重要，這也是我國搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)的重要環(huán)節(jié)。為此要推動(dòng)高可靠、高性能、高精密增材制造工藝與裝備及其配套技術(shù)的創(chuàng)新性發(fā)展。在生物增材制造領(lǐng)域，聚焦組織器官重建，重點(diǎn)圍繞細(xì)胞/組織/器官芯片打印等進(jìn)行生物增材制造核心技術(shù)、工藝及裝備開發(fā)的研究，以攻克組織器官再造技術(shù)瓶頸，盡快實(shí)現(xiàn)皮膚等軟組織修復(fù)產(chǎn)品、血管、軟骨、膀胱等簡單結(jié)構(gòu)組織器官及腫瘤等病理模型的制造，在臨床、個(gè)性化藥物篩選與病理研究、組織再生醫(yī)療和細(xì)胞治療等領(lǐng)域初步應(yīng)用，以期提升我國生物制造核心技術(shù)水平，使之實(shí)現(xiàn)國際 “并跑”甚至“領(lǐng)跑”。

增材制造的發(fā)展將遵循“應(yīng)用發(fā)展為先導(dǎo)，技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展為目標(biāo)”的原則。應(yīng)用方面需結(jié)合增材制造工藝特點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化、創(chuàng)新型應(yīng)用的開發(fā)、個(gè)性化定制生產(chǎn)等，以拓展增材制造的應(yīng)用領(lǐng)域；利用增材制造云平臺(tái)等新模式拓展增材制造的應(yīng)用路徑；結(jié)合增材制造設(shè)備和技術(shù)的高精高效發(fā)展特點(diǎn)，應(yīng)提高增材制造批量化生產(chǎn)能力，拓展領(lǐng)域規(guī)模化應(yīng)用；結(jié)合增材制造設(shè)備的多樣化生產(chǎn)特點(diǎn)，可推廣增材制造產(chǎn)品在社會(huì)各行各業(yè)的應(yīng)用。同時(shí)，產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面，力求建立健全的增材制造產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，結(jié)合云制造、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)及其他基于工業(yè)4.0的智能集成系統(tǒng)，促進(jìn)增材制造設(shè)備和技術(shù)的全面革新，培育一批具有國際競爭力的尖端科技和制造企業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)增材制造產(chǎn)業(yè)的快速可持續(xù)發(fā)展。生物增材制造需有效促進(jìn)先進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用落地，構(gòu)筑總產(chǎn)值達(dá)千億元的生物增材制造創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)體系，培育生物增材制造產(chǎn)業(yè)國際性領(lǐng)軍企業(yè)，帶動(dòng)我國再生醫(yī)學(xué)、生物材料、醫(yī)學(xué)工程等多個(gè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

文章轉(zhuǎn)載自：中國機(jī)械工程