§发达国家3D打印的战略规划及发展经验

美国

1.美国发展3D打印的战略规划

美国政府认为3D打印技术的发展是提高美国制造业竞争力的一条捷径，3D打印技术使美国在与低成本国家竞争时有更多优势。对于3D打印技术的推动，美国政府的作用主要体现在3个层面，即国家战略、路线图、研究计划及执行。

在国家战略层面，奥巴马政府出台了诸多促进3D打印技术发展的计划，如2011年的“先进制造伙伴关系计划”（AMP），2012年2月的《先进制造国家战略计划》，2012年3月投资10亿美元实施的“国家制造业创新网络”计划（NNMI）等。这些战略计划都将增材制造技术（即3D打印技术）视为未来美国关键的制造技术。伴随计划的颁布，实际的行动也铿锵有力：2012年4月，“增材制造技术”被确定为首个制造业创新中心；2012年8月，作为“国家制造业创新网络”计划的一部分，位于俄亥俄州扬斯敦的美国国家增材制造创新研究院（National　Additive　Manufacturing　Innovation　Institute）（简称NAMII）成立（见图4-1及附录），美国商务部、能源部和国防部等5家政府部门共同出资4500万美元，3000万美元是首笔资金；西弗吉尼亚州、宾夕法尼亚州和俄亥俄州的非营利性组织、学校和企业组成的联合团体出资4000万美元，该研究院共得到7000万美元。可以说，该研究院的实质即是一个公私合作研究机构，其由产、学、研三方成员共同组成，致力于开发增材制造技术和产品，增强国内制造业竞争力。

美国国家增材制造创新研究院（NAMII）的工作目标是加快增材制造技术在制造业中的发展，增强国内制造业竞争力。该机构确定了三大工作重点：一是构建增材制造信息和研究开放交流的高度协作的基础平台。二是促进增材制造技术发展、评价、以及灵活有效的技术布局。三是培养适应增材制造技术和产业发展、领先的人才队伍，包括教育学生和培训技术工人。

NAMII目前主要研究三项技术主题：（1）打印材料特性和效能的研究。了解材料的性质和特点，是确保增材制造技术能够被大规模采用的关键。具体的重点领域包括开发材料数据库，获取更广泛的测试结果；设计材料性能；数据访问和共享平台；管理材料变化的方法等。这部分工作的聚焦点是加速材料及材料系统的转换，为增材制造从材料需求到过程加工建立无缝路径。（2）资格鉴定和认证测试。快速部署增材制造产品的测试、鉴定和认证方法及系统，是增材制造应用的关键。具体的重点领域包括快速鉴定和认证的方法；鉴定和认证的创新技术；建模和仿真；过程可变性的量化；用以提高可靠性、优化流程和提高速度的简化可变性的识别方法；供应商认证等。这部分工作重点应放在为符合资质和认证的产品消除障碍和加快上市时间上面。（3）加工能力和过程控制。全面了解工艺参数之间的关系以及由此产生的产品将如何推动增材制造工艺。具体的重点领域包括工艺的可重复性和产量的提高；开发输出模型的预测算法；提高零件质量；原位自适应控制系统。这一主题的努力方向是通过增材制造加工过程的改进提高其普及性。

此外，美国还不断在其他地方新建类似的中心，使企业与美国国防部和能源部合作，将落后于全球化的地区转变成全球的高科技中心，如2014年2月，美国政府拨款1.4亿再建两家制造创新中心：位于芝加哥的数字制造与设计创新研究所（Digital　Manufacturing　and　Design　Innovation　Institute），专注于高科技数字化制造和设计，以及位于底特律郊外的轻质现代金属制造创新研究所（Lightweight　and　Modern　Metals　Manufacturing　Innovation　Institute），专注于铝、钛等轻金属以及高强度钢材的制造技术研发。其它非联邦机构也提供了相同金额的资金，也就是说，这两家新的制造创新中心共可获得2.8亿美元的研发资金。

1998年和2009年美国分别两度发布增材制造技术路线图。2009年第2个面向未来10～12年的增材制造技术研发路线图研讨会由美国学界召开，有65名专家学者参加，来自政府、企业界和学界，对于增材制造技术的发展，制定了未来10～12年的研究指南。该研讨会关注增材制造技术的多个方面的未来前景，如工艺建模与控制、生物医药应用、设计、材料、教育和研发、能源与可持续发展等。经过整体评估，增材制造技术如果能够被推动处于发展的前沿，更大的发展机遇将会被创造。建立美国国家测试床中心（National　Test　Bed　Center,　NTBC）是该路线图报告提出的关键建议，中心主要对未来该领域的人力资源发展和设备进行推动，且将制造研究的概念进行展示。基于2009年的路线图，爱迪生焊接研究所（Edison　Welding　Institute,　EWI）（北美焊接和材料结合工程技术领导组织）建立增材制造联盟（AMC），以国家为基础，使得增材制造技术的成熟度提高，对增材制造技术进行倡导资助，促使新兴技术层面向主流制造技术层面推进。AMC目前包括33个企业成员与合作组织，包含重要的大学研究机构、小型企业、大型企业和政府机构。

与此同时，2009年和2010年美国空军和海军分别举行了增材制造技术研讨会，该研讨会以任务为导向。2011年，材料与过程工程促进会（SAMPE）召开多方参与的研讨会，直接零部件制造是会议的专注点。2012年2月，增材制造技术研讨会由科学技术情报委员会和橡树岭国家实验室合作举办，研讨该技术的最新发展情况。面向学术界的是，德克萨斯大学举办的年度固体无模成型研讨会；面向企业界的是，美国制造工程师协会举办RAPID会议和展览会。

基于对上述分析的总结，可以得出以下值得关注的信息：

（1）2009年之后，以3D打印为代表的增材制造技术得到了美国政府的重视。基于金融危机的影响，美国政府快速寻找新的增长点以振兴制造业。此外，与3D打印相关的技术专利正逐步失效。20世纪80年代中后期，3D打印技术的研发开始，20世纪90年代相关的技术专利开始申请，然而因为有效期届满，目前这些专利的大部分都已失效。2009年因为有效期届满而失效的就有美国Loctite公司的US5167882立体光刻造型（Stereolithography　method）专利、US5137662通过立体光刻造型技术制造三维物体的仪器和方法（Method　and　apparatus　for　production　of　three-dimensional　objects　by　stereolithography）和美国3D　Systems公司的US5174931立体光刻造型的仪器和方法（Method　of　andapparatus　for　making　a　three-dimensional　product　by　stereolithography）。

（2）美国军方特别重视3D打印代表的增材制造技术。首先，3D打印技术能够迅速制造复杂结构零件，具有较低的制造样本成品，适合小批量生产，对于军工产品的需求，这些特征足以满足。其次，美国军工产业强，而一般制造业较为薄弱，军工的优势如资金雄厚、研发能力强、研发基础好和管理模式成熟，可以推动一般制造业的复兴。如，美国政府2011年出台的“先进制造伙伴关系”计划以及2012年出台的美国国家制造业创新网络等，美国国防部均参与其中。

（3）3D打印技术路线图的主要参与方正在由美国国家科学基金会、海军研究办公室等政府部门转向爱迪生焊接研究所、材料与过程工程促进会等行业机构。橡树岭国家实验室也与企业保持着密切的合作关系，如2012年6月，橡树岭国家实验室与Stratasys公司签署合作协议，将共同推动熔融沉积成型增材制造技术的进步。

在研究计划及执行层面，美国福特走在了前面。福特正在开发一种高度灵活的新型3D打印制造技术，福特称其为自由曲面加工技术（F3T），以降低小批量消费钣金零件所需的本钱和时间。F3T技术制造三维外形的模具仅仅需要几个小时，一旦投产，原型制造在三日内便能够完成，假如依照传统办法，则需要两到六个月。而且，F3T技术也为产品制造提供了更广的个性化选择。但目前F3T技术仍处于早期阶段，仅能提供小范围应用，还无法满足大批量消费。该技术在航空航天、国防、交通运输和家电行业中也具有宽广的应用前景。美国能源部计划对新一代产品提供704万美元的能源补助，以推进节能高效的制造工艺。包括福特和其他协作者在内的五个创新制造项目，初期展开阶段三年，取得了总额为235万美元的能源资助。

2.美国3D打印的发展

如今，美国3D打印发展如火如荼。2013年，3D打印产品在国际消费电子展（CES）展出，显示3D打印技术正逐渐迈向实用化、方便化、成熟化和规模化。MakerBot、3D　Systems、Formlabs等多家公司展出了涵盖工业、商业和家庭使用全系列的数十款已经实用化的3D打印机产品。除了3D打印机及其耗材和配件，CES上展出的3D打印建模系统和软件也越来越方便和实用。用户可以使用虚拟现实雕塑技术（戴上3D眼镜进行3D雕塑建模，通过3D打印机将雕塑实物输出）和123D建模软件（用相机从不同的角度拍摄物体，利用该软件对物体建模，然后打印出3D实物）。除了推广家庭用3D打印机，美国也已经具有规模大小不一的3D打印店和3D打印工厂，这些店和工厂承接用户的3D打印任务，为消费者提供3D打印服务。2012年3D打印工厂Shapeways在纽约开业，占地2.5万平方米，能够容纳50台工业3D打印机，根据消费者需求每年可以生产上千万件产品，是目前世界上最大的3D打印工厂。犹如克里斯安德森在其《创客》一书中所介绍的一样，美国人希望互联网与3D打印机的结合能带来工业生产的革命，迎来个性化产品制造时代。

3D打印技术在军事领域可大展拳脚。美国媒体以及国会关于是否应该允许使用3D打印技术打印枪支的辩论始终没有降温。但也有人指出，既然3D打印枪支不可避免，与其毫无意义地争论，不如好好思考下如何应对。文章《今日未来武器2013年值得关注的五种武器》（美国《外交政策》杂志网站）认为2013年最值得关注的首要武器是3D打印枪。一个名为分布式防御的美国激进组织发明了该技术，他们创建了可下载的设计图，只需要一台3D打印机和一台电脑，数小时就可以打印出AR-15枪身，进而装配制造出AR-15半自动枪。理论上，3D打印技术可以打印出客户需要的任何枪支组件；而实际上，当前3D打印机制造的塑料组件，尚不能承受枪支射击产生的冲击，包括火药爆炸射出每颗子弹的作用力。但随着3D打印技术的成熟和科技的发展，将可以“打印出”更多先进、实用的武器装备。

除了打印枪支，美军武器装备的研发过程中也大量地使用了3D打印技术。美国军方已经由3D打印技术辅助制造出导弹用弹出式点火器模型，美国海军还意欲将3D打印机植入机器人体内，使得机器人间可以相互沟通、协作，甚至具备制造能力。也就是说，美国海军希望能够利用机器人来生产更多的机器人。另外，美国GE航空也利用3D打印技术制造出终级喷气发动机，并将所有的专门技术应用到对下一代军用发动机的研发和生产上，可以自动地将高推力模式向高效率模式转换。美国陆军也在加速3D打印技术实战化部署——向阿富汗部署移动实验室。移动实验室由一个集装箱制成，配备3D打印机、成型机和其他制造工具，可现场创建士兵的工具和其他设备。另外，第2个移动实验室被美国陆军快速装备部队部署到战区，便利设计人员利用计算机辅助设计软件在战区快速生产原型产品，加速设计和生产。美国陆军计划通过这种做法增强战区巡逻、单兵作战以及小型前线作战基地的可持续能力。

无需机械加工或任何模具、直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件是3D打印技术最突出的优点，制作时间大大节省，产品的研制周期得到缩短，生产成本得到降低，生产力得到提高。对于战时装备的维修保障，3D打印技术的这些优点带来革命性的新变化。首先，及时打印出急需的武器装备。小到枪支弹药，大到坦克、飞机和军舰，3D打印机都可以直接快速打印出来，战时的作战消耗可以得到快速补充。其次，利用3D打印技术可以及时打印毁损部件。未来的信息化战争，任何位置的战场，毁损部件如果需要更换，3D打印机能够即刻打印，通过技术保障人员装配，武器装备就能重新投入战场。最后，3D打印技术可以减轻后勤保障压力。当前，使用相同数量的耗材制造零件，3D打印机的生产效率是传统方法的3倍。在战场时，3D打印机可以及时生产出战场上消耗的武器装备和补给物资，这将大大减轻后方生产和后勤保障的压力。

在航空领域，2014年6月，美国太空制造公司专门设计的用于国际空间站（ISS）微重力制造项目的3D打印机已经通过了NASA最后的验证测试，将于2014年8月发射到国际空间站投入使用。如果这一计划成功，那么在零重力实验环境下的3D打印设备将是首个在空间站制造零件的设备。

英国

在欧洲，很多研究机构和企业也视增材制造技术为一种重要的新兴技术。与美国相比，虽然欧洲单个国家在增材制造技术研究方面的实力不强，但总体而言，其研发活动和基础设施却十分出色。

欧洲通过学校、企业和政府构建制造业技术联盟的方式来促进产业发展，例如“大型航空航天部件快速生产计划”（RAPOLAC），面向大规模客户定制和药品生产的“自定制”（Custom　Fit）计划等。欧洲的许多项目也是源自美国，但在欧洲等地进行后续的研究开发。另外，欧洲的研究相对较为分散，没有出台类似美国先进制造战略计划的大型战略规划。

由于企业独立开发3D打印技术通常风险太大或资源太集中，作为英国工业战略的一部分，英国政府承诺，为使用3D打印技术的研发项目提供支持。其中，英国技术战略委员会联合工程与物质科学研究理事会、经济和社会研究理事会以及艺术和人文研究理事会将为3D打印项目投资840万英镑。该笔资金将支持18个3D打印技术研发项目，项目执行时间1-3年不等，内容涉及从人体关节制造到珠宝设计等广泛主题。预计该项目将吸收私人投资630万英镑，累计经费将达到1470万英镑。这些资金将有利于企业开发新的3D打印技术制造解决方案。

随着3D打印技术的发展，伴随激光技术的进步，3D打印仅用于原型制造已不能达到研究人员的要求，研究人员开始尝试用3D打印技术将金属材料直接制造成零件，也就是金属结构件直接制造。近期，英国“3D打印”项目的获奖者提出多种创新理念，如3D打印的颅面部植入体、3D打印的髋关节和手术器械、满足病人足部需求的定制鞋垫等。

德国

德国是传统的制造业强国，但到目前为止，德国没有出台任何专门针对3D打印技术的计划，我们只有在“德国光子学研究”计划中能找到一小部分与3D打印技术有关的内容，即选择性激光熔融技术（SLM）。

较早关注3D打印技术的是德国联邦教研部（BMBF），其在20年前就针对3D打印技术提出长期的发展计划，核心内容为对3D打印技术带来的新的生产方式的理解。BMBF认为，3D打印技术适用于原型或只有有限功能的单件产品的快速生产，例如，生产设计模型或铸模，由于购置设备、材料以及维护技术的成本昂贵，3D打印技术的应用迄今还局限在利基市场（即高度专门化需求的小众市场），如医疗或模具。2011年5月，德国联邦教研部进一步地推出“德国光子学研究”计划，并从2013年初对“生成的制造工艺和光子过程链”进行资助，其实3D打印技术仅是整个光子价值链中的一小部分。从德国联邦教研部的角度来看，3D打印技术首先是一个很有意思的补充生产工具，它必须在未来几年的工业实践中证明自己。柏林工业大学3D实验室在3D打印技术的研究应用方面也取得了一系列的显著成绩，如应用3D打印技术进行北极熊克努特死亡原因的调查，3D打印出奥迪和宝马合作研制的测试模型车DrivAer等。

2002年成立的EnvisionTEC公司是全球快速成型和快速制造设备的领先品牌，其产品涉及工业制造、珠宝首饰、医疗、牙科、助听器定制、生物科技等多种领域，还在英国和美国都设有销售服务中心和培训中心。不同于EnvisionTEC公司，Nanoscribe　GmbH公司更注重高尖端技术，2013年，该公司在美国旧金山某展会上，发布了他们的研究成果——迄今为止速度最快的纳米级别微型3D打印机——Photonic　Professional　GT　3D打印机，该打印机可以实现纳米级别的作业，它在生物医学和纳米科技领域都有着不错的应用前景。近年来，德国不少机构开始使用3D打印技术，建筑公司用3D打印机打印建筑模型，博物馆用它复制文物；医疗机构打印血管、耳朵等“人体器官”。此外，2013年12月，德国EOS推出了新型3D金属打印机EO**400，这一产品采用了EOS成熟的金属3D打印技术、模块化系统和可扩展的平台，针对在工业生产环境中的直接制造，能制造更大的部件，自动化程度也大大提升，保障了产品质量，操作也更加容易，更能满足客户的需求。

日本

3D打印技术作为21世纪最具注目的新技术，具有生产日期短、效率高等特点，日本政府与许多企业家均看好3D打印技术的前景。38岁的管理咨询师Asami认为3D打印技术将能够改变世界，使得家庭和企业在未来绕过制造商，自行生产所需要的商品。

不少人开始了3D打印的创业，但日本商界文化中存在躲避风险、安于现状的问题，例如，日本出现了索尼、佳能等一批大型电子企业，但日本并没有成为一个全球性的技术大国。有人认为，原因在于日本人越来越畏惧风险和失败。安倍是否能打破这些壁垒，决定了这些企业家能否开创日本产业的新时代。

为了刺激经济发展，日本首相安倍表示鼓励创新，并大力推动政治经济体制的改革。日本政府重启了一项针对创业企业的国家补贴计划，为初创型企业提供补贴，鼓励其发展，希望带动经济，增加就业。据悉，申请该补贴的企业数量已从2013年4月份的15家增加至6月份的2302家，增长十分迅速。日本经济与产业省也在推动一项关于3D打印技术的支持计划，如果这项计划被纳入政府预算，将会有45亿日元助推高端3D打印技术的发展。

新加坡

早些时候，新加坡政府已经宣布投资3000万美元，用于建立3D打印研发中心。2013年，新加坡科学、技术和研究局（A*STAR）推出了一项新的总投资达1500万美元的3D打印技术发展计划。这笔资金用于开发出新的3D打印设备和支持系统。新加坡政府希望通过对这些技术的综合开发，获得增材制造的关键性技术。而开发的技术最终将通过研究机构转移到新加坡的制造部门。

该计划由A*STAR下属的制造技术研究院（SIMTECH）负责管理实施，主要用于支持3D打印技术在新加坡制造业领域，特别是航空、汽车、石油天然气、海洋和精密工程业等的应用，这些行业的产值在2012年占该国国内生产总值（GDP）的20%。根据该计划，A*STAR下属研究机构SIMTECH、材料与工程研究所（IMRE）和高性能计算研究所（IHPC）将与南洋理工大学（NTU）合作开发。1500万美元的资金将用于发展3D打印的六大工艺技术：激光辅助增材制造（LAAM）、选择性激光熔融（SLM）、电子束熔炼（EBM）、POLYJET、选择性激光烧结（SLS）、光固化（SLA）。

A*STAR的6项增材制造技术发展计划目标：

（1）激光辅助添加剂制造（LAAM）：LAAM是根据计算机辅助设计软件（CAD）的3D模型，将金属粉末注入高功率激光束聚焦形成的熔池中，直接制造出金属零件的技术。目前，LAAM并不用于直接制造零件，而主要用于各种组件的修理和改造。在该项计划中，大尺寸3D井下组件（down-hole　components）将用LAAM技术制造出来。

（2）选择性激光熔融（SLM）：SLM是一种借助计算机辅助设计（CAD）模型以及激光束的热作用融化、逐层堆叠粉末制造出产品的增材制造技术。在SLM过程中，要先打印支撑结构，再构建伸出结构，但零件的几何形状和表面质量难以保障。在该项计划中，为消除和减少支撑结构的使用，开发团队将研发一种新的处理质量分布的算法。此外，开发新型具有优异机械性能的新材料也在计划之列。

（3）真空电子束熔炼（EBM）：真空电子束熔炼（EBM）是在真空环境下，根据CAD模型，使用计算机控制的电子束连续逐层融化金属粉末形成产品的增材制造技术。EBM是增材制造（AM）工艺中的一种比较高效的制造工艺，优点是低残余应力和低变形。然而，这一制造工艺并无法解决表面光洁度和尺寸精度的问题。在该项计划中，开发团队将着力解决这一问题，创新方法，综合运用建模、模拟、材料和工艺开发能力。

（4）PolyJet：PolyJet3D打印机可以通过喷射**光聚合物层创建一个三维的产品原型，不需要额外的固化后处理就可以立即使用，这样打印出的成品更精细且坚固。在该项计划中，开发团队将开发新方式，直接使用PolyJet3D打印技术制造高分子蜂窝结构，推广可广泛用于制造各种轻质蜂窝结构的技术。

（5）选择性激光烧结（SLS）：SLS工艺能使用高功率激光将细小的颗粒材料分层烧结成特定的三维形状，可用的材料包括塑料、金属、陶瓷、或玻璃粉末。其整个工艺过程包括CAD模型的建立及数据处理、铺粉、烧结及后处理等。在该项计划中，开发团队将系统地研究基于物理的模型、计算模拟、新的聚合物基复合材料结合工艺开发以解决SLS技术制作的零部件的功能性和一致性的问题。

（6）光固化（SLA）：光固化（SLA）技术是用特定波长与强度的激光作用于液态光敏树脂，从而逐层固化构建打印产品的一种增材技术。在该项计划中，开发团队将开发低成本的光聚合物，增强打印的零部件的抗冲击强度，减少整体重量。该技术将广泛应用于各种大幅面轻量级的梯度功能部件。

国外经验

在3D打印发展的历程中，我们看到，欧美企业对3D打印技术的系统性开发都离不开应用型研究所。拥有20多台激光直接加工金属设备的德国弗朗霍夫激光研究所，不做产品，只做应用研究，专门为其他机构直接提供咨询和生产服务。

在3D打印领域，中小企业掌控了当下的主体市场，传统制造大企业还没有跟进。实际上，一个国家创新体系中最活跃的群体通常都是中小企业。根据美国小企业创新法，承担国家科技项目、获得较大财政资助数额的机构有责任向小企业转移技术。欧美有专门支持小企业信用担保计划、小企业减免税政策、小企业创新的项目等。对于中小企业的创新，一些发达国家也普遍通过减免税方式进行支持。

同时，发达国家的经验表明，政府的支持相当重要。在一般性的应用技术研发领域，公司一般不愿意投资，无法完全依靠市场机制，而普遍性优惠政策可以由政府制定，对企业进行引导和调动，发挥创新能力。先进技术计划（ATP）即是美国政府促进产业共性技术研发的典范。ATP由政府提供引导资金，提供将近一半的研究投入，其余需要承担项目的公司进行配套。企业可以直接获得政府的资助经费，大学和研究院所参与项目的实施只能通过联合企业来进行。以营利为目的的美国公司拥有最终的知识产权，参与项目的政府机构、研究院所和大学等只能分享专项使用费，不能享有任何知识产权。基于国家利益的考虑，美国政府有权免费使用ATP支持的技术成果，其他企业通过支付费用，获得该项目成果的使用权。

基于国外的成功经验，加大对技术的推广普及，更胜过产品推广。因此要学会在利益共享、风险承担的机制下，分享共性技术，攻关针对产品升级的专项技术。