国外增材制造发展政策与研究进展概述
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一、增材制造领域国外制定的相关政策举措
为抢占增材制造这一技术及产业发展的战略制高点，主要国家和地区纷纷将增材制造列为未来优先发展方向，制定了发展规划及扶持政策。美国增材制造研究所是该国制造业创新网络下的第1家研究所；英国、德国、韩国、澳大利亚等在各自的科技战略中，不约而同将增材制造作为突破的技术方向之一，有的还出台了相关的技术发展路线图；俄罗斯和新加坡等通过发布研究计划，支持包括增材制造在内的新型制造技术的发展。
.美国
2012年2月，美国国家科技委员会《先进制造国家战略计划》提出要加强增材制造、纳米技术、绿色化工、机器人、智能制造等平台技术，强化美国工业基础[1]。在该战略指引下，2012年月，国家制造业创新网络下的第1家研究所——国家增材制造创新研究所National Additive Manufacturing nnovation Institute，NAMII）成立了。考虑到NAMII这个缩写不能完全或恰当地表达机构的意图或使命，次年更名为“America Makes”，增材制造作为美国推动制造创新最优先技术之一的地位进一步得到了巩固。2016年3月，美国应用研究实验室、宾夕法尼亚州立大学联合发布了《下一代增材制造材料战略路线图》，为未来10年建设必要的增材制造基础知识，加快增材制造材料设计与应用提供了战略指引[2]。美国材料与试验协会建立了针对增材制造的F42国际委员会来开展相关标准的制定工作，同时与国际标准化组织ISO进行标准联合制定工作，部分标准已上升为国际标准。
2.欧盟及其成员国
针对增材制造技术的项目资助，自欧盟第一研发框架计划（FP1）就已经开始了。仅在欧盟第七研发框架计划（FP7）内，欧盟委员会就资助了60多个增材制造项目，总预算达2.25亿欧元。在地平线2020计划中，增材制造属于关键使能技术之一，“未来工厂”公私合作伙伴项目依旧是主要实施主体。2015年7月，在欧盟FP7资助下，“增材制造标准化支持行动”项目团队制定并发布了增材制造技术标准化路线图。该路线图介绍了增材制造技术标准化工作发展的重要意义，将相关标准划分为通用标准、材料/工艺分类标准和专用标准3个层级，列举了现有标准、适用的其他技术标准以及尚待开发的标准等。该路线图通过确定标准化工作的时间节点和优先研究主题，描绘了2015-2022年的发展路线图。
英国自2011年10月起，技术战略委员会（现更名为英国创新机构）开始建设包括高价值制造技术创新中心在内的Catapult项目。现在已建立起了7家高价值制造中心，增材制造是受关注的研究领域之一。英国政府将增材制造技术列为工业战略的一部分，尤其重视在航空航天领域的应用[3]。2013年10月，英国政府科技办公室发布《制造业的未来：英国机遇与挑战的新时代》，面向2050年制造业的长期发展，提出了英国制造发展与复苏的政策措施[4]。2016年2月，英国创新机构发布有关英国增材制造研究与创新概况的调研分析报告。报告显示，2012年9月至2022年9月，英国在增材制造研发上的投入约为1.15亿英镑，主要集中在使能技术（占0%）、航空航天、医疗、材料、教育、汽车、能源、电子和国防等行业，金属是研发的主要对象[5]。
德国政府先后在在2010年和014年制定了《高技术战略2020》和高技术新战略：创新为德国》，旨在维系“德国制造”的全球竞争实力，争夺新技术的制高点。“工业4.0”已被纳入该战略，其研发主题包括“智能工厂”和“智能生产”，后者就关注增材制造等技术在工业生产过程中的应用。2013年，德国政府总结、分析了增材制造及相关产业发展的现状，并展望了在科研、教育、产业、知识产权等领域未来10年的工作目标。
.日本和韩国
日本经济产业省、厚生劳动省和文部科学省在2013年6月新版《制造业白皮书》中认为，日本政府应对增材制造技术展开监测工作，并评估该技术将对日本制造业带来的威胁，以及提升日本制造业竞争力的机遇[6]。当年10月，经产省设立新物造研究工作组（Study Group on New Monodzukuri），研究增材制造带来的增加值以及未来日本物造的发展方向。工作组在2014年上半年发布的报告中认为，尽管增材制造技术面临无数挑战，但由此引发的经济波浪效应将是极其巨大的[7]。日本政府在2014财年预算中划拨40亿日元，指定经济产业省组织实施以3D成型技术为核心的制造革命计划，该计划分为“新一代工业3D打印机技术开发”和“超精密3D成型系统技术开发”2大主题[8]。
韩国总统朴槿惠在2015年新年伊始提出，贯彻执行经济改革3年计划、深入打造“创造经济”的构想。通过推广制造业革新3.0战略与智能工厂等流程创新，开发物联网、增材制造与大数据等核心技术，来创造崭新未来的增长动力[9]。韩国未来创造科学部与产业通商资源部在2015年4月联合成立了智能制造研发路线图促进委员会，计划用半年时间制定上一年度《制造业创新3.0战略》中提出的包括增材制造在内的八大智能制造技术研发路线图，完善相关政策，并向政府提出具体的投资扶持方案[10]。2016年，韩国贸易工业和能源部计划在未来5年（2017-2022年）投资2 000万美元用于资助船舶与海工装备的增材制造技术。
4.其他国家
澳大利亚政府在2012年发布题为《面向更智能的澳大利亚：更智能的制造》的研究报告，将增材制造列为该国未来制造发展的重要方向之一。2014年11月，澳大利亚研究理事会与产业合作伙伴共同出资900万澳元在莫纳什大学成立“增材制造协同研究中心”，旨在助力以终端客户为导向的协作研究[11]。
俄罗斯是激光技术产业大国，由于激光技术与增材制造技术切合性很强，增材制造在激光技术的辅助下快速发展，并与其他国家开展了广泛的技术交流与合作。2014年9月，俄罗斯《科技装备优先发展方向》和《关键技术清单同步更新计划》进行修订，增加了新型制造技术、增材制造技术等[12]。
新加坡贸易与工业部在2013年出台了《国家制造发展计划》，增材制造被列为未来技术发展关键领域之一。同年底，A*STAR（Agency for Science， Technology and Reseach，新加坡最大的研究所）发布增材制造特别计划，由制造技术研究所领衔，南洋理工大学、材料工程研究所、高性能计算研究所等作为参与机构，并遴选出了6项关键技术方向。2015年9月，南洋理工大学、新加坡国立大学和新加坡科技设计大学合作组建了国家增材制造创新集群[13]。
二、增材制造研究进展
增材制造这项近年来取得迅猛发展的加工工艺不光改变了以往对原材料进行切削、组装的生产加工模式，节约了材料和加工时间，而且改变了以装配生产线为代表的大规模生产方式，实现向个性化、定制化的转变。增材制造技术的进步还将推动新材料、智能制造等领域的快速发展。在材料方面，研究较多的是陶瓷和金属；石墨烯、复合材料等原材料也获得重视；可打印的金属材料范围不断拓宽。在打印技术方面，光固化成型和选择性激光烧结技术是目前研究较多的技术；混合材料打印、提高打印速度，实现大尺寸制造是各种增材制造技术的发展方向。在技术应用方面，呈现出日益广泛的趋势，除了组织工程学和汽车制造以外，利用增材制造技术进行定制化、柔性化的先进电池制备，进一步拓展其在航空航天零部件方面的制造，以及将其用于人体生物仿生组织的制备是近期发展热点[14]。
欧美等发达国家大力发展增材制造技术以及相关装备，已经形成了涵盖材料、工艺和装备的完整产业链，部分重点企业已由单一的设备制造商升级为从设计到终端零件制造的综合解决方案提供商。以非金属类的打印原料为例，Stratasys和3D Systems是该行业的2家领头羊企业，仅非金属材料产品就多达上百种[15]。其中，Stratasys的材料包括清晰、橡皮状和生物相容性光敏聚合物以及高性能的坚固热塑塑料等。2016年4月，该公司发布可一次性打印全彩、多材料原型件和零部件的3D打印机，可生产逼真的原型件、加工工具、模具、夹具与卡具等。3D Systems的医疗解决方案包括模拟、虚拟手术规划、医疗、牙科设备以及患者外科手术器械打印等。
金属材料的增材制造主要有同步送粉高能束（激光、电子束、电弧等）熔覆成型技术和粉末床成型技术2大类，首要应用领域是航空航天工业，因而主要针对的是航空航天材料，如高性能钛合金、高温合金、超高强度钢和铝合金等。随着打印技术应用领域的拓展，钴合金、铜合金、非晶合金等也日益得到研发人员及企业的重视。表展示的是利用各种金属增材制造方法得到的Ti-6Al-4V（TC4）合金室温下的力学性能。由表可见，这些打印出来的试件的静载力学性能与锻件性能相当。德国SLM Solutions是世界知名的金属3D打印机制造商之一，聚焦于选区激光烧结技术，SLM在该技术上拥有多项专利，处于领先地位。EOS是另一家德国企业，其设备主要涉及光固化技术和选区激光烧结技术。
打印原料与技术不断丰富、工艺得以优化。英国金属技术公司在世界上首次使用航天合金材料C-103（含约10%铪和1%钛的铌基合金）打印出样品，能在更短的时间内制造出更为复杂的几何形状[16]。英国跨国工程企业Arup利用钢材料打印出3D模型[17]。美国西北大学利用石墨烯、生物相容弹性体和快速挥发溶剂，开发得到可进行增材制造的石墨烯复合材料，保留了高电导率等石墨烯特性，同时极具弹性，可以打印出各种宏观结构[18]。行业龙头企业Stratasys推出刚性、柔性、透明材料混合打印技术，并持续扩充打印材料的色彩和种类[19]。美国Arevo实验室、Mark Forged公司推出了可实现碳纤维复合材料增材制造的技术，并设立了针对相关部件和材料强度的正式基准指标[20]。硅谷初创企业Carbon 3D开发出一种全新的增材制造技术，能够从液态介质中产生目标物体。该技术的速度是其他增材制造方法的25至100倍，并且能够制造出此前无法实现的复杂形状[21]。
相关应用及打印成果方面取得了长足的进步。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室通过增材制造得到的周期性石墨烯气凝胶微晶格，不仅比表面积高、导电性优良、机械强度高，还具有高达90%的压缩应变能力[22]。美国Hughes实验室利用硅、氮和氧组成的树脂配方，通过紫外光固化快速成形工艺，获得高强度、全致密的陶瓷材料，可承受1 700℃的高温，强度是同类材料的10倍[23]。韩国浦项工业大学研发出由组织或脏器经过细胞分离等处理制成的用于增材制造的“生物墨水”，可制造出与实际器官组织相似的人造组织[24]。俄罗斯托木斯克理工大学制造出世界首颗外壳全由增材制造造出的立方体纳卫星[25]。Stratasys公司采用名为Ultem 9085的树脂材料，通过熔融沉积成型技术为空客A350XWB宽体飞机生产制造了超过1 000种飞机零部件，缩短了生产周期并降低了生产成本[26]。美国亚利桑那Local Motors汽车公司打造了全球首款通过零部件增材制造的名为Strati的电动汽车，车身一体成型，共有212层碳纤维增强热塑性塑料[27]。印度初创企业EmbroS通过增材制造技术开发出可穿戴产品，能有效地取代盲人手中的手杖。
三、启示
1.加强统筹规划，制定发展战略与行动计划
根据国内外增材制造技术的发展现状与趋势，以及可能带来的制造业变革，制定符合我国国情的增材制造技术及其产业化发展战略和行动计划。建议国家有关部门成立增材制造发展领导小组，研究制定相关战略与规划，并负责组织、协调和管理。例如，由工业和信息化部、发展和改革委员会、科学技术部、财政部、中国科学院和中国工程院等组织相关专家制定中长期发展路线图，明确阶段目标、可能的技术路线、重点任务和相应的政策措施，做好顶层设计和统筹规划。同时，设立增材制造重大专项，开展相关软件、工艺、材料、标准及应用等的整体性系统性攻关，推进与其他先进制造技术融合的新型数字化智能制造体系的建设。
2.组建国家增材制造协同创新中心
美国国家增材制造创新研究所更名为America Makes，一定程度上体现了对增材制造技术的重视，实现“美国发明、美国制造”。该研究所汇集了增材制造领域科研、教育、企业和社会团体等的主要力量，形成一股强大的合力，为增材制造技术的发展及产业化应用，包括人力资源培训搭建了一个国家层面的大平台。
创建面向产业共性技术研究与应用、人才培养的国家增材制造协同创新中心，负责国家增材制造技术和产业发展的具体实施。与美国机构一样，中心由政府、企业和社会组织按一定比例共同注入资金，研究成果归所有成员机构共享。
3.从基础教育抓起，重视人才的培养
包括America Makes在内的美国制造业创新研究所都将职业教育培训作为主要职能之一，分管劳动力及教育的副所长其主要职责包括面向公众的科普工作、各类教育课程的设定、劳动力培养、教育拓展等。
增材制造技术是创新意识培养的有效途径之一，在青少年基础教育阶段普及增材制造不仅是素质教育的内在需求，也是培养创新型人才的重要基础性工作。在后续的职业教育与普通高校中，注重本领域工程师、技术人员培养体系的建立。美欧等西方国家职业教育融入社区、融入研究创新机构的做法值得我们学习、借鉴。
考文献
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