國務院發(fā)展研究中心：增材制造技術影響深遠
時間：2023-03-30 10:10 來源：國務院發(fā)展研究中心國際技術經濟 作者：admin 閱讀：次
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據，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，越來越多的領域對產品進行了改進和創(chuàng)新，實現(xiàn)了降低成本和提高效率。
（一）航空航天領域
航空航天領域對產品的性能要求高、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品對制造速度、制造成本和產品重量的更高要求，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來實現(xiàn)經濟效益，而增材制造技術則支持小批量生產，使得定制化生產成為可能。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品，提高生產效率，將對產品的設計、生產和分銷方式產生深遠影響。
（一）增材制造將改變產品的設計方式
傳統(tǒng)制造方法的產品設計受模具和工具限制，而增材制造技術的數字設計過程可以根據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)療器械商可以生產出根據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）增材制造將改變產品的生產方式
增材制造可以以較小的規(guī)模生產產品，使其成為原型制作和小批量生產的理想選擇。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將增材制造技術應用于傳統(tǒng)的黃金珠寶首飾生產中。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完成設計、制造和配送服務，大大改變了珠寶產品的生產和銷售方式。
（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)生產產品，對于解決偏遠地區(qū)生產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，通用電氣已經采用增材制造技術生產出燃氣渦輪發(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產品，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)展方向將呈現(xiàn)多樣化、規(guī)模化和智能化的趨勢。
多樣化。目前，增材制造技術已經能夠使用金屬、塑料、生物材料等多種材料進行打印，并能夠實現(xiàn)不同材料之間的混合。未來，增材制造技術或將進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，增材制造技術或將在提高打印速度和精度的同時進一步擴大生產規(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量。
研究所簡介
國際技術經濟研究所（IITE）成立于1985年11月，是隸屬于國務院發(fā)展研究中心的非營利性研究機構，主要職能是研究我國經濟、科技社會發(fā)展中的重大政策性、戰(zhàn)略性、前瞻性問題，跟蹤和分析世界科技、經濟發(fā)展態(tài)勢，為中央和有關部委提供決策咨詢服務。“全球技術地圖”為國際技術經濟研究所官方微信賬號，致力于向公眾傳遞前沿技術資訊和科技創(chuàng)新洞見。
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