§發達國家3D打印的戰略規劃及發展經驗

美國

1.美國發展3D打印的戰略規劃

美國政府認為3D打印技術的發展是提高美國製造業競爭力的一條捷徑，3D打印技術使美國在與低成本國家競爭時有更多優勢。對於3D打印技術的推動，美國政府的作用主要體現在3個層麵，即國家戰略、路線圖、研究計劃及執行。

在國家戰略層麵，奧巴馬政府出台了諸多促進3D打印技術發展的計劃，如2011年的“先進製造夥伴關係計劃”（AMP），2012年2月的《先進製造國家戰略計劃》，2012年3月投資10億美元實施的“國家製造業創新網絡”計劃（NNMI）等。這些戰略計劃都將增材製造技術（即3D打印技術）視為未來美國關鍵的製造技術。伴隨計劃的頒布，實際的行動也鏗鏘有力：2012年4月，“增材製造技術”被確定為首個製造業創新中心；2012年8月，作為“國家製造業創新網絡”計劃的一部分，位於俄亥俄州揚斯敦的美國國家增材製造創新研究院（National　Additive　Manufacturing　Innovation　Institute）（簡稱NAMII）成立（見圖4-1及附錄），美國商務部、能源部和國防部等5家政府部門共同出資4500萬美元，3000萬美元是首筆資金；西弗吉尼亞州、賓夕法尼亞州和俄亥俄州的非營利性組織、學校和企業組成的聯合團體出資4000萬美元，該研究院共得到7000萬美元。可以說，該研究院的實質即是一個公私合作研究機構，其由產、學、研三方成員共同組成，致力於開發增材製造技術和產品，增強國內製造業競爭力。

美國國家增材製造創新研究院（NAMII）的工作目標是加快增材製造技術在製造業中的發展，增強國內製造業競爭力。該機構確定了三大工作重點：一是構建增材製造信息和研究開放交流的高度協作的基礎平台。二是促進增材製造技術發展、評價、以及靈活有效的技術布局。三是培養適應增材製造技術和產業發展、領先的人才隊伍，包括教育學生和培訓技術工人。

NAMII目前主要研究三項技術主題：（1）打印材料特性和效能的研究。了解材料的性質和特點，是確保增材製造技術能夠被大規模采用的關鍵。具體的重點領域包括開發材料數據庫，獲取更廣泛的測試結果；設計材料性能；數據訪問和共享平台；管理材料變化的方法等。這部分工作的聚焦點是加速材料及材料係統的轉換，為增材製造從材料需求到過程加工建立無縫路徑。（2）資格鑒定和認證測試。快速部署增材製造產品的測試、鑒定和認證方法及係統，是增材製造應用的關鍵。具體的重點領域包括快速鑒定和認證的方法；鑒定和認證的創新技術；建模和仿真；過程可變性的量化；用以提高可靠性、優化流程和提高速度的簡化可變性的識別方法；供應商認證等。這部分工作重點應放在為符合資質和認證的產品消除障礙和加快上市時間上麵。（3）加工能力和過程控製。全麵了解工藝參數之間的關係以及由此產生的產品將如何推動增材製造工藝。具體的重點領域包括工藝的可重複性和產量的提高；開發輸出模型的預測算法；提高零件質量；原位自適應控製係統。這一主題的努力方向是通過增材製造加工過程的改進提高其普及性。

此外，美國還不斷在其他地方新建類似的中心，使企業與美國國防部和能源部合作，將落後於全球化的地區轉變成全球的高科技中心，如2014年2月，美國政府撥款1.4億再建兩家製造創新中心：位於芝加哥的數字製造與設計創新研究所（Digital　Manufacturing　and　Design　Innovation　Institute），專注於高科技數字化製造和設計，以及位於底特律郊外的輕質現代金屬製造創新研究所（Lightweight　and　Modern　Metals　Manufacturing　Innovation　Institute），專注於鋁、鈦等輕金屬以及高強度鋼材的製造技術研發。其它非聯邦機構也提供了相同金額的資金，也就是說，這兩家新的製造創新中心共可獲得2.8億美元的研發資金。

1998年和2009年美國分別兩度發布增材製造技術路線圖。2009年第2個麵向未來10～12年的增材製造技術研發路線圖研討會由美國學界召開，有65名專家學者參加，來自政府、企業界和學界，對於增材製造技術的發展，製定了未來10～12年的研究指南。該研討會關注增材製造技術的多個方麵的未來前景，如工藝建模與控製、生物醫藥應用、設計、材料、教育和研發、能源與可持續發展等。經過整體評估，增材製造技術如果能夠被推動處於發展的前沿，更大的發展機遇將會被創造。建立美國國家測試床中心（National　Test　Bed　Center,　NTBC）是該路線圖報告提出的關鍵建議，中心主要對未來該領域的人力資源發展和設備進行推動，且將製造研究的概念進行展示。基於2009年的路線圖，愛迪生焊接研究所（Edison　Welding　Institute,　EWI）（北美焊接和材料結合工程技術領導組織）建立增材製造聯盟（AMC），以國家為基礎，使得增材製造技術的成熟度提高，對增材製造技術進行倡導資助，促使新興技術層麵向主流製造技術層麵推進。AMC目前包括33個企業成員與合作組織，包含重要的大學研究機構、小型企業、大型企業和政府機構。

與此同時，2009年和2010年美國空軍和海軍分別舉行了增材製造技術研討會，該研討會以任務為導向。2011年，材料與過程工程促進會（SAMPE）召開多方參與的研討會，直接零部件製造是會議的專注點。2012年2月，增材製造技術研討會由科學技術情報委員會和橡樹嶺國家實驗室合作舉辦，研討該技術的最新發展情況。麵向學術界的是，德克薩斯大學舉辦的年度固體無模成型研討會；麵向企業界的是，美國製造工程師協會舉辦RAPID會議和展覽會。

基於對上述分析的總結，可以得出以下值得關注的信息：

（1）2009年之後，以3D打印為代表的增材製造技術得到了美國政府的重視。基於金融危機的影響，美國政府快速尋找新的增長點以振興製造業。此外，與3D打印相關的技術專利正逐步失效。20世紀80年代中後期，3D打印技術的研發開始，20世紀90年代相關的技術專利開始申請，然而因為有效期屆滿，目前這些專利的大部分都已失效。2009年因為有效期屆滿而失效的就有美國Loctite公司的US5167882立體光刻造型（Stereolithography　method）專利、US5137662通過立體光刻造型技術製造三維物體的儀器和方法（Method　and　apparatus　for　production　of　three-dimensional　objects　by　stereolithography）和美國3D　Systems公司的US5174931立體光刻造型的儀器和方法（Method　of　andapparatus　for　making　a　three-dimensional　product　by　stereolithography）。

（2）美國軍方特別重視3D打印代表的增材製造技術。首先，3D打印技術能夠迅速製造複雜結構零件，具有較低的製造樣本成品，適合小批量生產，對於軍工產品的需求，這些特征足以滿足。其次，美國軍工產業強，而一般製造業較為薄弱，軍工的優勢如資金雄厚、研發能力強、研發基礎好和管理模式成熟，可以推動一般製造業的複興。如，美國政府2011年出台的“先進製造夥伴關係”計劃以及2012年出台的美國國家製造業創新網絡等，美國國防部均參與其中。

（3）3D打印技術路線圖的主要參與方正在由美國國家科學基金會、海軍研究辦公室等政府部門轉向愛迪生焊接研究所、材料與過程工程促進會等行業機構。橡樹嶺國家實驗室也與企業保持著密切的合作關係，如2012年6月，橡樹嶺國家實驗室與Stratasys公司簽署合作協議，將共同推動熔融沉積成型增材製造技術的進步。

在研究計劃及執行層麵，美國福特走在了前麵。福特正在開發一種高度靈活的新型3D打印製造技術，福特稱其為自由曲麵加工技術（F3T），以降低小批量消費鈑金零件所需的本錢和時間。F3T技術製造三維外形的模具僅僅需要幾個小時，一旦投產，原型製造在三日內便能夠完成，假如依照傳統辦法，則需要兩到六個月。而且，F3T技術也為產品製造提供了更廣的個性化選擇。但目前F3T技術仍處於早期階段，僅能提供小範圍應用，還無法滿足大批量消費。該技術在航空航天、國防、交通運輸和家電行業中也具有寬廣的應用前景。美國能源部計劃對新一代產品提供704萬美元的能源補助，以推進節能高效的製造工藝。包括福特和其他協作者在內的五個創新製造項目，初期展開階段三年，取得了總額為235萬美元的能源資助。

2.美國3D打印的發展

如今，美國3D打印發展如火如荼。2013年，3D打印產品在國際消費電子展（CES）展出，顯示3D打印技術正逐漸邁向實用化、方便化、成熟化和規模化。MakerBot、3D　Systems、Formlabs等多家公司展出了涵蓋工業、商業和家庭使用全係列的數十款已經實用化的3D打印機產品。除了3D打印機及其耗材和配件，CES上展出的3D打印建模係統和軟件也越來越方便和實用。用戶可以使用虛擬現實雕塑技術（戴上3D眼鏡進行3D雕塑建模，通過3D打印機將雕塑實物輸出）和123D建模軟件（用相機從不同的角度拍攝物體，利用該軟件對物體建模，然後打印出3D實物）。除了推廣家庭用3D打印機，美國也已經具有規模大小不一的3D打印店和3D打印工廠，這些店和工廠承接用戶的3D打印任務，為消費者提供3D打印服務。2012年3D打印工廠Shapeways在紐約開業，占地2.5萬平方米，能夠容納50台工業3D打印機，根據消費者需求每年可以生產上千萬件產品，是目前世界上最大的3D打印工廠。猶如克裏斯安德森在其《創客》一書中所介紹的一樣，美國人希望互聯網與3D打印機的結合能帶來工業生產的革命，迎來個性化產品製造時代。

3D打印技術在軍事領域可大展拳腳。美國媒體以及國會關於是否應該允許使用3D打印技術打印槍支的辯論始終沒有降溫。但也有人指出，既然3D打印槍支不可避免，與其毫無意義地爭論，不如好好思考下如何應對。文章《今日未來武器2013年值得關注的五種武器》（美國《外交政策》雜誌網站）認為2013年最值得關注的首要武器是3D打印槍。一個名為分布式防禦的美國激進組織發明了該技術，他們創建了可下載的設計圖，隻需要一台3D打印機和一台電腦，數小時就可以打印出AR-15槍身，進而裝配製造出AR-15半自動槍。理論上，3D打印技術可以打印出客戶需要的任何槍支組件；而實際上，當前3D打印機製造的塑料組件，尚不能承受槍支射擊產生的衝擊，包括火藥爆炸射出每顆子彈的作用力。但隨著3D打印技術的成熟和科技的發展，將可以“打印出”更多先進、實用的武器裝備。

除了打印槍支，美軍武器裝備的研發過程中也大量地使用了3D打印技術。美國軍方已經由3D打印技術輔助製造出導彈用彈出式點火器模型，美國海軍還意欲將3D打印機植入機器人體內，使得機器人間可以相互溝通、協作，甚至具備製造能力。也就是說，美國海軍希望能夠利用機器人來生產更多的機器人。另外，美國GE航空也利用3D打印技術製造出終級噴氣發動機，並將所有的專門技術應用到對下一代軍用發動機的研發和生產上，可以自動地將高推力模式向高效率模式轉換。美國陸軍也在加速3D打印技術實戰化部署——向阿富汗部署移動實驗室。移動實驗室由一個集裝箱製成，配備3D打印機、成型機和其他製造工具，可現場創建士兵的工具和其他設備。另外，第2個移動實驗室被美國陸軍快速裝備部隊部署到戰區，便利設計人員利用計算機輔助設計軟件在戰區快速生產原型產品，加速設計和生產。美國陸軍計劃通過這種做法增強戰區巡邏、單兵作戰以及小型前線作戰基地的可持續能力。

無需機械加工或任何模具、直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件是3D打印技術最突出的優點，製作時間大大節省，產品的研製周期得到縮短，生產成本得到降低，生產力得到提高。對於戰時裝備的維修保障，3D打印技術的這些優點帶來革命性的新變化。首先，及時打印出急需的武器裝備。小到槍支彈藥，大到坦克、飛機和軍艦，3D打印機都可以直接快速打印出來，戰時的作戰消耗可以得到快速補充。其次，利用3D打印技術可以及時打印毀損部件。未來的信息化戰爭，任何位置的戰場，毀損部件如果需要更換，3D打印機能夠即刻打印，通過技術保障人員裝配，武器裝備就能重新投入戰場。最後，3D打印技術可以減輕後勤保障壓力。當前，使用相同數量的耗材製造零件，3D打印機的生產效率是傳統方法的3倍。在戰場時，3D打印機可以及時生產出戰場上消耗的武器裝備和補給物資，這將大大減輕後方生產和後勤保障的壓力。

在航空領域，2014年6月，美國太空製造公司專門設計的用於國際空間站（ISS）微重力製造項目的3D打印機已經通過了NASA最後的驗證測試，將於2014年8月發射到國際空間站投入使用。如果這一計劃成功，那麽在零重力實驗環境下的3D打印設備將是首個在空間站製造零件的設備。

英國

在歐洲，很多研究機構和企業也視增材製造技術為一種重要的新興技術。與美國相比，雖然歐洲單個國家在增材製造技術研究方麵的實力不強，但總體而言，其研發活動和基礎設施卻十分出色。

歐洲通過學校、企業和政府構建製造業技術聯盟的方式來促進產業發展，例如“大型航空航天部件快速生產計劃”（RAPOLAC），麵向大規模客戶定製和藥品生產的“自定製”（Custom　Fit）計劃等。歐洲的許多項目也是源自美國，但在歐洲等地進行後續的研究開發。另外，歐洲的研究相對較為分散，沒有出台類似美國先進製造戰略計劃的大型戰略規劃。

由於企業獨立開發3D打印技術通常風險太大或資源太集中，作為英國工業戰略的一部分，英國政府承諾，為使用3D打印技術的研發項目提供支持。其中，英國技術戰略委員會聯合工程與物質科學研究理事會、經濟和社會研究理事會以及藝術和人文研究理事會將為3D打印項目投資840萬英鎊。該筆資金將支持18個3D打印技術研發項目，項目執行時間1-3年不等，內容涉及從人體關節製造到珠寶設計等廣泛主題。預計該項目將吸收私人投資630萬英鎊，累計經費將達到1470萬英鎊。這些資金將有利於企業開發新的3D打印技術製造解決方案。

隨著3D打印技術的發展，伴隨激光技術的進步，3D打印僅用於原型製造已不能達到研究人員的要求，研究人員開始嚐試用3D打印技術將金屬材料直接製造成零件，也就是金屬結構件直接製造。近期，英國“3D打印”項目的獲獎者提出多種創新理念，如3D打印的顱麵部植入體、3D打印的髖關節和手術器械、滿足病人足部需求的定製鞋墊等。

德國

德國是傳統的製造業強國，但到目前為止，德國沒有出台任何專門針對3D打印技術的計劃，我們隻有在“德國光子學研究”計劃中能找到一小部分與3D打印技術有關的內容，即選擇性激光熔融技術（SLM）。

較早關注3D打印技術的是德國聯邦教研部（BMBF），其在20年前就針對3D打印技術提出長期的發展計劃，核心內容為對3D打印技術帶來的新的生產方式的理解。BMBF認為，3D打印技術適用於原型或隻有有限功能的單件產品的快速生產，例如，生產設計模型或鑄模，由於購置設備、材料以及維護技術的成本昂貴，3D打印技術的應用迄今還局限在利基市場（即高度專門化需求的小眾市場），如醫療或模具。2011年5月，德國聯邦教研部進一步地推出“德國光子學研究”計劃，並從2013年初對“生成的製造工藝和光子過程鏈”進行資助，其實3D打印技術僅是整個光子價值鏈中的一小部分。從德國聯邦教研部的角度來看，3D打印技術首先是一個很有意思的補充生產工具，它必須在未來幾年的工業實踐中證明自己。柏林工業大學3D實驗室在3D打印技術的研究應用方麵也取得了一係列的顯著成績，如應用3D打印技術進行北極熊克努特死亡原因的調查，3D打印出奧迪和寶馬合作研製的測試模型車DrivAer等。

2002年成立的EnvisionTEC公司是全球快速成型和快速製造設備的領先品牌，其產品涉及工業製造、珠寶首飾、醫療、牙科、助聽器定製、生物科技等多種領域，還在英國和美國都設有銷售服務中心和培訓中心。不同於EnvisionTEC公司，Nanoscribe　GmbH公司更注重高尖端技術，2013年，該公司在美國舊金山某展會上，發布了他們的研究成果——迄今為止速度最快的納米級別微型3D打印機——Photonic　Professional　GT　3D打印機，該打印機可以實現納米級別的作業，它在生物醫學和納米科技領域都有著不錯的應用前景。近年來，德國不少機構開始使用3D打印技術，建築公司用3D打印機打印建築模型，博物館用它複製文物；醫療機構打印血管、耳朵等“人體器官”。此外，2013年12月，德國EOS推出了新型3D金屬打印機EO**400，這一產品采用了EOS成熟的金屬3D打印技術、模塊化係統和可擴展的平台，針對在工業生產環境中的直接製造，能製造更大的部件，自動化程度也大大提升，保障了產品質量，操作也更加容易，更能滿足客戶的需求。

日本

3D打印技術作為21世紀最具注目的新技術，具有生產日期短、效率高等特點，日本政府與許多企業家均看好3D打印技術的前景。38歲的管理谘詢師Asami認為3D打印技術將能夠改變世界，使得家庭和企業在未來繞過製造商，自行生產所需要的商品。

不少人開始了3D打印的創業，但日本商界文化中存在躲避風險、安於現狀的問題，例如，日本出現了索尼、佳能等一批大型電子企業，但日本並沒有成為一個全球性的技術大國。有人認為，原因在於日本人越來越畏懼風險和失敗。安倍是否能打破這些壁壘，決定了這些企業家能否開創日本產業的新時代。

為了刺激經濟發展，日本首相安倍表示鼓勵創新，並大力推動政治經濟體製的改革。日本政府重啟了一項針對創業企業的國家補貼計劃，為初創型企業提供補貼，鼓勵其發展，希望帶動經濟，增加就業。據悉，申請該補貼的企業數量已從2013年4月份的15家增加至6月份的2302家，增長十分迅速。日本經濟與產業省也在推動一項關於3D打印技術的支持計劃，如果這項計劃被納入政府預算，將會有45億日元助推高端3D打印技術的發展。

新加坡

早些時候，新加坡政府已經宣布投資3000萬美元，用於建立3D打印研發中心。2013年，新加坡科學、技術和研究局（A*STAR）推出了一項新的總投資達1500萬美元的3D打印技術發展計劃。這筆資金用於開發出新的3D打印設備和支持係統。新加坡政府希望通過對這些技術的綜合開發，獲得增材製造的關鍵性技術。而開發的技術最終將通過研究機構轉移到新加坡的製造部門。

該計劃由A*STAR下屬的製造技術研究院（SIMTECH）負責管理實施，主要用於支持3D打印技術在新加坡製造業領域，特別是航空、汽車、石油天然氣、海洋和精密工程業等的應用，這些行業的產值在2012年占該國國內生產總值（GDP）的20%。根據該計劃，A*STAR下屬研究機構SIMTECH、材料與工程研究所（IMRE）和高性能計算研究所（IHPC）將與南洋理工大學（NTU）合作開發。1500萬美元的資金將用於發展3D打印的六大工藝技術：激光輔助增材製造（LAAM）、選擇性激光熔融（SLM）、電子束熔煉（EBM）、POLYJET、選擇性激光燒結（SLS）、光固化（SLA）。

A*STAR的6項增材製造技術發展計劃目標：

（1）激光輔助添加劑製造（LAAM）：LAAM是根據計算機輔助設計軟件（CAD）的3D模型，將金屬粉末注入高功率激光束聚焦形成的熔池中，直接製造出金屬零件的技術。目前，LAAM並不用於直接製造零件，而主要用於各種組件的修理和改造。在該項計劃中，大尺寸3D井下組件（down-hole　components）將用LAAM技術製造出來。

（2）選擇性激光熔融（SLM）：SLM是一種借助計算機輔助設計（CAD）模型以及激光束的熱作用融化、逐層堆疊粉末製造出產品的增材製造技術。在SLM過程中，要先打印支撐結構，再構建伸出結構，但零件的幾何形狀和表麵質量難以保障。在該項計劃中，為消除和減少支撐結構的使用，開發團隊將研發一種新的處理質量分布的算法。此外，開發新型具有優異機械性能的新材料也在計劃之列。

（3）真空電子束熔煉（EBM）：真空電子束熔煉（EBM）是在真空環境下，根據CAD模型，使用計算機控製的電子束連續逐層融化金屬粉末形成產品的增材製造技術。EBM是增材製造（AM）工藝中的一種比較高效的製造工藝，優點是低殘餘應力和低變形。然而，這一製造工藝並無法解決表麵光潔度和尺寸精度的問題。在該項計劃中，開發團隊將著力解決這一問題，創新方法，綜合運用建模、模擬、材料和工藝開發能力。

（4）PolyJet：PolyJet3D打印機可以通過噴射**光聚合物層創建一個三維的產品原型，不需要額外的固化後處理就可以立即使用，這樣打印出的成品更精細且堅固。在該項計劃中，開發團隊將開發新方式，直接使用PolyJet3D打印技術製造高分子蜂窩結構，推廣可廣泛用於製造各種輕質蜂窩結構的技術。

（5）選擇性激光燒結（SLS）：SLS工藝能使用高功率激光將細小的顆粒材料分層燒結成特定的三維形狀，可用的材料包括塑料、金屬、陶瓷、或玻璃粉末。其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數據處理、鋪粉、燒結及後處理等。在該項計劃中，開發團隊將係統地研究基於物理的模型、計算模擬、新的聚合物基複合材料結合工藝開發以解決SLS技術製作的零部件的功能性和一致性的問題。

（6）光固化（SLA）：光固化（SLA）技術是用特定波長與強度的激光作用於液態光敏樹脂，從而逐層固化構建打印產品的一種增材技術。在該項計劃中，開發團隊將開發低成本的光聚合物，增強打印的零部件的抗衝擊強度，減少整體重量。該技術將廣泛應用於各種大幅麵輕量級的梯度功能部件。

國外經驗

在3D打印發展的曆程中，我們看到，歐美企業對3D打印技術的係統性開發都離不開應用型研究所。擁有20多台激光直接加工金屬設備的德國弗朗霍夫激光研究所，不做產品，隻做應用研究，專門為其他機構直接提供谘詢和生產服務。

在3D打印領域，中小企業掌控了當下的主體市場，傳統製造大企業還沒有跟進。實際上，一個國家創新體係中最活躍的群體通常都是中小企業。根據美國小企業創新法，承擔國家科技項目、獲得較大財政資助數額的機構有責任向小企業轉移技術。歐美有專門支持小企業信用擔保計劃、小企業減免稅政策、小企業創新的項目等。對於中小企業的創新，一些發達國家也普遍通過減免稅方式進行支持。

同時，發達國家的經驗表明，政府的支持相當重要。在一般性的應用技術研發領域，公司一般不願意投資，無法完全依靠市場機製，而普遍性優惠政策可以由政府製定，對企業進行引導和調動，發揮創新能力。先進技術計劃（ATP）即是美國政府促進產業共性技術研發的典範。ATP由政府提供引導資金，提供將近一半的研究投入，其餘需要承擔項目的公司進行配套。企業可以直接獲得政府的資助經費，大學和研究院所參與項目的實施隻能通過聯合企業來進行。以營利為目的的美國公司擁有最終的知識產權，參與項目的政府機構、研究院所和大學等隻能分享專項使用費，不能享有任何知識產權。基於國家利益的考慮，美國政府有權免費使用ATP支持的技術成果，其他企業通過支付費用，獲得該項目成果的使用權。

基於國外的成功經驗，加大對技術的推廣普及，更勝過產品推廣。因此要學會在利益共享、風險承擔的機製下，分享共性技術，攻關針對產品升級的專項技術。