重振制造业的“战略级技术”

　　奥巴马政府2012年提出重振美国制造业的一系列发展方案，将增材制造列为11项重要技术之一。在美国政府计划斥资10亿美元兴建15家制造业创新研究所组成的“全美制造业创新网络”中，增材制造研究机构正是第一个成立的。

　　2012年8月，奥巴马政府宣布在俄亥俄州的扬斯敦设立一所由政府部门和私营部门共同出资建造的制造业创新研究所——国家增材制造创新研究院（NAMII），专门研发增材制造技术。由美国国防部、能源部、国家航空和航天局、国家科学基金会、商务部等5家政府部门共同出资4500万美元，俄亥俄州、宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州的企业、学校和非营利性组织组成的联合团体将出资4000万美元。奥巴马政府期待通过NAMII整合高校、企业和政府的力量，加快增材制造技术创新，弥补基础研究和成熟应用之间的差距，从而带动区域制造业的创新和提升。NAMII目前主要研究打印材料特性和效能、资格鉴定和认证测试、加工能力和过程控制等三项技术主题。

　　美国国家科学基金会和海军研究办公室早在2009年已经组织来自学术界、工业界和政府的65位专家组成工作组，研究未来10～12年的增材制造技术路线图，就增材制造在设计、过程建模和控制、材料和机器、生物医学应用、能源和可持续发展应用、社区发展、教育、国家实验中心等方面的发展提出了一些规划。而在此之前，欧洲和日本也组织过增材制造相关路线图的研究。增材制造正成为发达国家日益关注的战略性产业核心技术。

　　我国国家工信部也表示，近期将组织研究制定增材制造技术路线图、增材制造业中长期发展战略，并推动完善增材制造技术规范与标准制订。此外，将加大财税政策引导力度，加大对增材制造技术研发和产业化的支持力度，研究制定支持增材制造产业发展的专项财税政策，还将适时筹建增材制造行业组织，积极组织行业力量开展产业政策研究，推动增材制造技术研发和产业化。

　　专利创新的“新领地”

　　专利申请是技术创新成果的主要衡量指标，专利文献中饱含着丰富的技术信息，据世界知识产权组织(WIPO)的统计，90%～95%的研发成果包含在专利文献中。经笔者对增材制造专利技术调研发现，截至2013年1月24日，全球增材制造相关专利数量达到2444个专利族（每个专利族包括同一基础专利在不同国家申请的所有专利），经从技术层面、区域格局、竞争机构等角度分析判断出以下趋势。

　　技术发展态势短期回稳：国际增材制造技术自上世纪80年代中后期开始稳定发展，在2004年之前以较快幅度攀升，之后便呈现出专利量基本稳定甚至略为减少的态势，相关专利的申请量和公开量分别在2007年（251个专利族）和2008年（219个专利族）达到波峰。目前正进入第三阶段技术成熟期，专利申请数量和申请人数量趋于稳定甚至有开始减少的趋势，产业进入壁垒提高。塑料成型是增材制造中发展最快、专利申请最为集中的技术领域，但近年开始出现回落。

　　美国彰显区域优势：增材制造的专利申请主要集中在美、日、德、中、韩五个国家，上述五国的专利申请量占全球增材制造专利申请总量的九成。其中，美国以近半的份额在增材制造技术专利上具有绝对优势。日本、德国尽管位居第二、第三位，但15%、14%的申请份额已较美国有了明显差距，中国、韩国则分别以7%、5%的份额位列全球第四、第五位。

　　企业成为创新主体：全球增材制造专利申请最多的前10家机构均为高科技研发与制造型企业，除专注于3D打印技术研发的3DSystems、美国Stratesys和德国EOS等领先者以外，还包括了材料、半导体、飞机制造等领域的跨国公司，说明增材制造正积极朝着产业化方向发展，市场前景明朗。虽然上述企业的专利数量很多，但在专利质量上的情况却非如此光鲜。来自美国的麻省理工学院和Zcorp公司的专利引证率分别为11.95和4.56，平均每篇专利的研究价值超过了上述排名前十位的企业。#p#分页标题#e#

何谓增材制造

　　增材制造，俗称3D打印，是指通过逐层增加材料的方式将数字模型制造成三维实体物件的过程，其基本特征是分层制造。

　　增材制造的发展历史最早可追溯到150年前的照片雕塑和地形测绘，这些早期技术可归纳为通过手工“削减和堆积”方式分层构造自由成形对象。

　　现代增材制造技术的出现起源于20世纪80年代中期的光固化成型（SLA），该技术由1986年创建的3DSystems公司成功研发。在20世纪80年代末和90年代初期，大量的增材制造技术开始出现，包括选择性激光烧结（SLS）、层压板制造(LOM)、熔融沉积成型（FDM）、精密金属沉积(PMD)等，一批行业先行者如日本CMET、美国Stratesys、德国EOS、美国Zcorp、以色列Objet等公司先后成立。之后的20多年，增材制造在商业和学术活动中的影响力不断增长。目前，根据所用打印材料及生成片层方式的不同，增材制造已经发展出很多工艺，这些技术由不同公司所研发倡导。

　　不容忽视的“障碍”

　　科学技术的进步总是伴随着相应的弊端，增材制造也是如此，但技术革新的步伐却永远不会停止。

　　伦理和安全问题：

　　据福布斯中文网报道，美激进组织“分布式防御”正在利用3D打印技术制造可以开火并具有杀伤力的枪械，任何人都可以通过互联网在家里下载这款枪支的设计图，然后借助3D打印技术制造出来。该组织已开始打印枪支部件并进行实弹射击测试，这一事件引发全球有关3D打印枪支的争论。此外，可以克隆人体器官的3D打印技术在给医学界带来无限想象力的同时，也面临着伦理上引起大众质疑的困境。随着3D打印技术的进步，其引发的安全风险和伦理质疑将越来越大，如何保证3D打印技术不被犯罪分子和恐怖分子利用来为非作歹，如何建立一套行之有效的监管机制，将对技术的成长极为重要。

　　技术和材料缺陷：

　　3D打印是材质一层层堆积成形，每一层都有厚度，这决定了它的精度难以企及传统的减材制造方法。为提高精度，则需不断降低每一层的厚度，这在难度提高的同时，制造时间也大幅延长。而层和层之间粘结再紧密，其产品性能也无法和传统模具整体浇铸的零件相媲美。此外，打印材料的限制也对技术的应用范围形成掣肘。目前，可供3D打印的材料有300多种，多为石膏、塑料、可粘结的粉末颗粒、树脂等，制造精度、复杂性、强度等难以达到较高要求，主要应用于模型、玩具等产品领域。对于金属材料来说，如果液化打印则难以成型，采用粉末冶金方式，除高温还需高压，技术难度很高，因此，诸多金属材料在短期很难实际应用。

　　打印成本问题：

　　价格是制约3D打印普及应用的另一个因素。中低端机器主要采用聚合物成型材料，面向个人消费者设计需要，可打印眼镜框、样板房和玩具等小型物件，以美国Makerbot为代表的个人3D打印机售价在2000美元左右。高端机器采用聚合物、金属和陶瓷等材料，主要用于原型制造和大型结构件直接制造，售价在20万～200万美元之间。可见，无论面向个人还是专业机构，当前3D打印机的价格还是非常昂贵的，而主要用于模型制造的有限价值使得设备需求量难有爆发性增长。即使3D打印机成本能够降下来，单个商品的制造成本依然得不到解决。使用3D打印机制造商品，其成本要远高于大型企业规模化生产后均摊到每一件商品的成本，而批量生产也比3D打印产品的速度快得多。