重磅好文，深度剖析丨《我國增材制造技術與產業發展研究》
時間：2022-07-22 11:49 來源：《中國工程科學》2022年第4期 作者：admin 閱讀：次
要：增材制造作為新興的制造技術，應用領域不斷擴展，成為先進制造領域發展最快的技術方向之一；增材制造產業的發展為現代制造業的培育壯大以及傳統制造業的轉型升級提供了寶貴契機。本文在分析全球增材制造技術發展態勢與產業發展動態的基礎上，全面梳理了我國增材制造技術與產業的發展態勢，剖析了我國增材制造產業面臨的共性技術研究及基礎器件能力不足、面向國際市場的專利布局滯后、產業規模與產業集群建設有待深化等問題。著眼增材制造產業前瞻布局，論證提出了生物醫藥與醫療器械增材制造、大型高性能復雜構件增材制造、空間增材制造、基于增材制造的結構創新與新材料發明等重點發展方向。研究建議：建立增材制造協同創新機制并支持企業開展應用創新，圍繞重大裝備需求開展增材制造工藝變革專項技術攻關，深化區域性增材制造產業集群建設。
一、前言
當前，以增材制造（亦稱 3D 打印）為代表的新制造技術，其基礎研究、關鍵技術、產業孵化等都在快速發展。增材制造技術完全改變了產品的設計制造過程，被視為諸多領域科技創新的“加速器”、支撐制造業創新發展的關鍵基礎技術；進一步改變了產品的生產模式，驅動定制化、個性化、分布式制造；通過云制造并與大數據技術結合，加快傳統制造升級，實現制造的個性化、智能化、社會化；對制造業起到巨大的推動和顛覆性變革作用，助推航空、航天、能源、國防、汽車、生物醫療等領域核心制造技術的突破和跨越式發展 [1]。
增材制造的技術與產業研究是國內外熱點課題。美國麥肯錫咨詢公司認為增材制造是決定2025年經濟發展的12大顛覆技術之一，發布的《增材制造發展的主流化》探討了增材制造40年發展歷程，作出了增材制造將成為主流制造技術的判斷。中國工程院戰略性新興產業項目組近年來持續關注增材制造產業發展動態，研討了面向“十四五”時期及中長期的增材制造產業路線圖 [2]。有研究指出，增材制造技術作為面向材料的制造技術，在聚合物、金屬、陶瓷、玻璃、復合材料中仍普遍存在打印精度、打印尺度、打印速度難以兼顧的矛盾 [3]；在比較分析國內外增材制造產業的發展概況、宏觀策略、典型應用的基礎上，探討了增材制造相關的標準體系、人才培育、行業趨勢等 [4]。世界經濟論壇等機構聯合發布了《增材制造突破：可擴展化與克服關鍵挑戰的操作指南》，認為未來10年3D打印的工業部件將大規模用于生產制造，闡述了新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情防控與增材制造技術應用的關聯性。
我國制造業面臨著復雜的國際合作形勢和激烈的產業競爭態勢，高端裝備制造產業發展難以避免地受到干擾，前沿技術與工程的自主發展面臨潛在挑戰；在進行高質量發展轉型的過程中，需要堅定實施制造強國戰略 [5]。需要注意到，盡管我國制造業對于以增材制造為代表的新制造技術推廣應用具有較高的熱度，但增材制造技術與產業相比世界先進水平仍有差距；國內多數制造企業還處于接觸增材制造技術、開展探索應用階段，沒有達到全面掌握、轉化應用、創造增量價值的目標；結合國情開展的增材制造技術規劃與產業發展研究也不夠深入和充分。針對于此，本文力求全面梳理增材制造技術與產業進展，剖析當前發展存在的問題，突出生物醫藥與醫療器械、大型高性能復雜構件、空間增材制造、結構創新與新材料發明等重點方向，以期為我國增材制造領域的技術攻關、產業升級、宏觀策略等研究提供基礎參考。
二、國際增材制造的技術和產業發展情況
（一）國際增材制造技術動態
世界范圍內增材制造相關的新工藝、新原理、新材料、新應用不斷涌現，4D打印 [6]、空間3D打印 [1,7]、電子3D打印、細胞3D打印 [8]、微納3D打印 [9]等新概念層出不窮。針對工程塑料、陶瓷、樹脂基纖維增強復合材料等的增材制造技術逐漸成熟，適用材料的種類與應用范圍有所拓展，典型金屬增材制造結構的力學性能趨于穩定甚至部分超過鍛件性能（見表1）。高熵非晶合金等新種類合金材料的成分設計、材料基因組設計、多材料功能梯度結構、超材料結構、仿生材料及其結構、具有電磁屏蔽功能的復合材料結構、材料結構功能一體化設計、3D打印納米結構 [9]、軸向立體光刻打印 [10]、4D 打印智能材料、活體細胞打印、極端環境下的增材制造及應用等創新型、交叉性技術研究進展明顯。無支承金屬成形、大幅面高能束密集陣列區域化選區熔化金屬（或燒結尼龍）成型、金屬摩擦沉積制造、混合制造 [11]、多機器人協作的大尺寸結構的增材制造等先進成形工藝獲得突破。增材制件長周期服役的顯微組織演變規律、人工智能檢測成形過程缺陷、機器學習改進材料成分增強綜合性能、耐高溫合金材料組織 ‒ 性能的熱處理調控工藝 [12,13]等前沿基礎研究成果豐富。
在企業應用方面，增材制造技術賦予了零部件集成打印、輕量化、高效換熱、新材料應用、多材料功能梯度結構設計等創新功能；正在規模化地集成到現有產品的制造流程甚至供應鏈中，革新傳統制造方法并降低制造成本。一些優勢制造企業建立了包括基于增材制造技術的創新結構（如拓撲優化、晶狀點陣結構、結構功能一體化）設計能力，增材制造成形工藝控制、后處理及質量檢測評價等在內的全流程技術體系。以德國弗勞恩霍夫應用研究促進協會為代表的一批研究機構，持續深化增材制造的工業化生產和智能化技術研究。
在標準建設方面，傳統制造強國在增材制造技術方面進展較快，較多采用政府部門、高校、科研機構、企業、標準化機構組成標準化聯盟，以國防裝備、工程化場景應用需求為牽引，注重標準類基礎研究的發展模式；以發布增材制造標準建設路線圖的形式來推動相關建設，如《增材制造標準化路線圖》（美國）《增材制造標準領航行動計劃（2020—2022年）》（中國）[14]。美國還發布了《增材制造標準化路線圖差距進展報告》，推動解決增材制造標準化的實施問題。截至2022年3月，世界范圍內發布、在編、擬編標準超過200項，已發布的標準涉及增材制造技術的術語和定義、數據格式、設計、材料、成形工藝、零件檢測、裝備產品、人員操作、安全、評估、修理、行業應用等方面；在航空、航天、汽車、焊接、船舶、計量、檢測、印刷電路板、消費類3D打印、醫療、安全等領域/ 方向也開展了標準研究與制定 [15]。值得指出的是，增材制造的標準建設仍處于初期階段，明顯滯后于技術自身發展和產業推廣需求。
在技術路線圖方面，傳統制造強國積極研究并發布各自版本。美國國防部發布了《增材制造路線圖》（2016年），分為設計、材料、工藝、價值鏈四方面，面向維修與保障、部署與遠征、新部件/系統采辦3類應用范圍，為實施合作、協調投資提供了基礎框架。在歐盟資助下，增材制造行業技能戰略聯盟發布了《歐洲增材制造技能路線圖》（2021年），明確了2030年前的應用需求及技術挑戰，從消除增材制造技術差距的角度提出了目標和舉措。我國在2019 年發布了面向 2035 年的增材制造路線圖研究成果 [16,17]，梳理了中國增材制造技術的中長期發展方向。近期，我國學者綜述了增材制造的設計方法、材料、工藝與設備、智能結構、生物結構、極端環境應用進展，認為當前的增材制造技術不能全面滿足傳統制造業的標準化、規模化生產需求，闡述了未來10年增材制造技術的研究路線圖 [18]。
在科技論文與專利方面，近年來國際上與增材制造相關的數量迅猛上升，中國、美國、德國、韓國、日本是增材制造技術研究最為活躍的國家 [19]。將全球增材制造專利申請按照發明人國別、優先權國別進行排序（見圖1）可見，美國仍保持了增材制造原創專利產出的重要地位，在增材制造核心技術方面的創新能力較強。
（二）國際增材制造產業動態
面向未來產業布局，制造強國實施積極的增材制造產業政策。例如，美國著眼于持續增強制造業創新能力和競爭力，通過頂層設計、戰略規劃來引領增材制造產業發展 [20]；組建國家增材制造創新機構，發布《國防部增材制造路線圖》《增材制造標準化路線圖》《國防部增材制造戰略》等，啟動增材制造推進計劃“AM Forward”，協調推動增材制造在國防裝備、先進制造業中的示范應用并形成產業生態。
國際增材制造產業從起步期轉入成長期。隨著技術成熟度提升、單位成本降低、產業配套能力增強，增材制造已經逐漸成為工業領域的主流制造方式，以綜合效益（如成本、周期、輕量化等）改善促進了下游應用發展。行業領軍企業規劃了多種增材制造技術發展路線，采取加大資金投入、設立研發中心等形式布局增材制造軟硬件及創新網絡平臺，快速推進商業化應用；超前應對增材制造相關產業的潛在競爭，在專利、標準方面進行布局，力求把握新型制造技術制高點，在民用飛機、發動機、醫療器械等裝備制造方面取得創新發展。
國際增材制造產業鏈不斷拓展。航空、航天、航海、能源動力、汽車與軌道交通、電子工業、模具制造、醫療健康、數字創意、建筑等領域的企業和服務廠商不斷涌入這一新興市場。增材制造技術在航空/ 航天發動機制造方面獲得廣泛應用，如航空發動機燃油噴嘴、傳感器外殼、低壓渦輪葉片等零件通過了適航認證并批量應用到商用航空發動機，渦輪機部件具備了批生產能力且金屬增材制件的成本接近鑄造。在汽車行業，增材制造技術應用覆蓋原型設計、模具制造、批量化打印零件等。在數控機床產業鏈中，出現了配套有3D打印頭的數控機床和機器人產品，將增材功能模塊與減材設備（機床）、等材設備（鑄鍛焊、熱處理）配套，形成各類制造功能的復合化；同時將增材制造裝備作為工作母機產業鏈的一部分進行推廣。增材制造在個性醫療器械生產方面應用廣泛，如新型3D打印醫療器械產品趨于多樣化，從生物假體制造擴展至細胞、組織、器官的打印；還可用于制造醫用機器人 [21]。優勢企業將增材制造裝備、高端機床、智能工業機器人引入生產線，部分實現了混線生產，在生產效率、質量控制、柔性生產等方面提高了市場競爭力。
國際增材制造產業增長態勢良好，包括設備、材料、服務在內的綜合增長率超過20%，金屬增材制造的年復合增長率超過30%；2021年市場規模為152億美元（同比增長19.5%），其中材料產業規模為26億美元（同比增長23.4%） [22]。增材制造市場競爭格局相對集中，美國、中國占據著主要市場（前者占比為34.4%，后者占比為10.8%）；預計增材制造裝備市場仍將保持快速增長。
也要注意到，受國際形勢、COVID-19 疫情、各國政策導向的影響，主要國家之間的高端裝備制造業競爭格局正在出現調整；大型裝備企業傾向于采用兼并收購、服務增值等方式提升核心競爭力，將促進形成增材制造新產業鏈格局。跨國企業主導區域內的供應鏈布局調整，供應鏈逐漸縮短將成為新趨勢；各國應對氣候變化、實施碳減排所采取的積極措施，也將推動全球范圍內產業鏈加速重構，呈現產業鏈趨于完整、供應鏈多元化、產業分工區域化等趨勢。未來15年，制造業各領域原有的供應鏈體系將被打斷并進行重組，考慮到技術成熟帶來的單位成本效益、本地打印制造的零件相比全球制造中心提供的零件更具成本效益，增材制造有望改變全球制造產業鏈的價值結構。因此，未來增材制造產業規模有望進一步擴大。
三、我國增材制造技術開發和產業發展的現狀及面臨問題
（一）我國增材制造技術進展
我國初步建立了涵蓋3D打印材料、工藝、裝備技術到重大工程應用的全鏈條增材制造技術創新體系，相關技術研究涉及從光固化材料的原型制造（產品開發）到大尺寸金屬材料的增減材一體化制造（裝備應用）的完整環節，包括各類工藝的增材制造裝備與增材制造數據處理、各類成形工藝的路徑規劃軟件、模擬增材制造過程物理化學變化的數字仿真軟件、數字孿生體建模仿真、空間原位增材制造等。工程應用技術拓展至工業領域的產品裝備創新、工業領域高價值部件的再制造修復、重大裝備的原位修復與制造等。在醫療領域，生物醫療3D打印成為精準醫療、康復保健研究的前沿技術 [21]，相應產品以面向患者的定制化解決方案，增材制造的康復器具、手術導航以及醫療植入物等為代表，極具應用前景。
“十三五”時期以來，完成了10多類關鍵部件（如超高速激光熔覆頭、電子槍、微滴噴射打印頭）的技術攻關和自主生產，體現了核心部件的良好研制進展。開發的光內送粉等20余種規格的激光熔覆噴頭，適用于1~20 kW激光直接能量沉積，在電機轉子、風機轉子等動力部件的增材修復中獲得應用。激光加熱陰極電子槍、大尺寸數字式動態聚焦掃描系統、在線檢測系統等打破了國外公司的技術壁壘，國產3kW六硼化鑭單晶陰極電子槍的陰極壽命提升至800h；相關的電子槍及動態聚焦掃描系統配置于國產大幅面陣列式電子束選區熔化裝備。
通過持續努力，我國增材制造技術研究在工藝與裝備穩定性、精度控制、變形與應力調控等方面取得良好進展，大幅面動態鋪粉的旋轉粉末床增材制造裝備、新一代高性能難加工合金大型復雜構件增減材制造裝備等系列產品研制成功并投入應用。目前，增材制造技術在航空、航天、動力、能源領域的高端裝備制造方面獲得了廣泛認可，如采用激光熔覆沉積技術實現了投影面積達到16㎡的飛機發動機承力框、起落架的增材制造，解決了傳統方法難以處理的復雜結構、功能集成整體制造難題；采用多絲協同的電弧熔絲增減材工藝裝備，實現了10m尺寸級高強鋁合金運載火箭連接環樣件制造；開發了“融鑄鍛焊”一體化的創新工藝。此外，工業級顆粒料熔融擠出成型、樹脂及陶瓷漿料的光固化成型、金屬激光熔融沉積成型 [23]、等離子束/電弧熔絲成型、大幅面激光選區熔化成型、增減材混合制造等裝備實現了穩定的工業級應用；金屬黏合劑噴射3D打印技術能夠改善自身結構力學性能的不足，有望走向低成本、批量化應用。
科研院所、裝備制造企業與下游用戶組成“產學研”聯合體，協同開展大尺寸金屬增材制件的成形工藝與裝備、檢測技術、標準的研制。裝備企業積極推動增材制造技術在結構優化設計、材料、裝備、工藝、檢測評價等環節融入現有制造體系，提升新型號制造保障能力；開展復雜異形構件研制及批產工作，帶動成熟的航天動力型號演進升級。以火箭發動機部件的增材制造為示范，掌握了鈦合金、高溫合金、不銹鋼、鋁合金、銅合金5類合金共16種牌號材料的應用特性，實現了材料經熱處理后5類力學性能指標與同成分鍛件水平相當的目標；研究的材料種類覆蓋70%以上的常用鑄/ 鍛件難加工材料，實現了200余種產品的增材制造成形（含通過試車考核的90余種構件、批量交付的30余種構件）。
（二）我國增材制造產業進展
我國形成了國家級、省級、重要行業的增材制造創新中心協同布局，骨干企業率先發展的創新網絡與產業生態體系；增材制造產業鏈的各環節，包括原材料、關鍵零部件配套、裝備研制、共性技術研發平臺、應用服務商以及各應用領域，都在快速發展。我國消費級增材制造產業規模全球領先。在高性能金屬增材制造原材料及其生產裝備方面，基本實現了國產化替代，具有批量化供應和成本競爭優勢；核心器件及零部件的國產化進程加速，在國產中低端裝備上實現了規模化配套；高性能金屬增材制造裝備基本突破了規模化、產業化瓶頸，5軸增減材混合制造裝備已實現商用。增材制造砂型成為鑄造行業轉型升級突破口，建成萬噸級鑄造3D打印制造工廠；實現新型飛機研制過程中的增材制造結構件占比超過3%，建成火箭發動機零組件的智能生產車間。此外，國家藥品監督管理局成立了醫用增材制造技術醫療器械標準化技術歸口單位，圍繞增材制造醫療器械軟件、設備、原材料、工藝控制等，制定標準和規范，保障產業發展；針對多款增材制造產品批準了醫療器械注冊證，醫用增材制造產品的臨床應用案例超過1×10000個，一批醫用增材制造產品（如3D打印可降解支架）進入了動物實驗、個例臨床試驗階段。
我國增材制造產業規模穩步增長。中國增材制造產業聯盟數據表明，2021年我國增材制造產業規模為265億元，30%的增速超出世界平均水平約10個百分點。增材制造產業鏈上的大、中、小企業融通發展格局顯現，國內增材制造設備供應商積極從跟隨狀態轉向自主創新發展，龍頭企業具備了參與國際市場競爭的技術能力。以京津冀地區、長江三角洲（長三角）地區、珠江三角洲（珠三角）地區為核心，中西部地區為紐帶的增材制造產業發展的地域空間格局基本形成，區域性產業鏈集聚優勢逐步體現。
為應對國際市場與技術交流的形勢變化，促進我國增材制造產業鏈的健康發展，產業界積極推動增材制造“產學研用”協同發展模式，補齊產業鏈薄弱環節，突破關鍵技術瓶頸。增材制造產業鏈的上、中、下游機構與企業緊密合作：下游的用戶從需求出發解決了合適的技術來源，上游的增材制造原材料生產與銷售商、中游的增材制造設備與打印產品服務廠商明確了技術開發重點及市場方向。例如，航空、航天、核電、醫療領域的用戶，與國內相關企事業單位組成技術攻關聯合體，開展增材制件的實驗驗證與認證工作，實現國產材料、工藝裝備在各領域的“能用、敢用、規模化應用”。
未來經濟發展的良好預期以及超大規模的內需市場，是我國戰略性新興產業發展的根本動力。“3D打印+”正在向汽車、模具、精準醫療、新能源、再制造等制造業的細分方向、社會生活的多個方面深入發展 [2]。隨著增材制造技術成熟度的提升，材料及生產成本的持續下降，增材制造技術的應用范圍及產業規模有望進一步拓展，增材制造、減材制造、等材制造將逐漸在制造業價值鏈上形成“三分天下”格局。
一、前言
當前，以增材制造（亦稱 3D 打印）為代表的新制造技術，其基礎研究、關鍵技術、產業孵化等都在快速發展。增材制造技術完全改變了產品的設計制造過程，被視為諸多領域科技創新的“加速器”、支撐制造業創新發展的關鍵基礎技術；進一步改變了產品的生產模式，驅動定制化、個性化、分布式制造；通過云制造并與大數據技術結合，加快傳統制造升級，實現制造的個性化、智能化、社會化；對制造業起到巨大的推動和顛覆性變革作用，助推航空、航天、能源、國防、汽車、生物醫療等領域核心制造技術的突破和跨越式發展 [1]。
增材制造的技術與產業研究是國內外熱點課題。美國麥肯錫咨詢公司認為增材制造是決定2025年經濟發展的12大顛覆技術之一，發布的《增材制造發展的主流化》探討了增材制造40年發展歷程，作出了增材制造將成為主流制造技術的判斷。中國工程院戰略性新興產業項目組近年來持續關注增材制造產業發展動態，研討了面向“十四五”時期及中長期的增材制造產業路線圖 [2]。有研究指出，增材制造技術作為面向材料的制造技術，在聚合物、金屬、陶瓷、玻璃、復合材料中仍普遍存在打印精度、打印尺度、打印速度難以兼顧的矛盾 [3]；在比較分析國內外增材制造產業的發展概況、宏觀策略、典型應用的基礎上，探討了增材制造相關的標準體系、人才培育、行業趨勢等 [4]。世界經濟論壇等機構聯合發布了《增材制造突破：可擴展化與克服關鍵挑戰的操作指南》，認為未來10年3D打印的工業部件將大規模用于生產制造，闡述了新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情防控與增材制造技術應用的關聯性。
我國制造業面臨著復雜的國際合作形勢和激烈的產業競爭態勢，高端裝備制造產業發展難以避免地受到干擾，前沿技術與工程的自主發展面臨潛在挑戰；在進行高質量發展轉型的過程中，需要堅定實施制造強國戰略 [5]。需要注意到，盡管我國制造業對于以增材制造為代表的新制造技術推廣應用具有較高的熱度，但增材制造技術與產業相比世界先進水平仍有差距；國內多數制造企業還處于接觸增材制造技術、開展探索應用階段，沒有達到全面掌握、轉化應用、創造增量價值的目標；結合國情開展的增材制造技術規劃與產業發展研究也不夠深入和充分。針對于此，本文力求全面梳理增材制造技術與產業進展，剖析當前發展存在的問題，突出生物醫藥與醫療器械、大型高性能復雜構件、空間增材制造、結構創新與新材料發明等重點方向，以期為我國增材制造領域的技術攻關、產業升級、宏觀策略等研究提供基礎參考。
二、國際增材制造的技術和產業發展情況
（一）國際增材制造技術動態
世界范圍內增材制造相關的新工藝、新原理、新材料、新應用不斷涌現，4D打印 [6]、空間3D打印 [1,7]、電子3D打印、細胞3D打印 [8]、微納3D打印 [9]等新概念層出不窮。針對工程塑料、陶瓷、樹脂基纖維增強復合材料等的增材制造技術逐漸成熟，適用材料的種類與應用范圍有所拓展，典型金屬增材制造結構的力學性能趨于穩定甚至部分超過鍛件性能（見表1）。高熵非晶合金等新種類合金材料的成分設計、材料基因組設計、多材料功能梯度結構、超材料結構、仿生材料及其結構、具有電磁屏蔽功能的復合材料結構、材料結構功能一體化設計、3D打印納米結構 [9]、軸向立體光刻打印 [10]、4D 打印智能材料、活體細胞打印、極端環境下的增材制造及應用等創新型、交叉性技術研究進展明顯。無支承金屬成形、大幅面高能束密集陣列區域化選區熔化金屬（或燒結尼龍）成型、金屬摩擦沉積制造、混合制造 [11]、多機器人協作的大尺寸結構的增材制造等先進成形工藝獲得突破。增材制件長周期服役的顯微組織演變規律、人工智能檢測成形過程缺陷、機器學習改進材料成分增強綜合性能、耐高溫合金材料組織 ‒ 性能的熱處理調控工藝 [12,13]等前沿基礎研究成果豐富。
在企業應用方面，增材制造技術賦予了零部件集成打印、輕量化、高效換熱、新材料應用、多材料功能梯度結構設計等創新功能；正在規模化地集成到現有產品的制造流程甚至供應鏈中，革新傳統制造方法并降低制造成本。一些優勢制造企業建立了包括基于增材制造技術的創新結構（如拓撲優化、晶狀點陣結構、結構功能一體化）設計能力，增材制造成形工藝控制、后處理及質量檢測評價等在內的全流程技術體系。以德國弗勞恩霍夫應用研究促進協會為代表的一批研究機構，持續深化增材制造的工業化生產和智能化技術研究。
在標準建設方面，傳統制造強國在增材制造技術方面進展較快，較多采用政府部門、高校、科研機構、企業、標準化機構組成標準化聯盟，以國防裝備、工程化場景應用需求為牽引，注重標準類基礎研究的發展模式；以發布增材制造標準建設路線圖的形式來推動相關建設，如《增材制造標準化路線圖》（美國）《增材制造標準領航行動計劃（2020—2022年）》（中國）[14]。美國還發布了《增材制造標準化路線圖差距進展報告》，推動解決增材制造標準化的實施問題。截至2022年3月，世界范圍內發布、在編、擬編標準超過200項，已發布的標準涉及增材制造技術的術語和定義、數據格式、設計、材料、成形工藝、零件檢測、裝備產品、人員操作、安全、評估、修理、行業應用等方面；在航空、航天、汽車、焊接、船舶、計量、檢測、印刷電路板、消費類3D打印、醫療、安全等領域/ 方向也開展了標準研究與制定 [15]。值得指出的是，增材制造的標準建設仍處于初期階段，明顯滯后于技術自身發展和產業推廣需求。
在技術路線圖方面，傳統制造強國積極研究并發布各自版本。美國國防部發布了《增材制造路線圖》（2016年），分為設計、材料、工藝、價值鏈四方面，面向維修與保障、部署與遠征、新部件/系統采辦3類應用范圍，為實施合作、協調投資提供了基礎框架。在歐盟資助下，增材制造行業技能戰略聯盟發布了《歐洲增材制造技能路線圖》（2021年），明確了2030年前的應用需求及技術挑戰，從消除增材制造技術差距的角度提出了目標和舉措。我國在2019 年發布了面向 2035 年的增材制造路線圖研究成果 [16,17]，梳理了中國增材制造技術的中長期發展方向。近期，我國學者綜述了增材制造的設計方法、材料、工藝與設備、智能結構、生物結構、極端環境應用進展，認為當前的增材制造技術不能全面滿足傳統制造業的標準化、規模化生產需求，闡述了未來10年增材制造技術的研究路線圖 [18]。
在科技論文與專利方面，近年來國際上與增材制造相關的數量迅猛上升，中國、美國、德國、韓國、日本是增材制造技術研究最為活躍的國家 [19]。將全球增材制造專利申請按照發明人國別、優先權國別進行排序（見圖1）可見，美國仍保持了增材制造原創專利產出的重要地位，在增材制造核心技術方面的創新能力較強。
（二）國際增材制造產業動態
面向未來產業布局，制造強國實施積極的增材制造產業政策。例如，美國著眼于持續增強制造業創新能力和競爭力，通過頂層設計、戰略規劃來引領增材制造產業發展 [20]；組建國家增材制造創新機構，發布《國防部增材制造路線圖》《增材制造標準化路線圖》《國防部增材制造戰略》等，啟動增材制造推進計劃“AM Forward”，協調推動增材制造在國防裝備、先進制造業中的示范應用并形成產業生態。
國際增材制造產業從起步期轉入成長期。隨著技術成熟度提升、單位成本降低、產業配套能力增強，增材制造已經逐漸成為工業領域的主流制造方式，以綜合效益（如成本、周期、輕量化等）改善促進了下游應用發展。行業領軍企業規劃了多種增材制造技術發展路線，采取加大資金投入、設立研發中心等形式布局增材制造軟硬件及創新網絡平臺，快速推進商業化應用；超前應對增材制造相關產業的潛在競爭，在專利、標準方面進行布局，力求把握新型制造技術制高點，在民用飛機、發動機、醫療器械等裝備制造方面取得創新發展。
國際增材制造產業鏈不斷拓展。航空、航天、航海、能源動力、汽車與軌道交通、電子工業、模具制造、醫療健康、數字創意、建筑等領域的企業和服務廠商不斷涌入這一新興市場。增材制造技術在航空/ 航天發動機制造方面獲得廣泛應用，如航空發動機燃油噴嘴、傳感器外殼、低壓渦輪葉片等零件通過了適航認證并批量應用到商用航空發動機，渦輪機部件具備了批生產能力且金屬增材制件的成本接近鑄造。在汽車行業，增材制造技術應用覆蓋原型設計、模具制造、批量化打印零件等。在數控機床產業鏈中，出現了配套有3D打印頭的數控機床和機器人產品，將增材功能模塊與減材設備（機床）、等材設備（鑄鍛焊、熱處理）配套，形成各類制造功能的復合化；同時將增材制造裝備作為工作母機產業鏈的一部分進行推廣。增材制造在個性醫療器械生產方面應用廣泛，如新型3D打印醫療器械產品趨于多樣化，從生物假體制造擴展至細胞、組織、器官的打印；還可用于制造醫用機器人 [21]。優勢企業將增材制造裝備、高端機床、智能工業機器人引入生產線，部分實現了混線生產，在生產效率、質量控制、柔性生產等方面提高了市場競爭力。
國際增材制造產業增長態勢良好，包括設備、材料、服務在內的綜合增長率超過20%，金屬增材制造的年復合增長率超過30%；2021年市場規模為152億美元（同比增長19.5%），其中材料產業規模為26億美元（同比增長23.4%） [22]。增材制造市場競爭格局相對集中，美國、中國占據著主要市場（前者占比為34.4%，后者占比為10.8%）；預計增材制造裝備市場仍將保持快速增長。
也要注意到，受國際形勢、COVID-19 疫情、各國政策導向的影響，主要國家之間的高端裝備制造業競爭格局正在出現調整；大型裝備企業傾向于采用兼并收購、服務增值等方式提升核心競爭力，將促進形成增材制造新產業鏈格局。跨國企業主導區域內的供應鏈布局調整，供應鏈逐漸縮短將成為新趨勢；各國應對氣候變化、實施碳減排所采取的積極措施，也將推動全球范圍內產業鏈加速重構，呈現產業鏈趨于完整、供應鏈多元化、產業分工區域化等趨勢。未來15年，制造業各領域原有的供應鏈體系將被打斷并進行重組，考慮到技術成熟帶來的單位成本效益、本地打印制造的零件相比全球制造中心提供的零件更具成本效益，增材制造有望改變全球制造產業鏈的價值結構。因此，未來增材制造產業規模有望進一步擴大。
三、我國增材制造技術開發和產業發展的現狀及面臨問題
（一）我國增材制造技術進展
我國初步建立了涵蓋3D打印材料、工藝、裝備技術到重大工程應用的全鏈條增材制造技術創新體系，相關技術研究涉及從光固化材料的原型制造（產品開發）到大尺寸金屬材料的增減材一體化制造（裝備應用）的完整環節，包括各類工藝的增材制造裝備與增材制造數據處理、各類成形工藝的路徑規劃軟件、模擬增材制造過程物理化學變化的數字仿真軟件、數字孿生體建模仿真、空間原位增材制造等。工程應用技術拓展至工業領域的產品裝備創新、工業領域高價值部件的再制造修復、重大裝備的原位修復與制造等。在醫療領域，生物醫療3D打印成為精準醫療、康復保健研究的前沿技術 [21]，相應產品以面向患者的定制化解決方案，增材制造的康復器具、手術導航以及醫療植入物等為代表，極具應用前景。
“十三五”時期以來，完成了10多類關鍵部件（如超高速激光熔覆頭、電子槍、微滴噴射打印頭）的技術攻關和自主生產，體現了核心部件的良好研制進展。開發的光內送粉等20余種規格的激光熔覆噴頭，適用于1~20 kW激光直接能量沉積，在電機轉子、風機轉子等動力部件的增材修復中獲得應用。激光加熱陰極電子槍、大尺寸數字式動態聚焦掃描系統、在線檢測系統等打破了國外公司的技術壁壘，國產3kW六硼化鑭單晶陰極電子槍的陰極壽命提升至800h；相關的電子槍及動態聚焦掃描系統配置于國產大幅面陣列式電子束選區熔化裝備。
通過持續努力，我國增材制造技術研究在工藝與裝備穩定性、精度控制、變形與應力調控等方面取得良好進展，大幅面動態鋪粉的旋轉粉末床增材制造裝備、新一代高性能難加工合金大型復雜構件增減材制造裝備等系列產品研制成功并投入應用。目前，增材制造技術在航空、航天、動力、能源領域的高端裝備制造方面獲得了廣泛認可，如采用激光熔覆沉積技術實現了投影面積達到16㎡的飛機發動機承力框、起落架的增材制造，解決了傳統方法難以處理的復雜結構、功能集成整體制造難題；采用多絲協同的電弧熔絲增減材工藝裝備，實現了10m尺寸級高強鋁合金運載火箭連接環樣件制造；開發了“融鑄鍛焊”一體化的創新工藝。此外，工業級顆粒料熔融擠出成型、樹脂及陶瓷漿料的光固化成型、金屬激光熔融沉積成型 [23]、等離子束/電弧熔絲成型、大幅面激光選區熔化成型、增減材混合制造等裝備實現了穩定的工業級應用；金屬黏合劑噴射3D打印技術能夠改善自身結構力學性能的不足，有望走向低成本、批量化應用。
科研院所、裝備制造企業與下游用戶組成“產學研”聯合體，協同開展大尺寸金屬增材制件的成形工藝與裝備、檢測技術、標準的研制。裝備企業積極推動增材制造技術在結構優化設計、材料、裝備、工藝、檢測評價等環節融入現有制造體系，提升新型號制造保障能力；開展復雜異形構件研制及批產工作，帶動成熟的航天動力型號演進升級。以火箭發動機部件的增材制造為示范，掌握了鈦合金、高溫合金、不銹鋼、鋁合金、銅合金5類合金共16種牌號材料的應用特性，實現了材料經熱處理后5類力學性能指標與同成分鍛件水平相當的目標；研究的材料種類覆蓋70%以上的常用鑄/ 鍛件難加工材料，實現了200余種產品的增材制造成形（含通過試車考核的90余種構件、批量交付的30余種構件）。
（二）我國增材制造產業進展
我國形成了國家級、省級、重要行業的增材制造創新中心協同布局，骨干企業率先發展的創新網絡與產業生態體系；增材制造產業鏈的各環節，包括原材料、關鍵零部件配套、裝備研制、共性技術研發平臺、應用服務商以及各應用領域，都在快速發展。我國消費級增材制造產業規模全球領先。在高性能金屬增材制造原材料及其生產裝備方面，基本實現了國產化替代，具有批量化供應和成本競爭優勢；核心器件及零部件的國產化進程加速，在國產中低端裝備上實現了規模化配套；高性能金屬增材制造裝備基本突破了規模化、產業化瓶頸，5軸增減材混合制造裝備已實現商用。增材制造砂型成為鑄造行業轉型升級突破口，建成萬噸級鑄造3D打印制造工廠；實現新型飛機研制過程中的增材制造結構件占比超過3%，建成火箭發動機零組件的智能生產車間。此外，國家藥品監督管理局成立了醫用增材制造技術醫療器械標準化技術歸口單位，圍繞增材制造醫療器械軟件、設備、原材料、工藝控制等，制定標準和規范，保障產業發展；針對多款增材制造產品批準了醫療器械注冊證，醫用增材制造產品的臨床應用案例超過1×10000個，一批醫用增材制造產品（如3D打印可降解支架）進入了動物實驗、個例臨床試驗階段。
我國增材制造產業規模穩步增長。中國增材制造產業聯盟數據表明，2021年我國增材制造產業規模為265億元，30%的增速超出世界平均水平約10個百分點。增材制造產業鏈上的大、中、小企業融通發展格局顯現，國內增材制造設備供應商積極從跟隨狀態轉向自主創新發展，龍頭企業具備了參與國際市場競爭的技術能力。以京津冀地區、長江三角洲（長三角）地區、珠江三角洲（珠三角）地區為核心，中西部地區為紐帶的增材制造產業發展的地域空間格局基本形成，區域性產業鏈集聚優勢逐步體現。
為應對國際市場與技術交流的形勢變化，促進我國增材制造產業鏈的健康發展，產業界積極推動增材制造“產學研用”協同發展模式，補齊產業鏈薄弱環節，突破關鍵技術瓶頸。增材制造產業鏈的上、中、下游機構與企業緊密合作：下游的用戶從需求出發解決了合適的技術來源，上游的增材制造原材料生產與銷售商、中游的增材制造設備與打印產品服務廠商明確了技術開發重點及市場方向。例如，航空、航天、核電、醫療領域的用戶，與國內相關企事業單位組成技術攻關聯合體，開展增材制件的實驗驗證與認證工作，實現國產材料、工藝裝備在各領域的“能用、敢用、規模化應用”。
未來經濟發展的良好預期以及超大規模的內需市場，是我國戰略性新興產業發展的根本動力。“3D打印+”正在向汽車、模具、精準醫療、新能源、再制造等制造業的細分方向、社會生活的多個方面深入發展 [2]。隨著增材制造技術成熟度的提升，材料及生產成本的持續下降，增材制造技術的應用范圍及產業規模有望進一步拓展，增材制造、減材制造、等材制造將逐漸在制造業價值鏈上形成“三分天下”格局。
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