近期，《中國工程科學》刊登了《我國增材制造技術與產業發展研究》一文。

       文章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。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。

本期谷.專欄將分享該文章中關于“我國增材制造技術開發和產業發展的現狀及面臨問題”，“面向未來的增材制造技術與產業前瞻布局”，以及“我國增材制造技術與產業發展建議”的三大版塊內容。

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 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。

（三）我國增材制造技術與產業發展存在的問題

1. 共性技術研究及基礎器件能力存在不足

增材制造產業的高質量發展，依賴于關鍵技術的全面突破、技術體系成熟度的綜合提升，表現在擴展材料種類、改善成形效率、革新質量控制手段、降低綜合成本。我國增材制造產業盡管增速較快，但原始創新能力依然不強，基礎共性技術、基礎器件配套能力、產業前沿技術研究差距客觀存在，工業軟件及核心器件的國產配套能力不足，部分核心關鍵技術受制于人。高端增材制造裝備使用的核心元器件（如打印頭、激光器、長壽命電子槍、掃描振鏡、微滴噴頭、精密光學器件等）、關鍵零部件、商業化工業軟件較多依賴進口；部分激光器、掃描器件已完成自主研制，但配套應用規模較小，品質與可靠性有待提高。國產高端金屬成形裝備在專用工藝包開發與成型精度方面較世界先進水平仍有差距。

增材制造行業的共性關鍵技術支撐能力有所不足，成為規模化應用的瓶頸環節。增材制造涉及學科眾多、應用領域寬廣，導致基礎理論研究、應用基礎研究、學科交叉研究繁重而迫切。尤其是在民航、軌道交通、核電、醫療等行業，因嚴格監管而面臨嚴格的產品準入要求 [21,24]，但面向產品全生命周期（設計、制造、經銷、服役用、維修保養、回收/再用處置）的質量保證與認證研究仍處于初期階段，不利于增材制造技術及產品的推廣應用。與基礎數據缺乏、標準建設滯后的整體態勢類似，增材制造高性能專用材料及其成形工藝包等基礎數據的積累較少，標準及質量評價體系不完整。特別是面向各領域應用的缺陷檢測及質量評價技術研究不足，導致增材制件在復雜工況/環境服役的可靠性數數據偏少，增材制件在高溫、超高壓、深冷、復雜腐蝕等極端條件下的缺陷檢驗檢測與臨界失效預測預警技術，系統工程風險評估技術，超期服役、長周期運行的結構完整性評價技術等均有待突破，制約了增材制造產業的規模化發展。

2. 面向國際市場的專利布局滯后

面向國際市場開展專利布局，才能保障我國增材制造產業的未來競爭力。美國、德國、日本、韓國都高度重視專利布局并偏重國際市場，如德國籍專利發明人申請的專利有66.2%的在國外申請，日本的海外專利占比達到48.4%。相比之下，我國專利申請人的專利布局重點仍局限于本土，如國內申請的專利占總量的97.8%，即僅有2.2%的專利瞄準海外布局 [19]。因此，發達國家構建的專利壁壘對我國企業在增材制造、激光制造領域的投入及研究產生了明顯干擾。擁有核心自主知識產權體系，是打破國外技術壁壘與封鎖的依托，也是壯大國內增材制造產業的核心環節。在增材制造領域日益激烈的國際市場競爭背景下，我國增材制造技術專利的保護力度相對不足，信息與技術的市場化共享渠道不暢；應把握增材制造技術的國際制高點，以更大力度實施相關專利的海外市場布局，化解增材制造產業國際化的發展風險。

3. 產業規模與產業集群建設有待深化

我國增材制造產業初步形成了完整的生態鏈，構建了產業鏈、供應鏈風險的應對機制，但客觀來看仍存在分布不集中、企業規模小、綜合競爭力弱等問題。“專精特新”企業數量少、成立時間短，研發強度和市場競爭力在短期內離不開產業政策扶持；各應用領域的示范推廣和商業應用規模仍待發展 [25]，國際化僅處于起步階段。工業企業除了因成本控制而限制推廣規模之外，對增材制造技術的認識仍不夠深入，實施創新應用的開拓能力不足；多是沿用國外案例經驗或由市場競爭倒逼，偏好短期規模效益、跟隨市場熱點進行重復投資，而對技術創新難度大的產品缺乏持續投入動力。現有的增材制造產業集群呈現“小集中、大分散”分布特征，產業鏈過于圍繞中游（增材制造裝備）展開；通用技術薄弱、創新能力體系不強、人才與研發經費保障不充分、行業利潤不足以支撐可持續發展，成為增材制造行業面臨的共性問題。

跨部門和區域的協調發展機制不完善，各省份的產業鏈規劃互補性弱，部分增材制造產業園區同質化競爭現象嚴重；地區之間的搶鏈風險和局部市場壁壘問題，阻礙了增材制造產業鏈的優質發展。在區域內，大型企業的獨立性較高，業務覆蓋原材料、裝備、應用等環節，幾乎包攬所有研發與生產任務，小型企業尤其是初創公司難以參與配套的發展模式有待革新。國有企業在設備采購中過分強調業績記錄，導致自主創新技術不易獲得應用實踐機會。因此，增材制造產業集群的發展水平和發展質量不平衡問題較為突出，亟待破解。

 面向未來的增材制造技術與產業前瞻布局

（一）生物醫藥與醫療器械增材制造

生物醫藥產業、新型治療技術的發展，對生物醫藥與醫療器械制造技術提出更高要求。增材制造是實現個性化診療方案與植入物制造的關鍵技術。在當前3D打印應用于精準醫療的基礎上，繼續完善醫用增材制造產品的認證標準、法規、評價體系，創新發展高效增材制造的新工藝、新技術、新裝備：基于3D打印技術，發展受控釋放的藥物制劑打印產品，制造滿足生物相容性的骨科植入物以及基于可降解材料的打印產品；發展基于生長因子的3D打印技術，形成人體器官再造的重大突破；探索體內原位打印修復技術，為骨缺損臨床修復填充、部分功能器官修復提供新手段。針對社會老齡化現象，基于增材制造技術研究人體老化器官功能再生方案，延長人類的健康壽命、提升人類的生活質量，從而取得生命科學的重大創新成果，開創規模化的新興產業。

（二）大型高性能復雜構件的增材制造

瞄準航空、航天、船舶、核能等領域重大裝備的發展需求，突破大型復雜精密構件研發生產的“卡脖子”技術環節，如高性能鋁合金、鈦合金、船用鋼、高溫難熔難加工合金、復合材料等材料的大型復雜構件高效增材制造工藝，系列化的工程成套裝備性能控制及質量評價、檢測標準認證與工程化應用等；重點攻關大型高性能復雜構件制造的組織性能調控、在線質量檢測、服役性能預測、裝備集成與可靠性等技術。以增材制造技術的應用提升來推動重點工程、重大裝備的建設突破，提升相關產品的研制水平和更新換代能力。

（三）空間增材制造

在形成空間新材料、新裝備、新工藝、新應用，提高空間活動能力，增強空間開發利用優勢方面具有重要價值。面向工程實際需求，針對宇航器、空間站、衛星的在軌制造與維修，太陽能電池陣列、天線、光學系統等大型空間結構的在軌制造與組裝，外星球基地建設等長遠發展規劃，著力提升空間增材制造技術。系統級的研究布局有艙內微重力環境下的增材制造技術與裝備、適應艙外極端環境的新材料成形技術與裝備、空間巨型結構的多方位增材制造技術、在軌制造工廠。突破真空微重力環境下的金屬冶金與部件原位修復，輕質金屬及新合金的原位增材制造，復合材料空間增材制造，多材料、多功能器件的空間增材制造，生物器官的空間增材制造等技術，構建在軌制造技術體系。此外，利用外星物質進行新合金原位冶金及增材制造、月壤基地3D打印等也是亟待發展的

大規模空間開發支撐技術。以空間增材制造技術的基礎研究為突破口，快速轉化應用能力，探索商業應用示范。未來結合民用、商業、國防需求，開辟新的制造體系、人類新的制造基地，為解決地外資源原位利用、拓展人類地外持續生存與活動能力提供戰略性保障。

（四）基于增材制造的結構創新與新材料發明

面向能源領域發展需求，基于增材制造技術的創新設計將顯著縮小換熱器結構，支持小型化、模塊化、可移動的核電小堆裝備工程化開發，為核電安全性提升及潛在的電力供應安全提供保障；研究堆芯燃料組件、核主泵、換熱器、熱電轉換等關鍵結構的創新設計，新材料及相應的增材制造技術，探索增材制造在線增強增韌技術，提高增材制件的復雜工況服役性能，超前布局并構建核電行業增材制造標準及質量評價體系。針對前沿新材料，發揮增材制造技術在材料基因組設計新合金、多材料及功能復合材料構件制造方面的平臺技術作用，研究基于增材制造的新材料合成技術、新材料增材制造工藝及其應用，形成高端裝備用特種合金、電子打印材料、生物醫用材料、智能仿生材料、高性能纖維復合材料、高性能陶瓷基復合材料、新型合金材料等；依托增材制造技術，構建新材料發明的創新體系，提升材料研發能力和新材料產業競爭力。

 我國增材制造技術與產業發展建議

（一）建立增材制造協同創新機制并支持企業開展應用創新

建議以國家整體目標、產業發展需求為導向，統籌正在規劃建設、以各類創新中心為代表的國家戰略科技力量；在增材制造重點領域給予連續性政策支持，借鑒國際先進科研機構的管理模式與經驗，構建穩定適用的團隊管理模式，兼顧科研團隊的穩定發展與分工協同。建立由國家級科研機構、產業聯盟、第三方機構組成的產業鏈安全預警機制，加強增材制造前沿技術與產業發展的戰略研究，制定增材制造工業基礎能力與關鍵共性技術提升計劃、發展目錄、標準開發以及增材制造技術與產業發展路線圖。建設各類科研機構、科研項目的協同機制，開展增材制造產業基礎與關鍵共性技術研究，支持解決前沿技術和創新成果的工程轉化難題，為裝備制造行業的產業鏈高級化、產業鏈現代化提供堅實支撐。

建議制定鼓勵企業應用自主技術產品的獎勵和補助政策、符合技術創新規律的新型科技機構考核與管理辦法。明確考核導向，提高技術創新在考核中的比重，分類考核長期研發投入和產出，形成長期扶持、鼓勵創新、寬容失敗的考核機制，激發企業創新動力；引導企業從依靠過度資源消耗、低性能/低成本競爭模式轉向依靠技術與應用創新、實施差別化競爭模式，提升中國制造行業的國際競爭力。

（二）圍繞重大裝備需求開展增材制造工藝變革專項技術攻關

圍繞國防重大戰略需求、國際前沿競爭需要，開展重大裝備發展的頂層設計，從原始創新、新材料、核心器件、工業軟件、高端裝備、創新應用等方面著手，強化增材制造技術創新體系。建議設立增材制造工藝變革科技專項（簡稱“科技專項”），建設用戶牽頭、多元主體參與的協同機制并形成“產學研用”聯合體；建設增材制造產業鏈的產品質量保障體系，覆蓋原材料規范、成形精度、生產效率、專用軟件、制造裝備、后處理、檢測檢驗、標準等；破解增材制造產業鏈的技術瓶頸環節，為重大裝備制造提供配套技術支撐。

科技專項將重點支持增材制造在重大裝備研發與生產單位中的技術擴散和產業化應用，推動國產的材料、軟件、器件、制造裝備、應用工藝流程等全鏈條技術在大型飛機及無人機、航空/航天發動機、重型運載火箭、空間飛行器、汽車、醫療器械、海洋裝備等工程裝備及關鍵部件整體化制造中的應用示范，培育并提升中小企業在增材制造產業鏈中的參與程度。科技專項將重點引導增材制造技術在真實場景中的加速應用及技術迭代，建設面向應用對象的增材制造全工藝流程基礎數據庫，適應技術研究、性能驗證、產品研制的實際需要；在深層次解決國產材料、關鍵功能部件、工業軟件等產業配套問題的同時，實質性提升增材制造關鍵技術與裝備的國產化能力及國際市場競爭力。

（三）深化區域性增材制造產業集群建設

把握國際高端裝備產業創新發展趨勢與規律，立足國情實際與裝備需求，優化頂層設計并統籌區域性增材制造產業發展規劃。針對增材制造創新鏈和產業鏈的技術密集、資金密集、人才密集特點，建議整合各地區的優勢科技資源與先進制造產業鏈資源，高效推動“3D 打印+”細分行業的協調發展。圍繞世界級產業集群建設目標，以京津冀地區、長三角地區、珠三角地區、中西部地區的增材制造產業優勢聚集區為基礎，推進增材制造技術與各地區優勢產業鏈、供應鏈的深度融合；打破不合理的地區限制和隱性壁壘，推動產業鏈、供應鏈的跨區域協同發展，形成具有國際競爭優勢的中國增材制造產業鏈生態。

建議成立由管理部門、創新平臺、企業用戶共同參與的增材制造產業鏈“雙鏈主”，在整機及關鍵功能部件、應用創新方面提供必要支持，實施技術攻關和應用示范，實現增材制造產業鏈與區域內各應用行業產業鏈的協同發展。合理給予稅收優惠或金融支持，引導中小企業向“專精特新”方向成長，支持深耕基礎零部件、材料、元器件、傳感器、工業軟件、專用裝備等細分領域，以差異化發展實現產業鏈提升。鼓勵各類企業采取投資入股、聯合投資等方式，與增材制造創新平臺開展深度合作，實現創新資源高效整合、創新驅動產業發展。推動各領域的重點企業加大國產增材制造裝備、國產器件的應用力度，推動軍民技術的一體化發展，以應用創新促進能力提升。

l 作者信息

王磊 副研究員1, 2，盧秉恒 院士 1, 2

1. 西安交通大學高端制造裝備協同創新中心

2. 國家增材制造創新中心

(責任編輯：admin)

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