重振制造業(yè)的“戰(zhàn)略級技術(shù)”

　　奧巴馬政府2012年提出重振美國制造業(yè)的一系列發(fā)展方案，將增材制造列為11項重要技術(shù)之一。在美國政府計劃斥資10億美元興建15家制造業(yè)創(chuàng)新研究所組成的“全美制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”中，增材制造研究機(jī)構(gòu)正是第一個成立的。

　　2012年8月，奧巴馬政府宣布在俄亥俄州的揚(yáng)斯敦設(shè)立一所由政府部門和私營部門共同出資建造的制造業(yè)創(chuàng)新研究所——國家增材制造創(chuàng)新研究院（NAMII），專門研發(fā)增材制造技術(shù)。由美國國防部、能源部、國家航空和航天局、國家科學(xué)基金會、商務(wù)部等5家政府部門共同出資4500萬美元，俄亥俄州、賓夕法尼亞州和西弗吉尼亞州的企業(yè)、學(xué)校和非營利性組織組成的聯(lián)合團(tuán)體將出資4000萬美元。奧巴馬政府期待通過NAMII整合高校、企業(yè)和政府的力量，加快增材制造技術(shù)創(chuàng)新，彌補(bǔ)基礎(chǔ)研究和成熟應(yīng)用之間的差距，從而帶動區(qū)域制造業(yè)的創(chuàng)新和提升。NAMII目前主要研究打印材料特性和效能、資格鑒定和認(rèn)證測試、加工能力和過程控制等三項技術(shù)主題。

　　美國國家科學(xué)基金會和海軍研究辦公室早在2009年已經(jīng)組織來自學(xué)術(shù)界、工業(yè)界和政府的65位專家組成工作組，研究未來10～12年的增材制造技術(shù)路線圖，就增材制造在設(shè)計、過程建模和控制、材料和機(jī)器、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、能源和可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用、社區(qū)發(fā)展、教育、國家實驗中心等方面的發(fā)展提出了一些規(guī)劃。而在此之前，歐洲和日本也組織過增材制造相關(guān)路線圖的研究。增材制造正成為發(fā)達(dá)國家日益關(guān)注的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)。

　　我國國家工信部也表示，近期將組織研究制定增材制造技術(shù)路線圖、增材制造業(yè)中長期發(fā)展戰(zhàn)略，并推動完善增材制造技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)制訂。此外，將加大財稅政策引導(dǎo)力度，加大對增材制造技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的支持力度，研究制定支持增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項財稅政策，還將適時籌建增材制造行業(yè)組織，積極組織行業(yè)力量開展產(chǎn)業(yè)政策研究，推動增材制造技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。

　　專利創(chuàng)新的“新領(lǐng)地”

　　專利申請是技術(shù)創(chuàng)新成果的主要衡量指標(biāo)，專利文獻(xiàn)中飽含著豐富的技術(shù)信息，據(jù)世界知識產(chǎn)權(quán)組織(WIPO)的統(tǒng)計，90%～95%的研發(fā)成果包含在專利文獻(xiàn)中。經(jīng)筆者對增材制造專利技術(shù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，截至2013年1月24日，全球增材制造相關(guān)專利數(shù)量達(dá)到2444個專利族（每個專利族包括同一基礎(chǔ)專利在不同國家申請的所有專利），經(jīng)從技術(shù)層面、區(qū)域格局、競爭機(jī)構(gòu)等角度分析判斷出以下趨勢。

　　技術(shù)發(fā)展態(tài)勢短期回穩(wěn)：國際增材制造技術(shù)自上世紀(jì)80年代中后期開始穩(wěn)定發(fā)展，在2004年之前以較快幅度攀升，之后便呈現(xiàn)出專利量基本穩(wěn)定甚至略為減少的態(tài)勢，相關(guān)專利的申請量和公開量分別在2007年（251個專利族）和2008年（219個專利族）達(dá)到波峰。目前正進(jìn)入第三階段技術(shù)成熟期，專利申請數(shù)量和申請人數(shù)量趨于穩(wěn)定甚至有開始減少的趨勢，產(chǎn)業(yè)進(jìn)入壁壘提高。塑料成型是增材制造中發(fā)展最快、專利申請最為集中的技術(shù)領(lǐng)域，但近年開始出現(xiàn)回落。

　　美國彰顯區(qū)域優(yōu)勢：增材制造的專利申請主要集中在美、日、德、中、韓五個國家，上述五國的專利申請量占全球增材制造專利申請總量的九成。其中，美國以近半的份額在增材制造技術(shù)專利上具有絕對優(yōu)勢。日本、德國盡管位居第二、第三位，但15%、14%的申請份額已較美國有了明顯差距，中國、韓國則分別以7%、5%的份額位列全球第四、第五位。

　　企業(yè)成為創(chuàng)新主體：全球增材制造專利申請最多的前10家機(jī)構(gòu)均為高科技研發(fā)與制造型企業(yè)，除專注于3D打印技術(shù)研發(fā)的3DSystems、美國Stratesys和德國EOS等領(lǐng)先者以外，還包括了材料、半導(dǎo)體、飛機(jī)制造等領(lǐng)域的跨國公司，說明增材制造正積極朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，市場前景明朗。雖然上述企業(yè)的專利數(shù)量很多，但在專利質(zhì)量上的情況卻非如此光鮮。來自美國的麻省理工學(xué)院和Zcorp公司的專利引證率分別為11.95和4.56，平均每篇專利的研究價值超過了上述排名前十位的企業(yè)。#p#分頁標(biāo)題#e#

   何謂增材制造

　　增材制造，俗稱3D打印，是指通過逐層增加材料的方式將數(shù)字模型制造成三維實體物件的過程，其基本特征是分層制造。

　　增材制造的發(fā)展歷史最早可追溯到150年前的照片雕塑和地形測繪，這些早期技術(shù)可歸納為通過手工“削減和堆積”方式分層構(gòu)造自由成形對象。

　　現(xiàn)代增材制造技術(shù)的出現(xiàn)起源于20世紀(jì)80年代中期的光固化成型（SLA），該技術(shù)由1986年創(chuàng)建的3DSystems公司成功研發(fā)。在20世紀(jì)80年代末和90年代初期，大量的增材制造技術(shù)開始出現(xiàn)，包括選擇性激光燒結(jié)（SLS）、層壓板制造(LOM)、熔融沉積成型（FDM）、精密金屬沉積(PMD)等，一批行業(yè)先行者如日本CMET、美國Stratesys、德國EOS、美國Zcorp、以色列Objet等公司先后成立。之后的20多年，增材制造在商業(yè)和學(xué)術(shù)活動中的影響力不斷增長。目前，根據(jù)所用打印材料及生成片層方式的不同，增材制造已經(jīng)發(fā)展出很多工藝，這些技術(shù)由不同公司所研發(fā)倡導(dǎo)。

　　不容忽視的“障礙”

　　科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步總是伴隨著相應(yīng)的弊端，增材制造也是如此，但技術(shù)革新的步伐卻永遠(yuǎn)不會停止。

　　倫理和安全問題：

　　據(jù)福布斯中文網(wǎng)報道，美激進(jìn)組織“分布式防御”正在利用3D打印技術(shù)制造可以開火并具有殺傷力的槍械，任何人都可以通過互聯(lián)網(wǎng)在家里下載這款槍支的設(shè)計圖，然后借助3D打印技術(shù)制造出來。該組織已開始打印槍支部件并進(jìn)行實彈射擊測試，這一事件引發(fā)全球有關(guān)3D打印槍支的爭論。此外，可以克隆人體器官的3D打印技術(shù)在給醫(yī)學(xué)界帶來無限想象力的同時，也面臨著倫理上引起大眾質(zhì)疑的困境。隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步，其引發(fā)的安全風(fēng)險和倫理質(zhì)疑將越來越大，如何保證3D打印技術(shù)不被犯罪分子和恐怖分子利用來為非作歹，如何建立一套行之有效的監(jiān)管機(jī)制，將對技術(shù)的成長極為重要。

　　技術(shù)和材料缺陷：

　　3D打印是材質(zhì)一層層堆積成形，每一層都有厚度，這決定了它的精度難以企及傳統(tǒng)的減材制造方法。為提高精度，則需不斷降低每一層的厚度，這在難度提高的同時，制造時間也大幅延長。而層和層之間粘結(jié)再緊密，其產(chǎn)品性能也無法和傳統(tǒng)模具整體澆鑄的零件相媲美。此外，打印材料的限制也對技術(shù)的應(yīng)用范圍形成掣肘。目前，可供3D打印的材料有300多種，多為石膏、塑料、可粘結(jié)的粉末顆粒、樹脂等，制造精度、復(fù)雜性、強(qiáng)度等難以達(dá)到較高要求，主要應(yīng)用于模型、玩具等產(chǎn)品領(lǐng)域。對于金屬材料來說，如果液化打印則難以成型，采用粉末冶金方式，除高溫還需高壓，技術(shù)難度很高，因此，諸多金屬材料在短期很難實際應(yīng)用。

　　打印成本問題：

　　價格是制約3D打印普及應(yīng)用的另一個因素。中低端機(jī)器主要采用聚合物成型材料，面向個人消費者設(shè)計需要，可打印眼鏡框、樣板房和玩具等小型物件，以美國Makerbot為代表的個人3D打印機(jī)售價在2000美元左右。高端機(jī)器采用聚合物、金屬和陶瓷等材料，主要用于原型制造和大型結(jié)構(gòu)件直接制造，售價在20萬～200萬美元之間?？梢姡瑹o論面向個人還是專業(yè)機(jī)構(gòu)，當(dāng)前3D打印機(jī)的價格還是非常昂貴的，而主要用于模型制造的有限價值使得設(shè)備需求量難有爆發(fā)性增長。即使3D打印機(jī)成本能夠降下來，單個商品的制造成本依然得不到解決。使用3D打印機(jī)制造商品，其成本要遠(yuǎn)高于大型企業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)后均攤到每一件商品的成本，而批量生產(chǎn)也比3D打印產(chǎn)品的速度快得多。