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    重振制造業(yè)的“戰(zhàn)略級技術”

　　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)新網絡”中，增材制造研究機構正是第一個成立的。

　　2012年8月，奧巴馬政府宣布在俄亥俄州的揚斯敦設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。由美國國防部、能源部、國家航空和航天局、國家科學基金會、商務部等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)、學校和非營利性組織組成的聯(lián)合團體將出資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，加快增材制造技術創(chuàng)新，彌補基礎研究和成熟應用之間的差距，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、資格鑒定和認證測試、加工能力和過程控制等三項技術主題。

　　美國國家科學基金會和海軍研究辦公室早在2009年已經組織來自學術界、工業(yè)界和政府的65位專家組成工作組，研究未來10～12年的增材制造技術路線圖，就增材制造在設計、過程建模和控制、材料和機器、生物醫(yī)學應用、能源和可持續(xù)發(fā)展應用、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路線圖的研究。增材制造正成為發(fā)達國家日益關注的戰(zhàn)略性產業(yè)核心技術。

　　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規(guī)范與標準制訂。此外，將加大財稅政策引導力度，加大對增材制造技術研發(fā)和產業(yè)化的支持力度，研究制定支持增材制造產業(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)力量開展產業(yè)政策研究，推動增材制造技術研發(fā)和產業(yè)化。

　　專利創(chuàng)新的“新領地”

　　專利申請是技術創(chuàng)新成果的主要衡量指標，專利文獻中飽含著豐富的技術信息，據(jù)世界知識產權組織(WIPO)的統(tǒng)計，90%～95%的研發(fā)成果包含在專利文獻中。經筆者對增材制造專利技術調研發(fā)現(xiàn)，截至2013年1月24日，全球增材制造相關專利數(shù)量達到2444個專利族（每個專利族包括同一基礎專利在不同國家申請的所有專利），經從技術層面、區(qū)域格局、競爭機構等角度分析判斷出以下趨勢。

　　技術發(fā)展態(tài)勢短期回穩(wěn)：國際增材制造技術自上世紀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）達到波峰。目前正進入第三階段技術成熟期，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，產業(yè)進入壁壘提高。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領域，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家機構均為高科技研發(fā)與制造型企業(yè)，除專注于3D打印技術研發(fā)的3DSystems、美國Stratesys和德國EOS等領先者以外，還包括了材料、半導體、飛機制造等領域的跨國公司，說明增材制造正積極朝著產業(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，但在專利質量上的情況卻非如此光鮮。來自美國的麻省理工學院和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，這些早期技術可歸納為通過手工“削減和堆積”方式分層構造自由成形對象。

　　現(xiàn)代增材制造技術的出現(xiàn)起源于20世紀80年代中期的光固化成型（SLA），該技術由1986年創(chuàng)建的3DSystems公司成功研發(fā)。在20世紀80年代末和90年代初期，大量的增材制造技術開始出現(xiàn)，包括選擇性激光燒結（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)和學術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，增材制造已經發(fā)展出很多工藝，這些技術由不同公司所研發(fā)倡導。

　　不容忽視的“障礙”

　　科學技術的進步總是伴隨著相應的弊端，增材制造也是如此，但技術革新的步伐卻永遠不會停止。

　　倫理和安全問題：

　　據(jù)福布斯中文網報道，美激進組織“分布式防御”正在利用3D打印技術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)網在家里下載這款槍支的設計圖，然后借助3D打印技術制造出來。該組織已開始打印槍支部件并進行實彈射擊測試，這一事件引發(fā)全球有關3D打印槍支的爭論。此外，可以克隆人體器官的3D打印技術在給醫(yī)學界帶來無限想象力的同時，也面臨著倫理上引起大眾質疑的困境。隨著3D打印技術的進步，其引發(fā)的安全風險和倫理質疑將越來越大，如何保證3D打印技術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)管機制，將對技術的成長極為重要。

　　技術和材料缺陷：

　　3D打印是材質一層層堆積成形，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。而層和層之間粘結再緊密，其產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的應用范圍形成掣肘。目前，可供3D打印的材料有300多種，多為石膏、塑料、可粘結的粉末顆粒、樹脂等，制造精度、復雜性、強度等難以達到較高要求，主要應用于模型、玩具等產品領域。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，技術難度很高，因此，諸多金屬材料在短期很難實際應用。

　　打印成本問題：

　　價格是制約3D打印普及應用的另一個因素。中低端機器主要采用聚合物成型材料，面向個人消費者設計需要，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打印機售價在2000美元左右。高端機器采用聚合物、金屬和陶瓷等材料，主要用于原型制造和大型結構件直接制造，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)機構，當前3D打印機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備需求量難有爆發(fā)性增長。即使3D打印機成本能夠降下來，單個商品的制造成本依然得不到解決。使用3D打印機制造商品，其成本要遠高于大型企業(yè)規(guī)?；a后均攤到每一件商品的成本，而批量生產也比3D打印產品的速度快得多。