美国3D打印创新中心发展进程概览

三、美国3D打印技术路线图

在打造全国网络化3D打印联盟的同时，“美国制造”中心还进行了技术发展路线图的制定。该技术路线图分为5个板块，包括“设计”、“材料”、“工艺设备”、“检测认证”和“知识发展”。每个环节中都具有4～7个重点发展方向，将在2013年到2017年之间进行针对性项目布局分阶段突破。该中心依据此路线图在过去的3年中，进行了3批次，共计31个项目的布局，第3批次项目列表见附表1。目前，第4批项目正在征集的过程中。

然而该3D打印技术路线图一直未对外发布，直到2015年9月，公众版的路线图才在官网上公开(见图2)。可以看到，和最初的设计相比，新版的技术路线图进行了部分框架的调整。最初5个板块当中的“检测认证”和“知识发展”调整成为新版的“价值链”和“增材制造基因组”。每个子版块根据不同的技术成熟度，规划出在2014年到2018年间将要进行的3～5条重点任务。对于每一个子版块，该中心还制定了第2层级的3D打印技术路线图，与布局的项目呈现出相辅相成的效果。

图2 美国3D打印技术路线图

1.设计子版块

设计子版块的技术路线图(图3)旨在通过新型和创新的非专业设计方法和工具，以此推动先进技术的进步。从而改变设计文化理念，打破诸如铸件或机加工部件的传统设计模式流程。当前的产品设计方法是从常规制造工艺，诸如机加工、铸造、模塑、复合材料铺层等优化而来的，无法充分实现3D打印的设计自由度，体现不出其优势。因此，需要为3D打印部件寻找新的设计方法，全面探索这种技术的优势。该版块解决瓶颈的思路是，避免受到传统制造工艺所用到的专业设计工具如CAD、CAM、CAE、PLM等的束缚。重点将是开发新产品和工艺的通用设计方法，让大中小企业都能采用3D打印技术，并且得以高效利用，实现跨供应链的快速创新。

具体的技术路线图分为3个子方向，分别为仿生设计和制造，成本和能耗因素分析及建模，以及产品和工艺设计辅助和程序。相关影响的分析指标包括：复杂度提升、3D功能梯度材料、多种材料的集成、基于模型的检测、产品的个性化与定制。

图3. 美国3D打印设计版块技术路线图

2.材料子版块

材料子版块的技术路线图(图4)旨在构建标准3D打印性能表征数据的知识体系，消除最终材料性能变化的可能，以此推动先进技术的进步。当前的3D打印工艺和产品性能是以特定的方式进行检测表征的，这导致了相关数据包的不一致、不完整，并且产品性能出现大范围的波动、变化不定。因此，需要将相关技术数据进行规范标准化，从而减少原材料性能的上下波动。同时，建立更严格的工艺方法和操作指南，更好地实现对3D打印工艺的物理学控制，以完全实现所设计的材料微结构，减少成品材料性能的波动。该版块解决瓶颈的思路是，从控制工艺参数和最终微观结构，向控制3D打印工艺的微观层面上的基本物理过程转变，以获得一致的、可重复的微观结构，达到初始设计的预期性能。

具体的技术路线图分为3个子方向，分别为“非”特定3D打印技术数据包、材料性能表征以及下一代材料。相关影响的分析指标包括：原材料的标准化;基准材料性能数据;工艺-特性-结构相互关系;工艺窗口边界的确定;后处理工艺的指南与规范。

图4. 美国3D打印材料版块技术路线图

3.工艺子版块

工艺子版块的技术路线图(见图5)旨在构建更快、更精确、更高分辨率的3D打印设备，实现大批量生产并改进“如构建”部件的质量，以此推动先进技术的进步。当前3D打印的工艺能力存在局限性，这让很多部件无法在高性价比条件下实现批量生产，而且经常需要进行二次后处理，才能达到常规制造生产方法下的部件性能标准。因此，需要在诸多“机器级”技术方面进行提升，让3D打印从一个主要用于制作快速原型的技术变为一个生产型技术。该版块将重点关注“机器级”工艺性能改进所需的关键技术及相关子系统。开发一系列技术，加速并优化材料的沉积、熔化/烧结/挤压和凝固过程，并且对这些过程进行物理学控制，以提升工艺能力。

具体的技术路线图分为3个子方向，分别为多种材料运输与沉积系统、下一代装备、以及工艺过程温度梯度控制。相关影响的分析指标包括加工速度、精确度、细节体现性能、表面质量、 最大部件尺寸。

图5. 美国3D打印工艺版块技术路线图

4.价值链子版块

价值链子版块的技术路线图(见图6)旨在对于进入市场的3D打印制造产品，阶梯式的改善端到端价值链的成本和时间，以此推动先进技术的进步。当前3D打印技术的开发工作只是针对于价值链中和产品生命周期中的单个元素，并且采用分段的开发方式，没有运用一种整体的、系统集成的方法来降低成本、缩短周期。因此，需要开发一系列使能技术，更好地将3D打印制造的价值链和产品生命周期中的所有元素集成到一起。而且，要认识到随着更复杂的三维梯度材料和多材料部件的开发、设计和检测将会成为新的瓶颈。因此，该领域的重点将是面向整个生命周期和价值链，开发和集成高性价比的3D打印制造技术，降低3D打印制造零件的总成本，缩短上市时间。将开发快速检测/认证方法，以及从全盘角度，关注横跨整个产品“摇篮到摇篮”全生命周期的集成技术，这将包括材料和产品的回收再利用。此外，这一版块已经在国防部的“制造技术(ManTech)”计划先进制造企业(AME)投资科目中，被确认为构建单一的、集成的数字线的首要关注点。以帮助确定所需的劳动技能和使能手段，明确新型和创新快速设计及检测技术的需求，例如提高生产率的设计助手和App应用程序。

具体的技术路线图分为6个子方向，分别为先进感知和探测方法、数字线集成、智能装备控制方法、快速检测技术、修复技术以及标准/图表/协议。相关影响的分析指标包括工艺成本、原材料成本、质量控制成本、工人生产率成本以及能效成本。

图6. 美国3D打印价值链版块技术路线图

5.基因组子版块

基因组子版块的技术路线图(见图7)旨在阶梯式的大幅度降低3D打印设计、开发和新材料认证的成本和时间，以此推动先进技术的进步。当前的材料开发、表征与合格鉴定方法大都是基于经验和按属性线性进行。这样就造成开发和鉴定新的3D打印材料与工艺需要一定的成本、时间和风险，阻碍了大规模的技术推广与植入。因此，需要开发新的基于计算的范本，以材料基因组的方式，进行产品和工艺的并行开发，从根本上促进新材料的发现、开发和合格鉴定，降低成本并且缩短周期。该版块的重点将复制美国早前推出的“材料基因组计划”，让3D打印新材料的开发和鉴定的时间和成本都减少一半。因此，将开发新型的和创新的计算方法，例如基于物理及模型辅助的材料性能预测工具;开发对计算机预测进行验证所需的通用基准数据，以及针对材料性能表征的新型的和创新思路，为“每一个”新颖的3D打印材料-工艺组合打破开发设计流程中的壁垒。

具体的技术路线图分为3个子方向，分别为标准测试验证使用案例，模型辅助性能预测，以及基于物理学的建模和仿真。相关影响的分析指标包括：计算机辅助材料开发、模块化开放式仿真架构、访问开放透明的材料性能数据、多尺度数据管理和共享和高效的材料性能表征方法。

图7. 美国3D打印价基因组版块技术路线图

四、全球3D行业发展情况

1.技术成熟度发展进展

世界知名信息技术研究和分析机构高德纳(Garner)公司，在最新发布的新兴技术炒作周期报告中，对112个领域的超过2 000项新兴技术的市场类型、成熟度、商业应用及未来发展进行了评估。2015年新兴技术发展的主题为“数字化业务”，“众力聚合”(Nexus of Forces)开始显现，即移动、云、社交、大数据4方面互相连结和组合将会形成巨大力量，创造出新的巨大商机。并据此提出了具有重大潜力的37项新技术，其中位于技术萌芽期有17项，期望膨胀期有11项，泡沫谷底期有7项，稳步爬升期有2项。这些新技术会支撑“众力聚合”在后期3个阶段，即“数字化市场”“数字化业务”和“自组织”的发展。

对于3D打印来说，该项技术顺应了数字化发展的大潮，正在演变成为企业的“数字化业务”。在2015年的技术炒作周期图中(见图8)，3项具体技术入榜。和2014年相比，各技术所处的阶段位置变化不大。其中，“针对器官移植的3D生物打印”处在技术萌芽期，究其原因主要是其处于相对早期的研究阶段，尚未看到明显的进展。“企业级3D打印”被看好，该技术继续处于稳步爬升的光明期，并成为该图中最接近于实际生产的技术。“客户级3D打印”继续步入泡沫谷底期，向稳步爬升期迈进。值得注意的是，2015年入围的“3D生物打印系统”和“3D扫描仪”2项技术脱离曲线。这并不意味着离开曲线的技术不重要，而是不再“新兴”已经逐渐融入人们的生活。

对于3D打印细分技术来说，2015年的入榜技术增加到23项，相比2014年增加7项(见图8)。首先，萌芽期技术包括9项。其中新入围技术2项，分别为“消费产品3D打印”和“3D打印辅助臀部/膝盖移植”。2014年入围的“3D生物打印系统”被细化为“生命科学研发的3D生物打印”和“器官移植用3D生物打印系统”。已有的5项技术，“知识产权保护(3D打印)”、“大型3D打印”、“教学3D打印”、零售业3D打印”和“油气开发用3D打印”技术则依然维持在该阶段。其次，期望膨胀期技术包括3项。“工业级3D打印”和“3D打印供应链”在一年的时间里从萌芽期步入到了期望膨胀期，而“3D打印医疗器件”小幅度向前推进。再次，泡沫谷底期技术包括3项。“3D打印牙科器件”是新入围的，同时也是位于该阶段后期的技术。2项从期望膨胀期步入到泡沫谷底期的技术为“3D打印进入到制造工艺流程”和“消费级3D打印”。随后，2014年位于稳步爬升期技术的4项，“3D扫描设备”，“3D打印服务机构”，“3D打印软件开发”，“企业级3D打印”小幅进步。最后，成熟期技术的2项，其中包括新入围的“3D打印听力器件”和已有的“3D打印样品原型”。

总体来看，3D各项细分领域技术稳步向前推进。新入榜单的技术几乎被3D生物打印细分领域，以及3D打印在生物医疗领域的应用所垄断，显示出3D打印在个性化医疗方面的优势。

图8. 高德纳3D打印细分领域技术炒作周期

2.产业总体情况

根据3D打印业内著名咨询机构美国沃勒斯事务所(Wohlers Associates)公司最先发布的3D打印报告。2015年，全球3D打印总产值达到51.65亿美元。相比2014年的41亿美元，年增长率达到25.9%，这其中包括的3D打印产品和3D打印服务2个方面的总产值。近3年的复合增长率达到31.5%，过去27年的复合增长率高达了惊人的26.2%。

该报告同时披露，2015年工业级3D打印系统(价格高于5000美元)的制造销售商从2014年的49个增长到62个，这个数字是2011年的2倍。金属3D打印的领军企业为德国EOS公司， 美国3D Systems公司，德国 Concept Laser公司和美国Optomec公司等。然而近些年，一些新进者发展较为迅速，其中包括日本东芝公司，以色列初创公司 XJet等。同时，2015年桌面级3D打印机(价格低于5000美元)的销量快速增长，达到27.8万台。相比2014年销售量的16.0万台，增长11.8万台，年增长率超过70%。从2010年到2015年，桌面级3D打印机的市场发展迅速，增长呈现出从水平向垂直发展的趋势。桌面级3D打印机销量的快速增长要归功于美国Stratasys公司、荷兰Ultimaker公司、台湾XYZPrinting公司以及其他公司。他们的努力使得桌面级3D打印机的性价比得以提升，对其普及作出了重大的贡献。预计目前出货的3D打印机，85%都属于桌面级3D打印机。

发展3D打印这种颠覆性技术，需要从战略角度统筹规划和布局。首先，从设计端入手，最大限度地发挥3D打印的设计自由度优势;其次，开发3D打印专用的各种金属、高分子、无机非金属等新材料，满足不同类型产品的性能要求;再次，研制先进的3D打印装备，满足不同生产工艺要求，提高批量化生产的精密度和稳定性;第四要从人才端入手，培养专业化人才;最后要搭建更多开放式服务平台，深化“3D打印+”，促进3D打印与传统产业紧密结合。唯有此，3D打印技术才可能尽快走出应用市场的“最后一公里”，这需要政府有关部门相关扶持政策，鼓励原始创新，鼓励用户与3D打印服务平台结合。