增材制造技术路线图-征求意见-答辩相关Word格式.docx
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德国政府在《高技术战略2020》和《德国工业4.0战略计划实施建议》等纲领性文件中，明确支持包括激光增材制造在内的新一代革命性技术的研发与创新。
澳大利亚政府倡导成立增材制造协同研究中心，促进以终端客户驱动的协作研究。
新加坡政府在2013年财政预算案中宣布，将5亿美元的资金用于发展增材制造技术，让新加坡的制造企业能够拥有全球最先进的增材制造技术。
日本政府在2014年预算案中划拨了40亿日元，由经济产业省组织实施以增材制造技术为核心的制造革命计划。
日本计划构建其完备的增材制造材料与装备体系，提高其增材制造技术的国际竞争能力。
2014年6月，韩国政府宣布成立增材制造工业发展委员会，批准了一份旨在使韩国在增材制造领域争取领先位置的总体规划。
该规划的目标包括到2020年培养1000万创客，针对各个层次的民众制订相应的增材制造培训课程，以及为贫困人口提供相应的数字化基础设施。
增材制造的发展正在带动新一轮的世界科技和产业竞争。
改革开放三十年来，释放了全民族的创造力，中国成为了制造业大国。
但是，产品创新开发能力严重不足成为制约我国制造业发展的瓶颈。
促进创新和创业是未来我们的核心任务。
而增材制造技术为创新和创业开辟了巨大空间。
增材制造可以快速高效实现新产品物理原型的制造，为产品研发提供快捷技术途径。
增材制造技术降低了制造业的资金和人员技术门槛，有助于催生小微制造服务业，有效提高就业水平，有助于激活社会智慧和资金资源，实现制造业结构调整，促进制造业由大变强。
增材制造技术发展，给科技发展和社会进步提供了新的发展机遇。
为创新开拓了巨大空间：
增材制造适合应用于复杂形状结构、适合多品种小批量的制造、适合在众多的领域应用。
人们可以通过拓扑优化设计及多材料制造功能梯度结构，可以最大限度地发挥材料的功能，为许多装备设计和制造带来颠覆性进步。
使设计摆脱了传统技术可制造性的约束，给创新设计释放了巨大的空间。
为创业提供了无限商机：
增材制造带来集散制造的崭新模式，即通过网络平台，实现个性化订单、创客设计、制造设备，乃至资金的集成规划与分散实施，这一生产模式有效实现社会资源的最大发挥，为全民创业和凡在制造提供技术支撑。
为学科交叉提供创新手段：
发展微型冶金实验平台，应用于材料基因研究，创造新合金材料；
通过细胞打印、组织工程，发展器官再造，发展基因打印，为生命学科发展提供跃进式发展。
为制造业升级带来重大机遇：
增材制造是产品创新的利器，已经成为先进开发模式。
而制造业生产能力过剩，产品开发能力严重不足，是制造业发展的瓶颈。
将增材制造迅速在各个领域推广应用，是发展高技术的服务业，制造业调整结构和促进制造业由大变强的重要手段。
增材制造近年来无论在基础研究、关键技术和产业发展方面都取得了飞速发展。
基础研究方面，新工艺、新原理、新材料和新应用不断涌现，4D打印、太空3D打印、电子3D打印、细胞3D打印、食品3D打印、建筑打印等新概念不断出现，从传统的制造业向社会的各个领域发展。
基础研究展现出学科交叉引领发展。
向智能材料的4D打印发展，麻省理工学院研究智能复合材料成形与后续可变形的关系，实现3D打印构件在水中自动变形。
向高效成形方向发展，2015年《Science》以封面文章报道了利用光固化材料表面氧阻聚原理实现逐层连续成形技术，将光固化成形速度提高25到100倍，制件表面粗糙度大幅度降低。
向生命体制造发展，进行细胞的3D打印，探索DNA的3D打印，研究打印组织结构与生命体再生的关系。
向微电子3D打印发展，美国斯坦福大学研发出3D打印出嵌有电路构件的设备，探索结构与电子系统一体化制造。
向太空3D打印拓展，2014年美国将首台3D打印机送入空间站，探索太空中微重力环境、低能源保障条件下3D打印的挑战。
基础研究趋势是向设计-材料-制造一体化融合发展，突破传统的设计与制造模式。
关键技术突破引发产业创新。
关键技术发展的方向是向功能材料、高性能、高效率和高精度发展。
高性能工程塑料（尼龙、PEEK，聚酰亚胺及复合材料等）成形方面上，选区激光烧结（SLS）、熔化沉积（FDM）设备在提高成形环境温度，减少内应力方面取得进展。
在金属零件制造方面的应用，钛合金的性能和精度的突破，力学性能达到锻造工艺的性能，在有效控制变形和开裂的进展，技术在航空航天和人工假体制造取得工程应用；
金属增材制造与传统减材制造复合的加工机床解决了结构制造与高精度的完美结合，日本DMG森精机开发出了将的增材制造功能与加工中心的切削功能集于一身的机床“LASERTEC653D”。
增材制造标准体系完成初步形成。
2012年，美国NIST国家标准技术研究院提出了增材制造技术标准战略规划，2015年在欧盟地七框架计划的资助下近日发布了一份增材制造标准化路线图。
美国ASME和欧洲ISO组织合作构建标准化体系，其中重要的是制定了新的增材制造数据标准AMF格式，标准的建立，为产业化发展解决制造质量稳定性技术瓶颈。
增材制造产业高速增长。
2014年全球增材制造设备与服务增长35.2%，产值达41.03亿美元，美国和以色列合作企业Stratasys设备销售量最大，其次是美国3DSystems公司，德国EOS公司设备销量市场总量2.2%。
在增材制造设备中，桌面3D打印机增长量保持高速增长，增长率为92.5%，体现出增材制造技术从工业品向消费品发展的高速增长势头。
美国GE公司的互联网下的大众设计的创新设计与服务模式在逐步形成，互联网下万众创新产业模式雏形已经呈现。
增材制造新材料与新工艺是增材制造技术保持活力并持续发展的核心动力。
随着增材制造工艺的发展，其所使用材料从最开始的液态光敏树脂，扩展到种类繁多的工程塑料、金属粉体材料，并且逐渐成熟、开展应用。
增材制造工艺的发展依托与能源、材料及其交互方式的创新，涉及机械、材料、物理、力学等多学科交叉领域。
如图1所示。
未来，基于金属材料、非金属材料、生物材料等体系的增材制造工艺技术与装备是发展和应用的主要方向。
增材制造
电
激光
电子束
？
能量密度J/cm2
液态树脂
聚合物
生物材料
金属材料
陶瓷材料
复合材料
加热（软化）
烧结
融化
多种材料
图1增材制造工艺、能源、材料交互方式
第一节增材制造基础技术
一、概述
增材制造技术相对与传统制造技术是一个大的变革，无论是材料、设计、控制、标准化体系和生产模式都带了新的机遇与挑战。
这些技术与增材制造技术密切相关，直接决定了增材制造技术的发展。
2015年9月，美国国家增材制造创新机构发布了美国增材制造技术路线图，勾勒了未来5年的该机构乃至美国增材制造工业技术发展的路径。
路线图包括设计、材料、工艺、价值链和增材制造基因组等5个领域。
设计技术、软件体系、生产模式和技术标准是影响基础技术和共性技术，这些问题的解决将带动整个增材制造技术整体技术的提升。
二、未来市场需求及产品
（一）设计技术：
增材制造技术改变了产品的设计理念，有望实现从“制造约束设计”向“功能引领设计”的转变。
增材制造不受工艺约束与限制，能够克服传统制造实现空心、多孔、网格、异质材料和功能梯度等结构制造技术瓶颈，将从根本上改变设计思路，设计从模仿型、经验型和制造优先型向创新型、数学最优化型和功能优先型发展，可实现产品结构轻量化、高性能化和低成本化。
美国通用电气（GE）公司将原来20个零件的发动机喷嘴集成为一件，减重25%，增效15%。
这充分显示出增材制造技术给设计方法带来的变革。
但是，目前缺少相关的设计理论和支撑软件技术。
未来需要大力发展设计技术和相关软件技术。
（二）软件技术：
软件是增材制造自动化和智能化发展的核心技术。
目前软件发展出现两种模式。
一是专业化发展，从2000年前，3D打印开发商就细分开发出功能完善的商业软件。
比如软件市场占有率领先的Materialize公司的产品贯穿了增材制造的整个流程，从模型修复、支撑设计、切层、到路径生成，有针对医疗行业的软件，有针对模具工业的软件，还包括面向3D打印的ERP软件。
另外一个方向是“草根化”。
与专业软件面向工业客户和教育行业不同，草根化的3D打印软件面向每个对它感兴趣的人，每个人都可以使用或维护它，比如SkeinForge,Slic3r等。
国内尚没有独立销售的3D打印处理软件，部分厂家针对自己的设备开发了相关软件捆绑使用，但功能有限。
大部分用户依赖国外软件，而且这些软件十分庞杂，良莠不齐。
在使用过程中，出现难以满足使用要求、授权昂贵、使用习惯不符合等问题。
未来需要大力发展增材制造软件技术，并与装备智能化发展相结合，形成通用性技术平台。
（三）制造模式：
在近20年中，增材制造发展迅猛，其重要性与日俱增，如何创新增材制造个性化打印定制服务是而占领这制造技术产业价值链最高端，是一个崭新的课题。
增材制造引发
的个性化打印定制服务模式呈现出“个性化定制”和“社会化制造”的特点，增材制造个性化打印定制服务模式带来的制造特征、组织模式、管理机制以及交易策略的方面的改变。
增材制造与互联网技术相结合，实现产品个性化定制过程中不同阶段和角色的统筹协调，创新服务模式与盈利模式，通过从需求获取、创意设计、3D打印制造至物流配送服务等产品研制的全过程服务，满足用户对产品及服务个性化、高端化、定制化的需求。
目前增材制造个性化定制服务平台处于亟待开发的状态，只有少数企业在进行自身企业的个性化定制服务业务，平台的建设处于无序状态，因此，创新现有增材制造个性化打印定制服务的科技资源共享平台建设和社会化公共服务的模式，将成为增材制造产业发展需要解决的一个现实需求。
（四）技术标准：
推动增材制造技术产业化发展仍存在不少挑战。
增材制造技术面临着制造成本过高、受限于材料、可靠性与质量、知识产权等问题。
在这些问题中，大多数的增材制造技术专家认为缺乏标准是导致增材制造发展和应用的最主要的障碍之一。
调查发现，现阶段的50%的现行标准已不再适用与增材制造技术，37%的标准只是在某种程度上适用，仅仅12%的标准能够满足现阶段的增材制造行业。
欧盟陆续发布《AdditiveManufacturing:
StrategicResearchAgenda》和《AdditiveManufacturing:
SASAMStandardizationRoadmap》报告书，其中增材制造标准化支持计划（SASAM）展示了标准制定的优先序列表。
他们认为很多领域无法有效应用增材制造技术的部分原因在于缺乏增材制造标准、技术认证及其最佳制造效果。
因此，欧盟迫切希望开发这些标准，特别是对于关键领域的应用，如医疗植入物（卫生、康复和生活质量），飞机结构部件负荷和发动机组件（节能和提高性能），如果增材制造的标准化活动能得到改善，势必对整个产业化发展起到积极推动作用。
三、关键技术
（一）设计技术
１现状：
当前的产品设计方法是基于现有的制造工艺（如机械切削、铸造、模塑、锻压等）和均质材料的形成的设计规则。
在产品设计的同时，必须考虑现有制造工艺和材料的约束，而增材制造大幅度减少了制造对设计的约束。
与现有设计更大的发展是，制件中材料单元可以根据需求进行设计。
这一理念突破了传统的制造工艺和均质材料的约束，向着结构、材料、性能、工艺一体化优化设计方向发展。
有望实现从“制造决定设计”向“功能引领设计”转变。
但是，目前缺少相关设计理论和软件技术。
２挑战：
多尺度结构件优化设计方法，非均质功能梯度微元结构与宏观结构的跨尺度性能表征模型及其尺寸效应模型，非均质功能梯度微元结构的多尺度耦合拓扑优化设计方法。
功能驱动的性能、材料、制造一体化设计方法，研究材料与结构的宏微观多尺度耦合、多学科性能综合的拓扑优化设计新方法，建立基于功能和性能驱动的设计方法和智能化软件实现系统。
３目标：
建立基于功能、性能驱动的结构构型、设备布局整体式优化设计方法和软件系统，形成功能参数约束下材料、结构的设计准则。
发展构型混杂多样化的非均质功能梯度结构宏微观跨尺度拓扑构型优化设计新方法，使结构件达到超轻质、高刚度和高强度的设计要求。
（二）软件系统
增材制造的软件主要包括数据处理软件和控制软件。
目前由于各类增材制造工艺方法存在较大差异，尚没有一个较为统一的软件体系来支撑增材制造技术的发展。
在数据处理软件方面，比利时Materialise公司的Magics系列软件在面向单材均质的工业、医学领域获得较大应用。
控制软件方面，以Autodesk公司的Spark为代表的开源增材制造平台则力图吸引HP、Microsoft等领域的新兴公司开拓各种新工艺及消费领域市场，Microsoft在新版的Windows操作系统中内置了增材制造应用并提供了开放式的增材制造设备驱动接口，力图实现各类增材制造设备的“即插即用”。
软件数据模型接口格式，面向单材均质的STL模型目前仍然是主流，2D层面数据接口文件CLI和SLC模型由于缺乏材料和工艺信息，这阻碍了通用软件平台体系在现代增材制造工艺上的应用。
ASTM推出的支持多材料、彩色和微结构的AMF数据接口仍然在缓慢地发展和推进。
多信息（基础元器件、材料工艺数据库、在线检测反馈系统等）系统决策控制融合的智能化软件系统。
提高制造效率和精度的3D模型智能分层技术，面向不同增材制造工艺的智能支撑生成技术与拓扑优化技术，建立工艺参数库和知识库。
建立在线检测系统与信息反馈系统，研究制造过程质量在线监控，研究制件可靠性与制造质量的关系。
建立增材制造与传统制造工艺间的加工数据融合的数据库标准体系，建立质量检测和工艺数据库的控制体系，实现制造精度和质量的在线智能化控制。
形成通用化的增材制造软件系统，全面支持多材料与宏微观一体化制造的各类新型工艺，支持增材制造与其他加工工艺的数据融合。
建立支持多色、多材料、多尺度工艺结构增材制造全过程的智能化软件和检测技术体系。
形成支持各种目前主流增材制造工艺并可适应未来新型工艺的柔性增材制造数据处理流程与相应核心算法模块，并整合成定制化的软件与装备集成系统。
制定数据与加工路径等不同层次的增材制造数据智能化交换，实现跨地域、跨平台的增材制造各个不同工作阶段之间的无缝协作，及各种增材制造工艺和传统加工工艺之间的协作与复合成形技术。
（三）制造模式
现有的增材制造研究大多立足于制造科学与工程，侧重于增材制造技术设备的研究与商业化等方面，鲜有从创新的环境和管理的角度探讨增材制造个性化打印定制服务模式下的技术对于制造业各行业的影响，以及如何统筹和规划这些技术资源来应对现代企业生产管理和运营决策等方面的变革与冲击。
增材制造技术引发的制造模式变革的相关研究与应用目前仍然处于起步阶段，个性化定制和社会化制造是增材制造个性化打印定制服务的主导思想，社会制造最大的特色就是消费者可将需求直接转化为产品，个人可通过基于互联网的社会化网络参与其产品的全生命周期生产过程并获得利润和价值，而大量3D打印机形成制造设备网。
尽管已有基于增材制造个性化打印定制服务的工厂和“未来工厂”投入运营，呈现个性化定制与社会制造的应用案例，但鲜有从系统化地视角探讨增材制造个性化打印定制服务的平台构建。
增材制造发展的制造模式及其社会变革，明晰增材制造的制造模式创新影响要素及机理，探究增材制造发展对我国制造产业格局调整的影响程度和作用路径。
增材制造的制造组织创新理论与方法，社会制造的生态链的形成机制以及运作管理策略。
研究社会制造能力的动态评价，探究增材制造的社会制造体系架构与社会制造能力的互动规律。
明晰我国增材制造发展的制造模式和价值增值方式，建立增材制造的社会制造体系架构与社会制造能力的互动制造模式。
（四）技术标准
目前，世界上推动增材制造标准制定工作的两个最主要的结构是ASTM与ISO。
ASTM于2009年了针对增材制造标准制定的ASTMCommitteeF42机构，汇集了来自美国和欧洲的大约100位专家，2011年ISO成立了针对增材制造标准制定的ISOCommitteeTC261机构，也有部分国家或组织制定他们自身的增材制造标准，并且由于这些国家都积极参与到全球增材制造标准的制定工作上，所以这些国家的某些标准可能会作为增材制造全球通用标准的依据。
我国增材制造技术的标准从10多年前就开始，但是主要是设备标准，还有大量问题没有涉足。
面临日趋激烈的国际竞争形势，迫切需要我国在发展增材制造技术的同时加快对于增材制造标准的制定工作，使得我国在国际增材制造行业标准制定拥有一定的话语权。
增材制造建模标准体系的构建。
制造系统的自动化设备、现场设备、现场总线、可编程逻辑控制器、操作装置、移动设备、服务器、工作站、网络接入设备、数据的输入与转换等，都需要在建模设计这一领域形成一套通用的技术标准体系。
增材制造建模软件标准，构建软件的应用程序和服务架构，提供围绕增材制造技术系统的构建、开发、集成和运行的一个框架。
增材制造过程和设备的标准体系构建，对各种技术指标进行认证和衡量，将其转换为质量标准的设定。
增材制造产品的资格和认证，针对增材制造的成品或者零部件进行质量验证。
增材制造材料标准，对于增材制造使用的粉末材料具体的粒度分布、流动性、松装密度等都提出了要求，如何在满足材料环保、性能稳定的情况下，保证生产精度和经济性。
主要应用标准，对生物医疗领域、航空航天制造等领域的应用材料进行材料的标准化及系列化规范。
建立三个层次增材制造（3D打印）标准体系，最高层次是一般标准，包括一般概念，常见需求，通用要求及普遍适用；
其次是分类标准，主要是针对精度、材料、流程工艺、成形质量和使用安全等标准制定；
第三为专用标准，包括具体服务、功能、时间和面向具体应用（医疗、航空、航天、汽车和教育等标准），满足90%增材制造技术和产品的需要。
四、路线图
需求与环境
增材制造发展带了制造技术变革，由此引起了整个基础体系的变革，包括设计方法、数据处理与控制软件、生产与经营模式的变革，同时需要建立新的技术标准体系。
增材制造研究、生产和应用单位都有迫切需求。
典型产品或装备
增材制造设备，航空、航天、汽车和生物医疗等行业使用增材制造技术的零部件等。
设计技术
非均质功能梯度微元结构的多尺度耦合拓扑优化设计技术
目标：
多材料多尺度设计方法
基于功能和性能驱动的设计方法和智能化软件实现系统
功能驱动材料结构设计方法
软件技术
面向不同增材制造工艺的智能支撑生成技术与拓扑优化技术，建立工艺参数库和知识库
支持多材料与宏微观一体化制造的通用增材制造软件系统
建立在线检测系统与信息反馈系统，制造过程智能化
建立多色、多材料、多尺度工艺结构增材制造全过程的智能化软件
制造模式
增材制造对我国制造产业格局调整的作用路径
增材制造技术应用发展的制造模式
增材制造的社会制造体系架构与社会制造能力的互动制造模式
增材制造的社会生态链的形成机制以及运作管理策略
技术标准
增材制造建模标准体系和专用体系的构建
建立通用、技术分类和应用三个层次增材制造标准体系
标准满足90%增材制造技术和应用产品的需要
智能化增材制造体系构建
时间段
2015年
2025年2035年
第二节金属增材制造
一、概述
上个世纪90年代中期以来发展起来的金属增材制造技术，解决了兼顾复杂形状和高性能金属构件快速制造的技术难题，为新产品的快速研发和创新设计，进而实现产品结构轻量化、高性能化和低成本化创造了重要的技术途径。
金属增材制造技术是将增材成形原理与载能束熔覆/熔化、熔滴喷射等技术相结合，集成激光、电子束、电弧等载能束技术、计算机技术、数控技术和材料技术等诸多现代先进技术而形成的一类高性能金属零件快速自由实体成形制造技术。
这项技术主要包含以激光立体成形技术（LaserSolidForming，LSF）为代表的同步送粉（送丝）载能束（激光、电子束、离子束、电弧等）熔覆技术，和以选区激光熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）技术为代表的粉末床载能束（激光、电子束等）熔化成形技术两个技术方向。
对于以同步材料送进为主要技术特征的LSF技术，LSF技术可以实现力学性能与锻件相当的，复杂高性能构件的高效率制造（可达5kg/hr），并且成形尺寸基本不受限制（取决于设备运动幅面），同时LSF技术所具有的同步材料送进特征，还可以实现同一构件上多材料的任意复合和梯度结构制造，方便地进行新型合金设计，并可用于损伤构件的高性能成形修复；
SLM技术则可以实现力学性能优于铸件的高复杂性构件的直接制造，但是通常成形尺寸较小，只能进行单种材料的直接成形，目前成熟的商用化装备的成形尺寸一般小于300mm。
另外，SLM技术的沉积效率要比LSF技术低1~2个数量级，但成形件的复杂性基本不受限制。
需要指出的是，以同步材料送进为主要技术特征的LSF技术还可方便地同传统的加工技术，如锻造、铸造、机械加工或电化学加工等等材或减材加工技术相结合，充分发挥各种增材与等材及减材加工技术的优势，形成金属结构件的整体高性能、高效率、低成本成形和修复新技术。
金属增材制造除了采用激光作为载能束外，还可以采用电子束和电弧等载能束进行增材制造，如电子束自由成形制造技术（ElectronBeamFreeformFabrication，EBF3），电子束熔化成形技术（ElectronBeamMelting，EBM）以及电弧增材制造（Wire+
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