歐盟及亞洲3D打印發(fā)展戰(zhàn)略概覽

歐盟及亞洲3D打印發(fā)展戰(zhàn)略概覽

于灝一、歐盟1.政策概要?dú)W盟在3D打印方面的布局和美國類似，于2004年開始搭建3D打印創(chuàng)新中心——?dú)W洲3D打印技術(shù)平臺(tái)（TheEuropeanAdditiveManufacturingTechnologyPlatform，AMPlatform）。目前，平臺(tái)聯(lián)盟成員超過350名，橫跨歐盟26個(gè)國家，其中72%的成員來自工業(yè)界，其余的成員來自于研究機(jī)構(gòu)。AMPlatform的主要功能是提供3D打印發(fā)展的策略與需求分析研究，為歐盟執(zhí)委會(huì)政策及研發(fā)計(jì)劃的制定提供參考依據(jù)。該平臺(tái)和歐洲以外的3D打印相關(guān)組織如“快速成形協(xié)會(huì)國際聯(lián)盟（GlobalAllianceofRapidPrototypingAssociations，GARPA）”均保持良好合作關(guān)系。AMPlatform于2012-2014年發(fā)布了多版《3D打印戰(zhàn)略研究議程》報(bào)告，為整個(gè)歐盟3D打印的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了指導(dǎo)框架，并著力推動(dòng)3D打印成為一個(gè)可以長(zhǎng)期推動(dòng)歐洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。歐洲航天局（ESA）也正在積極探索3D打印在太空的應(yīng)用。2012年，ESA進(jìn)行了一項(xiàng)“針對(duì)太空應(yīng)用的通用零部件加工-復(fù)制工廠”的研究，著重使用高分子和金屬材料開發(fā)國際空間站所需的可替換部件。ESA同時(shí)還支持了“月球表面棲息地原位3D打印”項(xiàng)目，與此同時(shí)美國也正在開發(fā)類似的技術(shù)。此外，意大利航天局（ASI）還支持一個(gè)太空3D打印項(xiàng)目，并于2015年向國際空間站運(yùn)送了一臺(tái)熔融沉積成型（FDM）太空3D打印機(jī)。2.技術(shù)開發(fā)概要20世紀(jì)80年代，歐盟在3D打印技術(shù)出現(xiàn)之初就開始在“第一框架計(jì)劃（FP）”中布局了相關(guān)工作。30年以來，歐盟通過各種計(jì)劃對(duì)3D打印進(jìn)行持續(xù)支持，推動(dòng)其在各領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。美國戰(zhàn)略性布局3D打印以后，歐盟在2013年通過“第七框架計(jì)劃（FP7）”投入大量經(jīng)費(fèi)，進(jìn)行大范圍部署。1991-2013年間，歐盟通過多個(gè)“框架計(jì)劃”共設(shè)立了88個(gè)3D打印相關(guān)項(xiàng)目，其中FP7布局61個(gè)項(xiàng)目，支持經(jīng)費(fèi)1.60億歐元，總投入達(dá)到2.25億歐元。這其中將近30%的項(xiàng)目是進(jìn)行3D打印材料的開發(fā)，涉及金屬、高分子、生物、無機(jī)非金屬和其他材料。其余70%的項(xiàng)目用于技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，領(lǐng)域覆蓋健康、一般工業(yè)、航空航天、電子產(chǎn)品和消費(fèi)品等（見表1）。代表性的項(xiàng)目包括PERFORMANCEFP7項(xiàng)目（食物供應(yīng)鏈）、NANOMASTERFP7項(xiàng)目（材料）、REPAIRFP7項(xiàng)目（航空工業(yè)）、ARTIVASC3DFP7項(xiàng)目（生物醫(yī)用材料）、MANSYSandMERLINFP7項(xiàng)目（生產(chǎn)技術(shù)）、DIGINOVAFP7項(xiàng)目（數(shù)字化制造）。歐盟在后續(xù)的“地平線2020”計(jì)劃中，也將繼續(xù)支持3D打印。新計(jì)劃中將重點(diǎn)關(guān)注技術(shù)成熟度中的“死亡谷”地帶，即3D打印技術(shù)TRL4-7階段的發(fā)展，將針對(duì)不同領(lǐng)域的專業(yè)化需求進(jìn)行布局，從而推動(dòng)3D打印整體的快速發(fā)展，這與“美國國家增材制造中心”的發(fā)展思路不謀而合。歐盟在進(jìn)行資金投入的同時(shí)，也開展了路線圖的研究工作。AMPlatform先后制定了歐盟3D打印的技術(shù)路線圖、產(chǎn)業(yè)路線圖和標(biāo)準(zhǔn)路線圖（圖1-3）。該圖不僅體現(xiàn)了歐盟3D打印技術(shù)發(fā)展的需求，同時(shí)也反映出這項(xiàng)技術(shù)對(duì)歐盟未來經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境發(fā)展所帶來的積極作用。對(duì)于歐盟未來的3D打印技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展來說，工業(yè)界的參與是至關(guān)重要的，這將直接影響這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展活力和今后在不同領(lǐng)域的滲透程度。因此，歐盟的項(xiàng)目資金將用于扶持工業(yè)界和學(xué)術(shù)界在3D打印領(lǐng)域的發(fā)展和合作，以及技術(shù)的突破、轉(zhuǎn)移和專業(yè)機(jī)構(gòu)的培育。另一個(gè)重要的部分是3D打印的標(biāo)準(zhǔn)化工作，其對(duì)于歐盟3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量提高、工藝成熟和相關(guān)服務(wù)的完善都起到了重要的作用，將推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)在歐洲快速的商業(yè)化。雖然歐盟在3D打印領(lǐng)域已經(jīng)投入了很多的資金，但依據(jù)AMPlatform制定的技術(shù)路線圖，歐盟還需要加大投入已維持現(xiàn)有的全球3D打印主要引領(lǐng)者的地位，否則其他經(jīng)濟(jì)體如中國將有可能在未來實(shí)現(xiàn)趕超、搶占?xì)W盟在此領(lǐng)域的地位。3.各成員國情況英國認(rèn)為3D打印對(duì)于提升英國高附加值制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的戰(zhàn)略意義，因此在《英國未來高附加值技術(shù)展望》報(bào)告中將其列為應(yīng)對(duì)未來挑戰(zhàn)急需發(fā)展的22項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)之一。隨后，英國技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)（TechnologyStrategyBroad，TSB）發(fā)布的新版《高附加值制造業(yè)戰(zhàn)略2012-2015》又將3D打印的重要性進(jìn)一步提升。2007-2016年，英國在3D打印領(lǐng)域的投入將達(dá)到9560萬英鎊，其中8000萬英鎊被用于科學(xué)研究，1560萬英鎊用于技術(shù)轉(zhuǎn)移。此項(xiàng)投入支持的范圍從3D打印的模型設(shè)計(jì)一直到終端的產(chǎn)品制造，并通過企業(yè)主導(dǎo)的研究，推動(dòng)3D技術(shù)的成熟和推廣。在各應(yīng)用領(lǐng)域中，航空航天的投入比例最高，達(dá)到3350萬英鎊。其中政府直接投資為1300萬英鎊，拉動(dòng)社會(huì)投資2050萬英鎊。在醫(yī)療健康、汽車和消費(fèi)領(lǐng)域的投資則分別達(dá)到1450萬、1000萬和1000萬英鎊。此外，英國在還諾丁漢、謝菲爾德、拉夫堡、埃塞克斯等大學(xué)成立了3D打印研究中心，并設(shè)立“英國3D打印特別興趣小組（AdditiveManufacturingSpecialInterestGroup，AMSIG）”。德國作為傳統(tǒng)制造業(yè)強(qiáng)國于2008年成立“直接制造研究中心（Directmanufacturingresearchcenter，DMRC）”，總部設(shè)在帕德博恩大學(xué)，合作伙伴包括波音、西門子、EOS、3DSystems、Stratasys、SLMsolutions等多家知名公司。該中心旨在聯(lián)合工業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同促進(jìn)德國3D打印技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，DMRC還進(jìn)行了領(lǐng)域研究，出具了一系列重量級(jí)研究報(bào)告，包括2013年發(fā)布的《超前思維3D打印的未來-需求創(chuàng)新路線圖》，以及2011年和2012年發(fā)布的《超前思維3D打印的未來-工業(yè)前景分析》《超前思維3D打印的未來-未來應(yīng)用》報(bào)告。這些研究報(bào)告進(jìn)一步明確了3D打印的前景應(yīng)用領(lǐng)域，包括航空航天，汽車和電子等。西班牙方面，“西班牙快速制造協(xié)會(huì)”已經(jīng)組建了一個(gè)創(chuàng)新工作組（AEI-DIRECTMAN），將國內(nèi)大部分3D打印相關(guān)機(jī)構(gòu)和單位納入其中。在工業(yè)領(lǐng)域，3D打印的研發(fā)活動(dòng)主要由社會(huì)資本主導(dǎo)，Ascamm技術(shù)中心、AIMME金屬加工技術(shù)研究所等機(jī)構(gòu)引領(lǐng)了西班牙3D打印的發(fā)展。同時(shí)，從事個(gè)人3D打印機(jī)開發(fā)的創(chuàng)新公司也相繼成立，開展相關(guān)設(shè)備及應(yīng)用的開發(fā)，組織周邊商業(yè)活動(dòng)。一些地方政府也非常積極，包括加泰羅尼亞、阿拉貢、阿斯圖里亞斯等多個(gè)地區(qū)參與了歐盟“面向精明專業(yè)化的研究和創(chuàng)新戰(zhàn)略（RIS3）”計(jì)劃，推動(dòng)當(dāng)?shù)?D打印的發(fā)展。法國方面，“法國快速原型協(xié)會(huì)”在3D打印的標(biāo)準(zhǔn)化方面，做了很多的工作，已經(jīng)完成3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的制定，涉及3D打印術(shù)語，粉末技術(shù)規(guī)范，以及制件規(guī)范。葡萄牙方面，3D打印方面的研究得到了葡萄牙科學(xué)技術(shù)基金、葡萄牙創(chuàng)新促進(jìn)中心以及工業(yè)界的大力支持。同時(shí)，“葡萄牙3D打印創(chuàng)新中心（PAMI）”也宣布成立，將參與制定葡萄牙國家基礎(chǔ)研究路線圖。荷蘭方面，3D打印技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品開發(fā)過程中的重要部分。荷蘭研究中心TNO已經(jīng)與其工業(yè)合作伙伴共同啟動(dòng)了“彭羅斯共享研究計(jì)劃”，開發(fā)下一代3D打印設(shè)備以及工業(yè)產(chǎn)品。比利時(shí)方面，佛蘭德斯地區(qū)的“3D打印結(jié)構(gòu)工程材料”發(fā)展計(jì)劃開始實(shí)施，并于2014年啟動(dòng)了3個(gè)項(xiàng)目，發(fā)展高分子激光燒結(jié)和金屬選擇性激光熔化工藝。該計(jì)劃包含了比利時(shí)多所研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和企業(yè)。同時(shí)，3D打印領(lǐng)域的教育培訓(xùn)活動(dòng)也正在開展，輔助傳播推廣這項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)。二、亞洲地區(qū)1.日本日本政府在2014年投入40億日元，由經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省組織實(shí)施“以3D打印為核心的制造革命計(jì)劃”。該計(jì)劃分為2個(gè)主題，預(yù)算規(guī)模上限分別為32億元日元和5.5億元日元?！靶乱淮髽I(yè)級(jí)3D打印機(jī)技術(shù)開發(fā)”主題以金屬材料3D打印機(jī)為對(duì)象，而“超精密3D成型系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)”主題以砂模材料3D打印機(jī)為對(duì)象?！靶乱淮髽I(yè)級(jí)3D打印機(jī)技術(shù)開發(fā)”項(xiàng)目將對(duì)電子束和激光束2種能量源工藝進(jìn)行研究，最終的目的是開發(fā)快速高精度金屬3D打印機(jī)，即到2018年末實(shí)現(xiàn)打印速度提高10倍，精度提高5倍，力爭(zhēng)在2020年投入實(shí)用（見表2）?！俺?D成型系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)”則是實(shí)現(xiàn)快速低成本砂模3D打印，通過提高成型速度和最大成型尺寸來提升生產(chǎn)效率，同時(shí)降低裝置的價(jià)格，降低鑄模制造成本，最終提升砂模3D打印競(jìng)爭(zhēng)力（見表3）。該項(xiàng)目除了3D打印設(shè)備的研制外，還包括后處理自動(dòng)化設(shè)備和新型粉末材料的開發(fā)。前者將研制鈦系和新材料合金以外的粒徑小于20μm的金屬粉末，后者則開發(fā)用于鑄造高熔點(diǎn)金屬的人工砂和粘合劑，并研究混合沉積不同砂子的方法。2.韓國2014年11月，韓國發(fā)布了一個(gè)長(zhǎng)達(dá)10年的3D打印戰(zhàn)略規(guī)劃，以推動(dòng)和發(fā)展3D打印技術(shù)，使之成為新興增長(zhǎng)市場(chǎng)，并幫助制造業(yè)部門實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型。根據(jù)該路線圖，政府未來10年的重點(diǎn)工作將聚焦于10大領(lǐng)域，涉及8大產(chǎn)品領(lǐng)域，包括醫(yī)療、模具、文化、國防、電力電子、汽車、航空和能源，以及2個(gè)服務(wù)領(lǐng)域設(shè)計(jì)和銷售。在技術(shù)發(fā)展方面，該規(guī)劃包括裝備、材料、軟件等方面的15項(xiàng)重點(diǎn)戰(zhàn)略技術(shù)。該路線圖將成為韓國政府布局3D打印項(xiàng)目的依據(jù)和指導(dǎo)。2012年，韓國的3D產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值約為2900萬美元，僅占全球2.3%的市場(chǎng)份額。韓國希望該計(jì)劃將促進(jìn)3D行業(yè)的發(fā)展，到2020年，全球市場(chǎng)份額可以提升至15%。韓國科學(xué)、信息通信技術(shù)和未來規(guī)劃部（MSIP）還計(jì)劃到2017年為5885所學(xué)校和227所圖書館提供3D打印機(jī)，并在2020年前讓1000萬韓國民眾用上3D打印機(jī)。3.中國臺(tái)灣地區(qū)2014年4月，中國臺(tái)灣地區(qū)科學(xué)技術(shù)管理部門宣布了一項(xiàng)為期3年的3D打印發(fā)展計(jì)劃，同年8月在《3D打印科技的發(fā)展及推動(dòng)》的報(bào)告中稱，計(jì)劃未來4年將投入10億新臺(tái)幣（約2億人民幣）支持13個(gè)研究計(jì)劃。重點(diǎn)是以應(yīng)用為向?qū)А⒅夭季?D打印設(shè)備、軟件和材料的開發(fā)，并推動(dòng)數(shù)據(jù)庫的建立，計(jì)劃在2018年前，培養(yǎng)百萬名3D打印應(yīng)用與文創(chuàng)人才，包括3D打印設(shè)計(jì)師與繪圖人才，建成從關(guān)鍵部件、材料到軟件技術(shù)完全自主的3D打印產(chǎn)業(yè)集群，掌握全球3D打印30%的產(chǎn)能，建立世界級(jí)的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與中華文化巨量信息圖庫。4.新加坡2013年11月，新加坡科學(xué)局（A*STAR）推出了一項(xiàng)總投資達(dá)1500萬新元的3D打印發(fā)展計(jì)劃，發(fā)展3D打印6項(xiàng)工藝技術(shù)，包括激光輔助3D打印（LAAM）、選擇性激光熔化（SLM）、電子束熔煉（EBM）、多孔打印、選擇性激光燒結(jié)（SLS）和光固化（SLA）。該計(jì)劃由A*STAR下屬的制造技術(shù)研究院（SIMTECH）牽頭，南洋理工大學(xué)（NTU）、材料與工程研究所（IMRE）和高性能計(jì)算研究所（IHPC）參與合作。該計(jì)劃的目的是為了支撐新加坡制造業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，特別是航空、汽車、石油天然氣、海洋和精密工程業(yè)等高技術(shù)制造業(yè)，2012年這些領(lǐng)域的產(chǎn)值占到新加坡國內(nèi)生產(chǎn)總值的20%。2014年5月，由新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）投資3000萬新元建立的“南洋理工增材制造中心（NAMC）”正式成立。該中心還與德國SLMSolutions簽署了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)協(xié)議，開發(fā)下一代3D打印機(jī)。三、中國2015年伊始，中國工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會(huì)、財(cái)政部正式發(fā)布《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》，從國家戰(zhàn)略高度提出3D打印的發(fā)展方向和目標(biāo)。該計(jì)劃將針對(duì)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中各關(guān)鍵環(huán)節(jié)如材料、工藝、設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)中的核心技術(shù)瓶頸進(jìn)行布局，實(shí)現(xiàn)技術(shù)和產(chǎn)品上的快速發(fā)展。同時(shí)，該計(jì)劃還將通過需求牽引與創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)相結(jié)合等方式，來推進(jìn)中國國3D打印產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。與歐美國家3D打印戰(zhàn)略計(jì)劃相比，該計(jì)劃更加突出了政府引導(dǎo)和技術(shù)創(chuàng)新的牽引作用，這將為中國追趕歐美3D打印的領(lǐng)軍地位提供強(qiáng)大的保障。該計(jì)劃提出到2016年，初步建立較為完善的3D打印產(chǎn)業(yè)體系，整體技術(shù)水平保持與國際同步，在航空航天等直接制造領(lǐng)域達(dá)到國際先進(jìn)水平，在國際市場(chǎng)上占有較大的市場(chǎng)份額。技術(shù)水平方面，部分工藝裝備達(dá)到國際先進(jìn)水平，初步掌握3D打印材料、工藝軟件及關(guān)鍵零部件等重要環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。應(yīng)用方面，3D打印成為航空航天等高端裝備制造及修復(fù)領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，初步成為產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新創(chuàng)意及個(gè)性化產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)手段以及新藥研發(fā)、臨床診斷與治療的工具。產(chǎn)業(yè)方面，3D打印產(chǎn)業(yè)銷售收入實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)，年均增長(zhǎng)速度30%以上，形成2～3家具有較強(qiáng)國際競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)。支撐體系建設(shè)方面，成立行業(yè)協(xié)會(huì)，建立5～6家3D打印創(chuàng)新中心，形成較為完善的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。具體的推進(jìn)計(jì)劃涵蓋5個(gè)方面。①材料方面：將著力突破航空航天、生物醫(yī)藥、工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)所用的金屬、醫(yī)用、無機(jī)非金屬材料，實(shí)現(xiàn)鈦合金、高強(qiáng)鋼、部分耐高溫高強(qiáng)度工程塑料等專用材料的自主生產(chǎn)。②工藝方面：將搭建技術(shù)研發(fā)平臺(tái)提升以激光選區(qū)熔化（SLM）、光固化成形（SLA）、熔融沉積成形（FDM）為代表的9種工藝的技術(shù)水平，以及數(shù)字建模、工藝控制等軟件的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件成形的高效、熱應(yīng)力控制及變形開裂預(yù)防