近年來，新一輪世界科技革命正在進行，第三次工業(yè)革命加速孕育，以3D打印機為代表的堆積制造業(yè)正成為第三次工業(yè)革命的重要標志。堆積制造改變了過去通過去除多余材料進行加工生產(chǎn)的制造模式，通過逐層堆積材料進行直接生產(chǎn)，帶來制造工藝、制造模式的根本變革。歐、美等發(fā)達工業(yè)國家無論在堆積制造技術(shù)創(chuàng)新還是在應(yīng)用領(lǐng)域都已經(jīng)取得了顯著進展。與發(fā)達國家相比，我國雖取得了一批基礎(chǔ)研究成果，但堆積制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程仍相對緩慢。當(dāng)前，我國正處于工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期，發(fā)展堆積制造業(yè)對于搶占先進制造業(yè)發(fā)展制高點、加速工業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有重要意義。

　　堆積制造（Additive Manufacturing，AM）技術(shù)，俗稱3D打印技術(shù)，以計算機設(shè)計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，用激光束或其他手段將塑料、合金等特制粉末進行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。這一技術(shù)始于快速成型技術(shù)（RP），綜合應(yīng)用了CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、光化學(xué)以及材料科學(xué)等諸多方面的技術(shù)和知識，目前已經(jīng)發(fā)展出激光燒結(jié)技術(shù)、熔融沉積成型技術(shù)、立體光刻技術(shù)、噴墨沉積（3D打印）技術(shù)、電子束（e-beam）熔煉技術(shù)、超聲波固結(jié)技術(shù)（UC）等幾種類型。國際標準化組織（ASTMF42）召開的技術(shù)委員會決定，堆積制造技術(shù)是以上諸類技術(shù)的總稱。

　　3D打印技術(shù)越來越多地應(yīng)用在電影制造業(yè)。

　　當(dāng)前，在全球范圍內(nèi)堆積制造已初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計未來5～10年，隨著技術(shù)的不斷進步及市場需求的擴大，以3D打印機為代表的堆積制造業(yè)將呈現(xiàn)新的發(fā)展趨勢。

　　2016年市場規(guī)模過31億美元

　　堆積制造技術(shù)誕生25年以來，已應(yīng)用于各個行業(yè)，年均增長率接近27%。

　　堆積制造技術(shù)誕生25年以來，已應(yīng)用于從航空航天到牙科和口腔正畸等各個行業(yè)，堆積制造產(chǎn)品和服務(wù)收入的年均增長率接近27%。據(jù)市場研究公司Wohlers Associate發(fā)布的2012年度報告，2011年堆積制造業(yè)銷售收入達16.8億元，比上年增長29.4%。據(jù)預(yù)測，到2016年該行業(yè)市場規(guī)模將達到31億美元，到2020年將增長到52億美元。

　　首先是個人應(yīng)用增加。隨著2000美元以下堆積制造設(shè)備的引入，個人或團體愛好者越來越可能購買和使用堆積制造設(shè)備。其次是專利權(quán)的到期加速了其在國際范圍的應(yīng)用。早期堆積制造專利面臨到期，并開始影響到新設(shè)備的開發(fā)及其在美國和海外的應(yīng)用。

　　主要國家積極推進技術(shù)應(yīng)用

　　從堆積制造應(yīng)用來看，歐洲占29.1%，北美占40.2%，亞洲占26.3%，其他地區(qū)占4.4%。

　　美國和歐洲在堆積制造技術(shù)的研發(fā)及推廣應(yīng)用方面具有領(lǐng)先地位。美國在3D打印機領(lǐng)域居于壟斷地位，是全球3D打印技術(shù)和應(yīng)用的領(lǐng)導(dǎo)者。當(dāng)前，美國Z Corporation和斯特塔西（Stratasys）兩家公司的產(chǎn)品在全球占有絕大多數(shù)市場份額。1994年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的科研和技術(shù)專家發(fā)明了3D打印技術(shù)并申請了專利。1997年，Z Corporation公司正式成立，并將3D打印技術(shù)推向市場，其3D打印機產(chǎn)品在全球市場份額中占一半以上。美國Stratasys公司也率先推出了基于FDM技術(shù)的快速成型機，并很快發(fā)布了基于FDM的Dimension系列3D打印機。

　　當(dāng)前，由于FDM技術(shù)得天獨厚的優(yōu)勢，已經(jīng)在汽車、家電、電動工具、機械加工、精密鑄造及工藝品制作等領(lǐng)域使用。歐洲緊隨美國重視對3D打印機的研發(fā)應(yīng)用，至今已生產(chǎn)出多種新產(chǎn)品。具有代表性的有意大利發(fā)明家恩里科·迪尼（Enrico dini）發(fā)明的一臺巨大的3D打印機，這臺機器可以用沙子直接打印立體的建筑。歐洲飛機制造公司空客公司（Airbus）正推出3D打印飛機計劃，預(yù)計2050年前完成，此計劃將使用機庫般大小的3D打印機，制造飛機零件。

　　其他國家也在不斷加強堆積制造技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用。澳大利亞近期制定了金屬堆積制造路線；南非正在扶持基于激光的大型堆積制造機器的開發(fā)；日本著力推動堆積制造技術(shù)的推廣應(yīng)用；中國堆積制造設(shè)計服務(wù)市場快速增長，已有幾家企業(yè)利用堆積制造技術(shù)生產(chǎn)機器設(shè)備和提供服務(wù)。從堆積技術(shù)的應(yīng)用來看，歐洲地區(qū)占29.1%，北美地區(qū)占40.2%，亞洲地區(qū)占26.3%，其他地區(qū)占4.4%。其中，亞洲地區(qū)的應(yīng)用主要集中在日本和中國。

　　堆積制造業(yè)依然面臨挑戰(zhàn)

　　堆積制造業(yè)已經(jīng)有了長足發(fā)展，但有關(guān)材料、工藝、設(shè)備和應(yīng)用的挑戰(zhàn)依然存在。

　　（一）材料可用性

　　目前的可用原料還不多，開始逐步從樹脂、塑料擴展到陶瓷、金屬，乃至最新的金、銀以及強度極高的鈦和不銹鋼等材料。雖然已有大量的同質(zhì)與異質(zhì)材料混合物應(yīng)用于堆積制造業(yè)，但仍然需要開發(fā)更多的材料。其中包括更好地理解已經(jīng)使用的材料的加工-結(jié)構(gòu)-屬性之間的關(guān)系，從而了解這些材料的局限性和優(yōu)點。此外，還需要開發(fā)質(zhì)量測試程序和方法，以幫助擴展可用材料的種類。另外還需要為材料提供力學(xué)性能數(shù)據(jù)的規(guī)范性標準，也需要更詳細的由這些材料性能制成零部件的規(guī)范信息。工程師和設(shè)計師在沒有充分認識材料屬性之前，是無法進行相應(yīng)零部件設(shè)計的。目前很多堆積制造工藝和材料已經(jīng)得到研發(fā)。因此，建立全面的規(guī)范標準只需要整合資源，但這需要研究機構(gòu)以及系統(tǒng)與材料制造商共同參與。

　?。ǘ┕に嚄l件

　　一是工藝控制。為提高機器之間的連貫性、重復(fù)性和統(tǒng)一性，需要有內(nèi)部過程監(jiān)控和閉環(huán)反饋的方法。應(yīng)認真審查原位傳感器，以此來提供無損性評估，并使之能夠進行早期缺陷檢測，特別是與熱能控制有關(guān)的缺陷檢測。較好的流程控制也將減少設(shè)備故障時間，而這是目前許多機器和工藝面臨的主要問題。二是工藝理解與建模。要了解和預(yù)測材料性能（如表面粗糙度和疲勞性能），就需要有堆積制造工藝的新物理模型。更好地理解基礎(chǔ)物理學(xué)將有助于創(chuàng)建預(yù)測性模型，使設(shè)計師、工程師、科學(xué)家和用戶能夠估計零部件在設(shè)計過程中的功能特性，并調(diào)整設(shè)計以達到預(yù)期的結(jié)果。

　?。ㄈ┰O(shè)備要求

　　一是需要建立設(shè)備認證標準。設(shè)備認證標準可以幫助實現(xiàn)機器到機器以及部件到部件的可重復(fù)性。政府的資格審查程序使得行業(yè)規(guī)范更加嚴格。因此，盡可能簡化這些必要的程序可以幫助獲取更多的堆積制造技術(shù)。依靠標準化的材料性能數(shù)據(jù)庫，對設(shè)備或工藝水平的認證可以幫助減少認證時間和精力消耗。二是設(shè)備的模塊化。許多用于堆積制造的控制器與設(shè)備模塊有封閉式的架構(gòu)，使用戶難以測試新鑄造程序、材料等。開放式架構(gòu)控制器和可重構(gòu)設(shè)備模塊將使制造和研究更靈活，這類似計算機數(shù)控（CNC）加工系統(tǒng)的模式。

　?。ㄋ模┰O(shè)計工具

　　堆積制造要求開發(fā)和廣泛運用計算機輔助設(shè)計（CAD）工具。對于直接零部件制造，需要新的工具來優(yōu)化形狀和材料性能，同時設(shè)計復(fù)雜的點陣結(jié)構(gòu)，以最大化地減少材料使用和重量。對于非專業(yè)性市場，基于網(wǎng)絡(luò)的新設(shè)計工具可能允許非專業(yè)人員創(chuàng)造性地設(shè)計滿足其需求的產(chǎn)品。新的支持Web的協(xié)同設(shè)計環(huán)境會帶動專業(yè)設(shè)計師連同初級用戶一起進行個性化設(shè)計。

　　對于直接零部件生產(chǎn)而言，依然面臨4個方面的技術(shù)挑戰(zhàn)：一是變形開裂——主要是熱應(yīng)力控制不好，容易變形，控制變形又容易開裂；二是內(nèi)部質(zhì)量——力學(xué)性能低，無法承受住疲勞高溫等；三是技術(shù)標準——對任何一個新技術(shù)產(chǎn)業(yè)來說，標準都是很重要的；四是成套裝備——缺乏大型裝備（如真空爐，目前歐洲已具有30噸的真空爐），只適合做小型零件激光快速成型。