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中国增材制造技术现状及生长趋势

宣布时间：

2023-01-11 12:47

　　自2015年以来，中国陆续公布了全面提升中国制造业生长质量和水平的重大安排文件，其中具有重大意义确当属增材制造技术。增材制造(“3D打印”)技术是近年来生长起来的新型制造技术。与古板“减材”制造历程截然相反，增材制造以三维数字模型为基础，将质料通太过层制造、逐层叠加的方法制造三维实体，是集先进制造、智能制造、绿色制造、新质料、精密控制等技术于一体的新技术。增材制造技术从原理上突破了庞大异型构件的技术瓶颈，实现质料微观组织与宏观结构的可控成形，从基础上改变了古板“制造引导设计、制造性优先设计、经验设计”的设计理念，真正意义上实现了“设计引导制造、功效性优先设计、拓扑优化设计”转变，为全工业技术立异、军民深度融合、新兴工业和国防事业的兴起与生长开辟了巨大空间。

　　凭据近几年来海内增材制造工业生长所取得的效果，本文系统梳理了全国各地增材制造工业生长现状，剖析了其生长历程中遇见的瓶颈问题，并探讨了中国增材制造工业未来的生长趋势。

　　一、中国增材制造工业生长现状概况

　　经过近三十多年的科技攻关，中国增材制造工业已初具规模。据增材制造权威机构Wohlers Report统计报道，截至2016年底我国增材制造市场规模逾越80亿元，而2011年海内增材制造市场规模仅为10亿元。凭据美国国际数据集团(IDG)预测，中国未来增材制造工业规模将维持至少22.3%年复增长率，到2020年中国增材制造工业规�？赏黄�220亿元。

　　1. 生长增材制造工业的重要性

　　(1) 增材制造是助推“ 中国制造2025”的不二选择

　　2015年初，我国3部委联合宣布《国家增材制造工业生长推进计划(2015-2016年)》，明确将以钛合金、高温合金等为代表的增材制造专用粉末，以及以激光选区熔化(SLM)、激光选区烧结(SLS)、激光熔融沉积(FDM)等为代表的增材制造专用设备列入重点培育工具，以增材制造新技术抢占新一轮技术厘革，加速推动古板制造工业生长;《中国制造2025》明确将增材制造列入生长智能制造装备和产品、推进制造历程智能化、加速要害技术和装备研发的重点领域;《工业强基工程实施指南(2016-2020年)》、国家“十三五”计划生长将增材制造工业列为重点生长工具。毫无疑问，增材制造的生长已经上升至国家战略生长层面，成为助推中国制造2025的利器之一。

　　(2)增材制造是推动工业转型升级的现实需求

　　增材制造是产品立异的利器，而古板制造业生产能力过剩，产品开发能力严重缺乏的问题，是工业生长的瓶颈。以航空维修工业为例，海内要求老旧件恢复快、无需恢复生产线;新件可维修，无需整体重新加工;质料相容性好，维修后抵达新件性能要求;可实现多品种、少批量、零星、快速制造的要求。以武器装备为例，陆军装备部要求型号研制周期由10年缩短至3年，从而使增材技术走向快速制造、快速验证、加速进度的生长门路。增材制造技术可满足零部件快速制造和修复的重大需求，适应现代战争“四快”：快速响应、快速制造、快速修复、快速恢复战斗力的新要求，在各个领域被推广与应用，广泛渗入航空航天、燃气轮机、无人机、武器装备、生物医疗、汽车制造、文化教育等领域，将有效发动上中下全链条工业的兴起与生长，并进一步形成导入增材制造技术的战略新兴工业集群，成为经济生长新的增长点。

　　(3)增材制造是实现立异驱动生长的重要支撑

　　增材制造适合应用于生产庞大结构、个性化、多样化产品的快速制造行业，可凭据应用需求，接纳最优化的设计计划来实现最佳的产品功效与经济价值，使设计挣脱古板技术“可制造性”的约束，给立异设计释放巨大的空间，为产品设计和制造带来推翻性进步。

　　(4)增材制造是构建全新制造模式的可靠平台

　　增材制造带来集散制造的崭新模式，可通过网络平台，实现随时随地生产、个性化订单、创客设计的模式，乃至资金的集成计划与疏散实施，这一生产模式有效实现社会资源的最大发挥，同时从设计到制造、从效劳到消费，带来理念和行为的全方位变革，引爆发爆发活新模式。

　　2. 增材制造工业生长现状

　　近年来，增材制造技术越来越受到重视，海内相关研究不绝推进向广度和深度。在科学技术部、工业和信息化部、国家国防科技工业局等项目支持下，我国在增材制造成形硬件系统、工艺特性和成形件质量等方面部分抵达或接近国际先进水平，形成了与外洋齐头并进的局面。如接纳增材制造技术制备的高性能金属3D打印构件已在我军多种型号的先进飞机上获得装机应用;通过接纳激光选区熔化增材制造技术有效缩短了某型航空发动机新型空心涡轮叶片的设计周期，一次技术迭代的时间由原来的一年缩短至不到一个月;SLS技术已经广泛应用于汽车领域的缸体、缸盖等庞大结构件的研发设计与快速制造;FDM技术替代电镀，相关结果在再制造领域获得推广应用;SLS技术应用于生物医疗领域，并取得2000余例乐成临床案例;在文创教育领域，实现了3D打印定制珠宝首饰，满足个性化定制需求等。海内多家单位陆续开展了较为深入的研究，依托高校—企业深度产学研用相助模式，走出了具有中国特色的“3D打印”之路，如西安交通大学卢秉恒院士团队——西安增材制造国家研究院有限公司、西北工业大学黄卫东教授团队——西安铂力特增材技术股份有限公司、北京航空航天大学王华明院士团队——北京煜鼎增材制造研究院有限公司、清华大学颜永年教授团队——江苏永年激光成形技术有限公司、华中科技大学史玉升教授团队——武汉滨湖机电技术工业有限公司、华南理工大学杨永强教授团队——广州市雷佳增材科技有限公司，形成了西安交通大学增材制造国家研究院、北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室、湖南华曙高科高分子庞大结构增材制造国家工程实验室等一批高水平立异平台，突破了一批要害技术，研制出一批新装备、新质料、新工艺，并在陕西、北京、江浙、广东、四川等地形成多个3D打印战略联盟。

　　二、增材制造工业生长面临的主要问题

　　增材制造工业在国家政策的大力支持下，生长迅速。在3D打印专用质料及装备、增材制造工艺及装备以及增材制造工业与古板制造相结合协同生长方面，海内均取得了较大的突破。可是与欧美兴旺国家相比，中国增材制造工业仍处于生长的起步阶段，面临着诸多的问题及挑战。

　　1. 要害原质料依赖进口

　　增材制造原料海内虽有一定研究基础，但批次稳定性差，应用有限，大部分尚需依赖进口。目前，增材制造专用原料，特别是军用特种金属或陶瓷原料全部来自进口。以美国为首的西方国家经视察发明我国将这些原料用于军事领域后，马上联合欧洲相关公司停止了向我国出口高质量的增材制造专用原料。海内自主开发的制粉装备技术落后，价格高昂(上千万元)、交期长(2年以上)，不可满足3D打印粉体质料的大规模批产。为了满足我国增材制造在重大领域的研制与生产任务，海内只能以民用的名义进行小批量的采购，采购周期长、途径不稳定，一次采购量受到限制且质料品种简单，未来采购也具有很大隐患，严重影响重大领域的型号攻关任务。据报道，海内某航空配套企业为XX型飞机配套操作杆系统，由于进口粉末受阻导致型号开发延误，因此开发国产自制的球形金属粉末尤为迫切�？垢咧柿俊⒌捅厩霾闹圃熳ㄓ迷涎兄撇呕迪衷霾闹圃斐尚渭际跻υ系耐耆灾靼�，突破受制于人的局面。

　　2. 缺乏系统性应用研究

　　大宗要害异型构件因受古板制造工艺、装配等制约，迫切需要接纳增材制造成形技术进行制造。设备方面，海内成熟的工业级激光3D打印装备，一方面成形尺寸小于800mm，很难满足大尺寸零件的制造需求;另一方面还保存成形工艺少、成形效率低、应用本钱高等问题;工艺方面，增材制造工艺严格受到外洋“闭源”控制，质料与装备接纳捆绑式销售的方法;由于增材制造，特别是激光增材制造成形质料及结构的组织、缺陷有其特殊性，常见的气孔、未熔合、裂纹等缺陷的尺寸仅为微米量级，接纳通例的要领较难检测;另外，增材制造成形制件的组织特征及缺陷的类型、漫衍、尺寸等对综协力学性能影响的研究和评价还缺乏系统性应用研究，这些问题严重制约了增材制造成形技术的应用。

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　　3. 缺乏匹配的热处理技术及装备

　　金属增材制造构件后续热处理被重视水平不高，基础性研究险些没有。要害构件能否从基础上获得改性，很洪流平上取决于热处理技术及装备。海内企业历来都是“重冷轻热”，在古板工艺上对热处理的研究就不敷透彻，更不必嗣魅针对增材制造构件设计专用的热处理制度。海内增材制造企业迫切需要开展关乎组织性能调控的增材制造后处理制度及设备标准化建设事情，特别是后续热等静压、开模铸造等致密化处理以及后续热处理工艺，从基础上解决增材制造构件“力学性能抵达铸件水平，而达不到锻件水平”和“高温长期性能抵达锻件要求、而达不到铸件要求”的尴尬局面。

　　4. 尚未形玉成面的行业标准

　　继2002年美国汽车工程师协会宣布钛合金标准《退火Ti-6Al-4V钛合金激光沉积产品》以来，美国已经陆续公布了几十项增材制造相关标准。这些标准险些涵盖了粉末、打印工艺以及后处理的增材制造全工业链涉及的规模。反观海内，关于增材制造工艺历程中构件组织形貌的表征、控制和认证的依据和标准仍为空白，构件往往只能通过尺寸精度、致密度、力学性能等宏观因素考察打印效果，缺乏微观组织的验证标准。另外，增材制造构件需要进行后续热处理改善综合性能已是行业共识，而目前所有针对增材制造构件的热处理制度依旧是沿用古板铸件或锻件标准，基础无法完全适用于增材制造工艺，致使该技术的大规模推广应用受到限制，没有体现该技术的产品优势、技术优势和市场优势。

　　5. 立异平台协同生长较弱

　　早在五年前，美国政府组织100余家单位、研究机构联合建立了“国家增材制造立异中心”。反观海内，目前尚未建立有效的国家层面的增材制造工业立异平台。大型企业、高等院校和科研院所各自为战，工业链过于集中在中游(打印设备研发)，研发主体单打独斗未能形成协力的态势，倒运于增材制造工业链的整体生长，亟待整合全国增材制造研发—生产—应用的工业链资源，实现一体化的规模生长。

　　6. 专业人才匮乏

　　目前，海内高等院校、职工技校等单位均未设置增材制造专业与相关学科，仅设立了科普性质的“兴趣课”或实习。专业化人才缺乏，科研力量薄弱。人员结构欠合理，综合性人才的缺乏是影响增材制造工业生长的重要因素。中国增材制造领域人才总量缺乏，高端人才和专业人才偏少，学历、技术职称条理不高，与兴旺国家之间保存较大差别。

　　三、增材制造工业生长趋势

　　1. 要害原料替代进口

　　增材制造专用原料是工业链生长最要害的环节之一，只有解决了原料问题，增材制造工业才华健康有序的生长。着力突破自主可控增材制造专用金属、非金属和医疗专用质料研制、生产和大规模应用亟需解决的要害技术与装备，重点开发新型等离子旋转雾化制粉技术及装备(N - PREP)、真空气体雾化制粉技术及装备(VIGA)和新型溶剂沉淀法等，实现增材制造专用质料整体性能抵达国际先进水平，替代进口;完善现有可打印质料的基天性能，评估可用于增材制造工艺的原料规模，解决目前不可打印原料(如7系铝合金)的技术难题，实现质料的真正可用性;开发新的质料及与之适应的增材制造工艺，包括新型复合质料、混淆质料、高熔点合金质料、梯度质料、稀贵质料等，尽可能多的实现差别质料的3D打印并建立相关数据库;加速制定增材制造专用原料的行业规范及标准;开发新型绿色环保质料，寻求新的收集、接纳与贮存方法，降低能耗，减少污染。

　　2. 打印设备打造国际知名品牌

　　重点瞄准航空航天、燃气轮机、无人机、武器装备、生物医疗、汽车制造、文化教育等要害行业，构建涵盖SLS、SLM、LCD、SLA等多元化3D打印系统及装备研发制造体系，面向多应用领域提供可靠稳定的国产自主可控装备，提高产品成型的速度、效率、精度及外貌粗糙度等指标，并且需要开拓新的工业模式，与古板的制造工艺相结合，实现优势互补，打造国际知名品牌，占领国际工业级3D打印装备行业制高点。

　　3. 建立基础数据库

　　着力突破盘算机辅助设计建模技术、结构拓扑优化与3D打印的对接技术、轻量化技术，3D打印逆向工程技术，优化并拓扑设计战斗部异构件整体结构(包括内部庞大结构)，从而越发节省质料和降低自己质量，提升要害构件整体性能;着力突破激光控形控性与后续热处理组织调控要害技术，揭示成形工艺条件与构件尺寸精度、性能指标的关联纪律，解决构件成形历程中的精度控制、缺陷控制、性能控制等难题，建立质料—设计—工艺—装备数据库，提升增材制造要害部件国产化水平。

　　4. 完善标准化建设

　　重点瞄准典范增材制造工艺及相关市场标准，探索建立增材制造工业标准“领跑者”事情模式，确定需要评价的增材制造标准的主要技术指标内容和分类，制定增材制造“领跑者”标准评价要领，开展“领跑者”试点事情，引导市场优先选择基于“领跑者”标准的增材制造产品和效劳，逐步形成正向激励机制，推动形成技术立异—标准研制—工业升级协同生长的正循环。

　　5. 推进工业应用规模

　　加速和推进增材制造全工业链产品的生产和应用规模，产品基本满足航空航天、燃气轮机、无人机、武器装备、生物医疗、汽车制造、文化教育等重点领域的使用需求，至2020年，实现3D打印要害质料及装备在航空航天、燃气轮机、无人机、武器装备、生物医疗、汽车制造、文化教育等行业应用划分逾1亿元/ a规模，工业市场经济规模抵达百亿级。

　　6. 搭建立异效劳平台

　　搭建“互联网+”增材制造立异效劳平台，整合工业链资源，吸引并开发优质客源，以灵活多变的相助方法为全国的重点工业企业提供整体增材制造技术解决计划。依托平台，吸纳一批外洋优势企业进驻投资建厂或设立研发中心，开端形成中国增材制造工业集群基础，在国际技术领域和市场上占据重要职位。

　　四、结语

　　总的来看，3D打印生长迅猛，但实现工业化仍有较长的路要走。通过国家政策引导与专项支持，形成增材制造领域技术高地：针对工业、国防军工与医疗领域主导需求，开展要害技术产学研用联合攻关与应用示范，开发出一系列具有突破意义的增材制造新技术、新装备、新质料、新工艺、新产品，建立涵盖全链条的增材制造技术体系，在国际规模内形成技术立异高地，引领工业生长;通过立异结果转化与工业化，快速拉动工业提升生长，在新技术示范应用与工业化的历程中有效集聚整合跨行业优质资源，形玉成链条互动，使增材制造的个性化定制功效真正深入生爆发活各个领域，推动增材制造工业进一步生长、成熟，形成工业规模效益;通过技术、产品和装备立异，重组生产经营链条的各个环节，建立基于增材制造技术的全新制造与效劳平台，突破古板的生产模式，推动古板工业加速导入新技术实现转型升级，并进一步发动上中下游支撑工业与新兴工业的融合与生长，增进形成导入增材制造技术的战略性新兴工业集群，成为经济生长新的增长点。(DOI：10.19599/j.issn.1008-892x.2018.08.007)(来源：　　作者：李礼1,2 戴煜1,2　　本文刊载于《新质料工业》2018年第8期)

　　河北j9九游会增材制造科技有限公司建立于2015年，总投资规模23.4亿元人民币，是全国500强企业---j9九游会集团的全资子公司，公司位于河北省石家庄市平山县南甸镇j9九游会集团工业园区，是一家集专业研发、生产、销售高端气雾化金属粉末、激光再制造、3D打印效劳于一体的全流程增材制造公司。

　　我公司现有EOS M290打印机8台，EOS M400-4 1台，Arcam 电子束粉末快速成形系统和铂力特S310各1台，其中EOS M400-4属海内先进设备，配备四个激秃顶，打印效率是E0S M290单激秃顶的3倍以上，具有成型精确、质料利用率高等优点;公司致力于为各制造领域客户提供金属3D打印整体解决计划，业务主要涉及到航空航天零部件、模具、医疗器械及骨科植入物、汽车制造，船舶制造等领域。

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