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我国增材制造产业发展路径探究
时间:2017-04-24来源:新材料产业 李方正

当前,伴随着新一轮科技革命和产业变革的历史性交汇,以增材制造(Additive Manufacturing,AM)为代表的先进制造技术正获得突破性进展,成为越来越多企业产业升级和技术转型的方向,用于突破研发瓶颈或解决设计难题,助力智能制造等新型制造模式。世界工业强国纷纷制定相关战略和具体措施助力产业发展,力争抢占未来科技和产业制高点。我国高度重视增材制造产业发展,《中国制造2025》、《“十三五”国家科技创新规划》、《智能制造工程实施指南(2016—2020))》、《工业强基工程实施指南(2016-2020)》等发展规划及实施方案将增材制造装备及产业作为重要发展方向之一,以期推动产业持续快速发展。


  随着增材制造工艺装备、专用材料、关键部件的技术突破以及服务模式的成熟,必将带动产业化应用程度的加深,推动智能制造、产品设计和生命科学领域的新一轮创新。增材制造产业已迎来了重大发展机遇期,仍将处于高速增长期,发展潜力巨大。


一、全球增材制造产业发展历程及现状

  增材制造俗称3D打印,是以数字模型为基础,将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料,按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积,制造出实体物品的制造活动。增材制造技术源于20世纪80年代美国科学家Charles Hull发明的光固化(SLA)技术,Charles Hull于1986年成立了3D Systems电竞竞猜app哪个好并在同年发布了全球第一款商用3D打印机,开启了增材制造技术的产业化进程。此后,美国涌现出多家增材制造电竞竞猜app哪个好,增材制造产业迅速发展。但在之后的近20年,由于技术不成熟,利用增材制造技术工艺只能打印一些强度低、精度差的塑料模型,导致人们对其可靠性产生怀疑,致使增材制造产业发展进入低谷。随着2008年英国巴恩大学的Adrian Bowyer等人发布3D打印项目RepRap1.0系列“Darwin”3D立体打印机,实现了增材制造设备的自我复制,同年,Objet推出Connex500,使得多材料增材制造成为可能。此后,增材制造产业重新进入高速发展阶段,一大批企业进入此领域。


  目前,全球增材制造的产业化尚处于起步阶段,据Wohlers Associates统计显示,2014年全球增材制造产业产值达到41.03亿美元,增长逾10亿美元,同比增长35.2%,是全球增材制造产业在过去的18年中增速最快一年。2015年全球增材制造产业的产值已经接51.65亿美元,同比增长24.9%,继2014年后连续第2年增长达10亿美元,过去27年中,全球增材制造产业的年复合增长率(CAGR)为26.2%,其中,2012-2014年的CAGR高达33.8%。

 数据来源:《Wohlers Associates(2016)》,赛迪智库整理。


  但由于统计口径及统计范围不同,全球不同机构对增材制造产业产值的统计值差别极大。据全球权威的IT研究与顾问咨询电竞竞猜app哪个好高德纳咨询(Gartner)预计,2015年全球3D打印市场仅为16亿美元。而国际数据电竞竞猜app哪个好(IDC)则作出了更大胆的评估,在一份研究报告中指出,2015年全球3D打印支出接近110亿美元,其中打印机和耗材占约一半,其余的是软件和服务。


二、我国增材制造产业发展现状

  我国增材制造技术发展起步于20世纪90年代初,经过多年的发展,已经具备了良好的技术基础,在部分领域形成了局部技术优势,突破了一批关键工艺技术和装备,产业化进程明显加速,行业应用不断拓展和深化。


  一是产业化进程加速。据中国增材制造产业联盟不完全统计,2016年上半年,我国增材制造产业规模已超30亿元,同比增长50%以上,产业规模实现了较快增长。涌现出杭州先临三维科技股份有限电竞竞猜app哪个好、西安铂力特激光成形技术有限电竞竞猜app哪个好(以下简称“西安铂力特”)陕西恒通智能机器有限电竞竞猜app哪个好、湖南华曙高科技有限责任电竞竞猜app哪个好(以下简称“湖南华曙高科”)、武汉华科三维科技有限电竞竞猜app哪个好(以下简称“华科三维”)、北京太尔时代科技有限电竞竞猜app哪个好、广州迈普再生医学科技有限电竞竞猜app哪个好、青岛三迪时空网络科技有限电竞竞猜app哪个好等一批优秀的企业,以及渭南高新区3D打印产业培育基地、安徽春谷3D打印智能装备产业园等产业集聚区。


  二是工艺技术水平提高。2015年以来,我国增材制造的工艺技术水平加速提升,工艺装备、关键零部件等重要环节关键核心技术取得进展。熔融沉积成形、光固化成形、激光选区烧结/熔化等一大批工艺装备实现产业化,部分增材制造工艺装备已经达到国际水平,如西安铂力特激光成形技术电竞竞猜app哪个好近期研发的激光选区熔化装备,在许多关键技术指标上已达到国际先进水平。江苏永年激光成形技术有限电竞竞猜app哪个好通过与武汉锐科光纤激光器技术有限责任电竞竞猜app哪个好合作,共同推动国产大中功率激光器在增材制造的推广和应用,现已完成金属增材制造SLM配套国产激光器的研发和试制工作,已具备小批量生产的能力,进入国内首台套的示范应用,并交付用户使用。华中科技大学研发的“智能微铸锻一体化”金属增材制造技术,实现了增材、等材制造技术的融合,其产品的部分技术指标和性能均稳定超过传统铸件。广东峰华卓立科技股份有限电竞竞猜app哪个好新开发出了阵列喷嘴(256/1024个)全自动砂型3D打印机PCM-800(AJ),打印的砂型各项参数接近国外水平。


  三是专用材料取得初步进展。金属材料领域,飞而康快速制造科技有限责任电竞竞猜app哪个好通过采用感应熔炼气体雾化技术和高速气流控制工艺,已经有效实现粉末细化,解决了粉末粒径粗大、粒度分布差异大等问题;已批量生产45μm以上的钛合金粉末,0~45μm的钛合金粉末已进行试用,具备钛粉60t/a的产能。中国科学院金属研究所已经研发出了多种牌号的钛合金粉末和丝状材料,开始批量生产。西北有色研究院所属西安赛隆金属材料有限责任电竞竞猜app哪个好引进了国际先进的钛合金制粉设备,目前已经开始钛合金粉末的制备,向北京某航天企业供应了激光选区熔化增材制造所需的细颗粒金属粉末数百公斤,所产60~100μm的金属粉末已经供应该院电子束增材制造使用。非金属材料领域,湖南华曙高科在已开发尼龙及其复合材料基础上,开发应用PA6、碳纤维复合尼龙粉末材料等高性能工程塑料、光敏树脂、钛合金、铝合金、钴铬合金以及陶瓷等特种材料。


  四是行业应用持续拓展深化。在航空航天、汽车、机械装备等领域零部件模具开发成效显著,例如北京隆源自动成型系统有限电竞竞猜app哪个好、湖南华曙高科等企业已成功将3D打印技术应用于汽车零部件的研制开发,华科三维为玉柴的新产品六缸四气门发动机的研发制作砂型,使其铸件制造周期由原来的5~6个月缩短至20天以内。在医学应用领域的探索方兴未艾,国内的3D打印牙齿、骨骼修复技术已经成熟,并在各大骨科医院、口腔医院快速普及,华曙高科与医疗机构合作已经成功实施术前规划、手术模拟等患者辅助临床治疗500多例,相关应用技术已处于国内领先水平。广州迈普应用3D打印技术开发的硬脑膜产品———“睿膜”已获得美国FDA、国家食品药品监督管理总局、欧盟CE的批准,目前已应用于近万名患者的脑膜修复手术。


三、我国增材制造产业发展面临的问题

  尽管我国增材制造技术取得了长足进步,但与先进发达国家相比,仍处于产业化起步阶段,在材料制备、市场培育、工艺装备及关键零部件、标准制订、创新平台建设等方面还存在较大差距:


  一是产业规模化程度低。2015年,我国增材制造产业规模不到全球规模(五十多亿美元)的10%。增材制造企业总体上依然“小、散、弱”,国内最大规模企业的销售收入美国3D Systems电竞竞猜app哪个好销售收入的1/25。我国的多数企业处于初创期,受制于技术研发周期长、应用成本高等因素,自身盈利能力较弱,持续创新投入面临较大的资金压力,部分企业依靠政府补贴维持生存。


  二是市场应用面相对狭窄。当前我国增材制造主要集中在航空航天、军工等垄断性行业以及医疗等高壁垒性领域,面临市场和体制的双重壁垒;在企业商用领域,一方面由于对中国消费市场对3D打印认识不足,另一方面由于工业级3D打印机的昂贵成本和维护费用,使中小企业望而却步,阻碍现有传统生产方式的改造升级,需要进行较长时间的市场培育。


  三是创新平台建设缺失。2012年,由美国政府主导,国防部制造和装备中心牵头,组织企业、研究机构和地方政府等100家单位联合成立“国家增材制造创新中心”。但我国目前尚未建立起有效的增材制造产业创新平台,高等院校、科研机构和企业各自为战,合作研究的动力不足,产学研用密切结合的研发及产业化推进机制尚未有效形成。


  四是专用新材料开发滞后。目前我国只开发出钛合金、高强钢等30余种金属和非金属材料,而且金属材料成形品的物理性能不稳定,镍基合金、钴铬合金、光敏树脂、耐高温高强度工程塑料等尚不具备批量生产能力。而发达国家一家电竞竞猜app哪个好就能开发出几十种,甚至上百种材料,如美国Stratasys电竞竞猜app哪个好有120余种增材制造专用材料,3D Systems电竞竞猜app哪个好也有60余种。此外,我国复杂承力构件生产所用20~30μm的超精细钛合金材料还基本依赖进口,国外材料价格高昂,垄断性强,设置了很多壁垒,制约了我国增材制造技术的推广应用。


  五是装备可靠性不高,关键零部件依赖进口。目前,我国工业级增材制造装备在环境温度控制、工艺稳定性等可靠性水平总体较低,除光固化成形、激光选区烧结成形等非金属装备和桌面3D打印机实现批量生产外,其他装备均尚未实现批量化生产,激光选区熔化成形、电子束选区熔化成形、大型高效无模铸型等增材制造装备仍需从德国、瑞典等国家进口。此外,我国生产的增材制造装备关键零部件性能与国外产品差距较大,高光束质量激光器及光束整形系统、高品质电子枪及高速扫描系统、大功率激光扫描振镜、动态聚焦镜等精密光学器件、阵列式高精度喷嘴/喷头等严重依赖进口。


  六是标准体系尚未建立。欧美发达国家和地区非常重视增材制造标准体系的建设,早在2009年,美国就成立了标准技术委员会,在增材制造专用术语、专用材料、测试方法、过程控制和零件设计5个方面开展了相应标准的制订工作。2012年,美国又专门针对金属增材制造,从材料、工艺装备、资质和认证、建模和仿真等方面制订了相应的技术标准。但我国尚未建立起涵盖设计、材料、工艺装备、产品性能、认证检测等在内的完整的增材制造标准体系,无法从行业标准的角度消除用户对增材制造产品在性能、质量、尺寸精度、可靠性等方面的疑虑,严重制约了增材制造技术的推广应用。


四、促进我国增材制造产业发展路径探究

  我国需要从供给侧发力、需求侧牵引,促进我国增材制造产业发展。


1.供给侧层面

  一是加大对增材制造专用材料、装备及关键部件等重点领域攻关的财政支持力度。充分利用国家04专项、智能制造专项、技术改造等资金渠道,采用生产企业与用户结合的方式,重点支持适用于激光选区烧结工艺的钛合金、铝合金、镍基合金等微细金属粉末材料,激光器、扫描振镜、喷头等关键部件以及复杂金属零件高精度整体成形的增材/减材复合成形装备、微滴喷射式大型高效砂型增材制造装备、大型阵列式喷头系统PCM无模铸型增材制造装备等。


  二是加快建立完善增材制造标准化体系。依托全国增材制造标准化技术委员会,从基础共性、关键技术到测试方法、质量评价、软件系统及相关技术服务,全面铺开增材制造标准化工作;加强标准化的国际合作,积极对接国际标准化组织(ISO)增材制造技术委员会、美国材料与试验协会増材制造技术委员会(ASTM F42)、美国电气和电子工程师协会标准协会(IEEE-SA)等机构,开展相关先进标准的转化工作。加强标准的推广与实施,培育第3方认证机构,加强对增材制造产品的检验与认证的能力建设,促进标准化工作与行业紧密结合。


2.需求侧层面

  一是加大应用推广力度,引导行业加快整合。发挥中国增材制造产业联盟的作用,联合政府和行业资源,开展分领域的技术、产业、应用领域的研讨会和对接会,搭建产业与政府、产业链上下游的对接通道,推动产业合作,加强生产企业和用户需求对接,加快技术的推广应用。重点开展增材制造试点示范专项行动,开展分层级、分领域的试点示范活动,点面结合,协同推进,引导和促进社会力量及地方政府的投入,共同推进增材制造技术的深度应用,促进我国增材制造产业持续快速发展。


  二是加强产学研用,加快关键共性技术创新发展。借鉴美国推进增材制造的工作机制,结合《中国制造2025》的总体部署,建立国家增材制造创新中心,由高校、科研院所和骨干企业组成,分别为金属增材制造、非金属增材制造搭建共性技术创新与产业化应用平台,建立产学研用密切结合的协同机制,形成完整的材料、装备、工艺、检测、应用体系。

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