中国增材制造技术现状及发展趋势深度研究
时间:2021-09-12 09:53 来源:新材料产业 作者:admin 点击:次
| 增材制造 增材制造（“3D打印”）技术是近年来发展起来的新型制造技术。与传统“减材”制造过程截然相反，增材制造以三维数字模型为基础，将材料通过分层制造、逐层叠加的方式制造三维实体，是集先进制造、智能制造、绿色制造、新材料、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复杂异型构件的技术瓶颈，实现材料微观组织与宏观结构的可控成形，从根本上改变了传统“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、功能性优先设计、拓扑优化设计”转变，为全产业技术创新、军民深度融合、新兴产业、国防事业的兴起与发展开辟了巨大空间。 通过近几年来国内增材制造产业发展所取得的成效，本文系统梳理了全国各地增材制造产业发展现状，分析了其发展过程中遇见的瓶颈问题，并探讨了中国增材制造产业未来的发展趋势。 一、中国增材制造产业发展现状概况 经过近三十多年的科技攻关，中国增材制造产业已初具规模。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年国内增材制造市场规模仅为10亿元。根据美国国际数据集团（IDG）预测，中国未来增材制造产业规模将维持至少22.3%年复增长率，到2020年中国增材制造产业规模可突破220亿元。 1.发展增材制造产业的重要性 （1）增材制造是助推“中国制造2025”的不二选择 2015年初，我国3部委联合发布《国家增材制造产业发展推进计划（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对象，以增材制造新技术抢占新一轮技术变革，加速推动传统制造产业发展；《中国制造2025》明确将增材制造列入发展智能制造装备和产品、推进制造过程智能化、加快关键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”规划发展将增材制造产业列为重点发展对象。毫无疑问，增材制造的发展已经上升至国家战略发展层面，成为助推中国制造2025的利器之一。 （2）增材制造是推动产业转型升级的现实需求 增材制造是产品创新的利器，而传统制造业生产能力过剩，产品开发能力严重不足，是产业发展的瓶颈。以航空维修产业为例，国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；材料相容性好，维修后达到新件性能要求；可实现多品种、少批量、零星、快速制造。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，走向快速制造、快速验证、加快进度的发展道路。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，将增材制造技术迅速在各个领域进行推广与应用，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，将有效带动上中下全链条产业的兴起与发展，并进一步形成导入增材制造技术的战略新兴产业集群，成为经济发展新的增长点。 （3）增材制造是实现创新驱动发展的重要支撑 增材制造适合应用于复杂结构、个性化、多样化产品的快速制造，可根据应用需求，采用最优化的设计方案来实现最佳的产品功能与经济价值，使设计摆脱传统技术“可制造性”的约束，给创新设计释放巨大的空间，为产品设计和制造带来颠覆性进步。 （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，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，同时从设计到制造、从服务到消费，带来理念和行为的全方位变化，引发生产生活新模式。 2.增材制造产业发展现状 近年来，增材制造技术越来越受到重视，国内相关研究不断向广度和深度推进。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达到或接近国际先进水平，形成了与国外齐头并进的局面。如采用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得到装机应用；采用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、缸盖等复杂结构件的研发设计与快速制造；FDM技术替代电镀，相关成果在再制造领域得到推广应用；SLS技术应用于生物医疗领域，并取得2000余例成功临床案例；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。国内多家单位陆续开展了较为深入的研究，依托高校—企业深度产学研用合作模式，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——武汉滨湖机电技术产业有限公司、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复杂结构增材制造国家工程实验室等一批高水平创新平台，突破了一批关键技术，研制出一批新装备、新材料、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、 增材制造产业发展面临的主要问题 增材制造产业在国家政策的大力支持下，发展迅速。在3D打印专用材料及装备、增材制造工艺及装备以及与传统制造相结合协同发展，国内均取得了较大的突破。但是与欧美发达国家相比，中国增材制造产业仍处于发展的起步阶段，面临着诸多的问题及挑战。 1.关键原材料依赖进口 增材制造原料国内研究虽有一定基础，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调查发现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。国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），不能满足3D打印粉体材料的大规模批产。为了满足我国增材制造在重大领域的研制与生产任务，国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材料品种单一，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，国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，开发国产自制的球形金属粉末尤为迫切。开展高质量、低成本增材制造专用原料研制可实现增材制造成形技术关键原料的完全自主保障，打破受制于人的局面。 2. 缺乏系统性应用研究 大量关键异型构件因其受传统制造工艺、装配等制约，迫切需要采用增材制造成形技术进行制造。设备方面，国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；另一方面还存在成形工艺少、成形效率低、应用成本高等问题；工艺方面，增材制造工艺严格受到国外“闭源”控制，材料与装备采取捆绑式销售；由于增材制造，特别是激光增材制造成形材料及结构的组织、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，采用常规的方法较难检测；另外，增材制造成形制件的组织特征及缺陷的类型、分布、尺寸等对综合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。 (责任编辑：admin) |