重磅好文，深度剖析丨《我国增材制造技术与产业发展研究》
时间:2022-07-22 11:49 来源:《中国工程科学》2022年第4期 作者:admin 点击:次
| 要：增材制造作为新兴的制造技术，应用领域不断扩展，成为先进制造领域发展最快的技术方向之一；增材制造产业的发展为现代制造业的培育壮大以及传统制造业的转型升级提供了宝贵契机。本文在分析全球增材制造技术发展态势与产业发展动态的基础上，全面梳理了我国增材制造技术与产业的发展态势，剖析了我国增材制造产业面临的共性技术研究及基础器件能力不足、面向国际市场的专利布局滞后、产业规模与产业集群建设有待深化等问题。着眼增材制造产业前瞻布局，论证提出了生物医药与医疗器械增材制造、大型高性能复杂构件增材制造、空间增材制造、基于增材制造的结构创新与新材料发明等重点发展方向。研究建议：建立增材制造协同创新机制并支持企业开展应用创新，围绕重大装备需求开展增材制造工艺变革专项技术攻关，深化区域性增材制造产业集群建设。 一、前言 当前，以增材制造（亦称 3D 打印）为代表的新制造技术，其基础研究、关键技术、产业孵化等都在快速发展。增材制造技术完全改变了产品的设计制造过程，被视为诸多领域科技创新的“加速器”、支撑制造业创新发展的关键基础技术；进一步改变了产品的生产模式，驱动定制化、个性化、分布式制造；通过云制造并与大数据技术结合，加快传统制造升级，实现制造的个性化、智能化、社会化；对制造业起到巨大的推动和颠覆性变革作用，助推航空、航天、能源、国防、汽车、生物医疗等领域核心制造技术的突破和跨越式发展 [1]。 增材制造的技术与产业研究是国内外热点课题。美国麦肯锡咨询公司认为增材制造是决定2025年经济发展的12大颠覆技术之一，发布的《增材制造发展的主流化》探讨了增材制造40年发展历程，作出了增材制造将成为主流制造技术的判断。中国工程院战略性新兴产业项目组近年来持续关注增材制造产业发展动态，研讨了面向“十四五”时期及中长期的增材制造产业路线图 [2]。有研究指出，增材制造技术作为面向材料的制造技术，在聚合物、金属、陶瓷、玻璃、复合材料中仍普遍存在打印精度、打印尺度、打印速度难以兼顾的矛盾 [3]；在比较分析国内外增材制造产业的发展概况、宏观策略、典型应用的基础上，探讨了增材制造相关的标准体系、人才培育、行业趋势等 [4]。世界经济论坛等机构联合发布了《增材制造突破：可扩展化与克服关键挑战的操作指南》，认为未来10年3D打印的工业部件将大规模用于生产制造，阐述了新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情防控与增材制造技术应用的关联性。 我国制造业面临着复杂的国际合作形势和激烈的产业竞争态势，高端装备制造产业发展难以避免地受到干扰，前沿技术与工程的自主发展面临潜在挑战；在进行高质量发展转型的过程中，需要坚定实施制造强国战略 [5]。需要注意到，尽管我国制造业对于以增材制造为代表的新制造技术推广应用具有较高的热度，但增材制造技术与产业相比世界先进水平仍有差距；国内多数制造企业还处于接触增材制造技术、开展探索应用阶段，没有达到全面掌握、转化应用、创造增量价值的目标；结合国情开展的增材制造技术规划与产业发展研究也不够深入和充分。针对于此，本文力求全面梳理增材制造技术与产业进展，剖析当前发展存在的问题，突出生物医药与医疗器械、大型高性能复杂构件、空间增材制造、结构创新与新材料发明等重点方向，以期为我国增材制造领域的技术攻关、产业升级、宏观策略等研究提供基础参考。 二、国际增材制造的技术和产业发展情况 （一）国际增材制造技术动态 世界范围内增材制造相关的新工艺、新原理、新材料、新应用不断涌现，4D打印 [6]、空间3D打印 [1,7]、电子3D打印、细胞3D打印 [8]、微纳3D打印 [9]等新概念层出不穷。针对工程塑料、陶瓷、树脂基纤维增强复合材料等的增材制造技术逐渐成熟，适用材料的种类与应用范围有所拓展，典型金属增材制造结构的力学性能趋于稳定甚至部分超过锻件性能（见表1）。高熵非晶合金等新种类合金材料的成分设计、材料基因组设计、多材料功能梯度结构、超材料结构、仿生材料及其结构、具有电磁屏蔽功能的复合材料结构、材料结构功能一体化设计、3D打印纳米结构 [9]、轴向立体光刻打印 [10]、4D 打印智能材料、活体细胞打印、极端环境下的增材制造及应用等创新型、交叉性技术研究进展明显。无支承金属成形、大幅面高能束密集阵列区域化选区熔化金属（或烧结尼龙）成型、金属摩擦沉积制造、混合制造 [11]、多机器人协作的大尺寸结构的增材制造等先进成形工艺获得突破。增材制件长周期服役的显微组织演变规律、人工智能检测成形过程缺陷、机器学习改进材料成分增强综合性能、耐高温合金材料组织 ‒ 性能的热处理调控工艺 [12,13]等前沿基础研究成果丰富。  在企业应用方面，增材制造技术赋予了零部件集成打印、轻量化、高效换热、新材料应用、多材料功能梯度结构设计等创新功能；正在规模化地集成到现有产品的制造流程甚至供应链中，革新传统制造方法并降低制造成本。一些优势制造企业建立了包括基于增材制造技术的创新结构（如拓扑优化、晶状点阵结构、结构功能一体化）设计能力，增材制造成形工艺控制、后处理及质量检测评价等在内的全流程技术体系。以德国弗劳恩霍夫应用研究促进协会为代表的一批研究机构，持续深化增材制造的工业化生产和智能化技术研究。 在标准建设方面，传统制造强国在增材制造技术方面进展较快，较多采用政府部门、高校、科研机构、企业、标准化机构组成标准化联盟，以国防装备、工程化场景应用需求为牵引，注重标准类基础研究的发展模式；以发布增材制造标准建设路线图的形式来推动相关建设，如《增材制造标准化路线图》（美国）《增材制造标准领航行动计划（2020—2022年）》（中国）[14]。美国还发布了《增材制造标准化路线图差距进展报告》，推动解决增材制造标准化的实施问题。截至2022年3月，世界范围内发布、在编、拟编标准超过200项，已发布的标准涉及增材制造技术的术语和定义、数据格式、设计、材料、成形工艺、零件检测、装备产品、人员操作、安全、评估、修理、行业应用等方面；在航空、航天、汽车、焊接、船舶、计量、检测、印刷电路板、消费类3D打印、医疗、安全等领域/ 方向也开展了标准研究与制定 [15]。值得指出的是，增材制造的标准建设仍处于初期阶段，明显滞后于技术自身发展和产业推广需求。 在技术路线图方面，传统制造强国积极研究并发布各自版本。美国国防部发布了《增材制造路线图》（2016年），分为设计、材料、工艺、价值链四方面，面向维修与保障、部署与远征、新部件/系统采办3类应用范围，为实施合作、协调投资提供了基础框架。在欧盟资助下，增材制造行业技能战略联盟发布了《欧洲增材制造技能路线图》（2021年），明确了2030年前的应用需求及技术挑战，从消除增材制造技术差距的角度提出了目标和举措。我国在2019 年发布了面向 2035 年的增材制造路线图研究成果 [16,17]，梳理了中国增材制造技术的中长期发展方向。近期，我国学者综述了增材制造的设计方法、材料、工艺与设备、智能结构、生物结构、极端环境应用进展，认为当前的增材制造技术不能全面满足传统制造业的标准化、规模化生产需求，阐述了未来10年增材制造技术的研究路线图 [18]。 在科技论文与专利方面，近年来国际上与增材制造相关的数量迅猛上升，中国、美国、德国、韩国、日本是增材制造技术研究最为活跃的国家 [19]。将全球增材制造专利申请按照发明人国别、优先权国别进行排序（见图1）可见，美国仍保持了增材制造原创专利产出的重要地位，在增材制造核心技术方面的创新能力较强。 
（二）国际增材制造产业动态 面向未来产业布局，制造强国实施积极的增材制造产业政策。例如，美国着眼于持续增强制造业创新能力和竞争力，通过顶层设计、战略规划来引领增材制造产业发展 [20]；组建国家增材制造创新机构，发布《国防部增材制造路线图》《增材制造标准化路线图》《国防部增材制造战略》等，启动增材制造推进计划“AM Forward”，协调推动增材制造在国防装备、先进制造业中的示范应用并形成产业生态。 国际增材制造产业从起步期转入成长期。随着技术成熟度提升、单位成本降低、产业配套能力增强，增材制造已经逐渐成为工业领域的主流制造方式，以综合效益（如成本、周期、轻量化等）改善促进了下游应用发展。行业领军企业规划了多种增材制造技术发展路线，采取加大资金投入、设立研发中心等形式布局增材制造软硬件及创新网络平台，快速推进商业化应用；超前应对增材制造相关产业的潜在竞争，在专利、标准方面进行布局，力求把握新型制造技术制高点，在民用飞机、发动机、医疗器械等装备制造方面取得创新发展。 国际增材制造产业链不断拓展。航空、航天、航海、能源动力、汽车与轨道交通、电子工业、模具制造、医疗健康、数字创意、建筑等领域的企业和服务厂商不断涌入这一新兴市场。增材制造技术在航空/ 航天发动机制造方面获得广泛应用，如航空发动机燃油喷嘴、传感器外壳、低压涡轮叶片等零件通过了适航认证并批量应用到商用航空发动机，涡轮机部件具备了批生产能力且金属增材制件的成本接近铸造。在汽车行业，增材制造技术应用覆盖原型设计、模具制造、批量化打印零件等。在数控机床产业链中，出现了配套有3D打印头的数控机床和机器人产品，将增材功能模块与减材设备（机床）、等材设备（铸锻焊、热处理）配套，形成各类制造功能的复合化；同时将增材制造装备作为工作母机产业链的一部分进行推广。增材制造在个性医疗器械生产方面应用广泛，如新型3D打印医疗器械产品趋于多样化，从生物假体制造扩展至细胞、组织、器官的打印；还可用于制造医用机器人 [21]。优势企业将增材制造装备、高端机床、智能工业机器人引入生产线，部分实现了混线生产，在生产效率、质量控制、柔性生产等方面提高了市场竞争力。 国际增材制造产业增长态势良好，包括设备、材料、服务在内的综合增长率超过20%，金属增材制造的年复合增长率超过30%；2021年市场规模为152亿美元（同比增长19.5%），其中材料产业规模为26亿美元（同比增长23.4%） [22]。增材制造市场竞争格局相对集中，美国、中国占据着主要市场（前者占比为34.4%，后者占比为10.8%）；预计增材制造装备市场仍将保持快速增长。 也要注意到，受国际形势、COVID-19 疫情、各国政策导向的影响，主要国家之间的高端装备制造业竞争格局正在出现调整；大型装备企业倾向于采用兼并收购、服务增值等方式提升核心竞争力，将促进形成增材制造新产业链格局。跨国企业主导区域内的供应链布局调整，供应链逐渐缩短将成为新趋势；各国应对气候变化、实施碳减排所采取的积极措施，也将推动全球范围内产业链加速重构，呈现产业链趋于完整、供应链多元化、产业分工区域化等趋势。未来15年，制造业各领域原有的供应链体系将被打断并进行重组，考虑到技术成熟带来的单位成本效益、本地打印制造的零件相比全球制造中心提供的零件更具成本效益，增材制造有望改变全球制造产业链的价值结构。因此，未来增材制造产业规模有望进一步扩大。 三、我国增材制造技术开发和产业发展的现状及面临问题 （一）我国增材制造技术进展 我国初步建立了涵盖3D打印材料、工艺、装备技术到重大工程应用的全链条增材制造技术创新体系，相关技术研究涉及从光固化材料的原型制造（产品开发）到大尺寸金属材料的增减材一体化制造（装备应用）的完整环节，包括各类工艺的增材制造装备与增材制造数据处理、各类成形工艺的路径规划软件、模拟增材制造过程物理化学变化的数字仿真软件、数字孪生体建模仿真、空间原位增材制造等。工程应用技术拓展至工业领域的产品装备创新、工业领域高价值部件的再制造修复、重大装备的原位修复与制造等。在医疗领域，生物医疗3D打印成为精准医疗、康复保健研究的前沿技术 [21]，相应产品以面向患者的定制化解决方案，增材制造的康复器具、手术导航以及医疗植入物等为代表，极具应用前景。 “十三五”时期以来，完成了10多类关键部件（如超高速激光熔覆头、电子枪、微滴喷射打印头）的技术攻关和自主生产，体现了核心部件的良好研制进展。开发的光内送粉等20余种规格的激光熔覆喷头，适用于1~20 kW激光直接能量沉积，在电机转子、风机转子等动力部件的增材修复中获得应用。激光加热阴极电子枪、大尺寸数字式动态聚焦扫描系统、在线检测系统等打破了国外公司的技术壁垒，国产3kW六硼化镧单晶阴极电子枪的阴极寿命提升至800h；相关的电子枪及动态聚焦扫描系统配置于国产大幅面阵列式电子束选区熔化装备。 通过持续努力，我国增材制造技术研究在工艺与装备稳定性、精度控制、变形与应力调控等方面取得良好进展，大幅面动态铺粉的旋转粉末床增材制造装备、新一代高性能难加工合金大型复杂构件增减材制造装备等系列产品研制成功并投入应用。目前，增材制造技术在航空、航天、动力、能源领域的高端装备制造方面获得了广泛认可，如采用激光熔覆沉积技术实现了投影面积达到16㎡的飞机发动机承力框、起落架的增材制造，解决了传统方法难以处理的复杂结构、功能集成整体制造难题；采用多丝协同的电弧熔丝增减材工艺装备，实现了10m尺寸级高强铝合金运载火箭连接环样件制造；开发了“融铸锻焊”一体化的创新工艺。此外，工业级颗粒料熔融挤出成型、树脂及陶瓷浆料的光固化成型、金属激光熔融沉积成型 [23]、等离子束/电弧熔丝成型、大幅面激光选区熔化成型、增减材混合制造等装备实现了稳定的工业级应用；金属黏合剂喷射3D打印技术能够改善自身结构力学性能的不足，有望走向低成本、批量化应用。 科研院所、装备制造企业与下游用户组成“产学研”联合体，协同开展大尺寸金属增材制件的成形工艺与装备、检测技术、标准的研制。装备企业积极推动增材制造技术在结构优化设计、材料、装备、工艺、检测评价等环节融入现有制造体系，提升新型号制造保障能力；开展复杂异形构件研制及批产工作，带动成熟的航天动力型号演进升级。以火箭发动机部件的增材制造为示范，掌握了钛合金、高温合金、不锈钢、铝合金、铜合金5类合金共16种牌号材料的应用特性，实现了材料经热处理后5类力学性能指标与同成分锻件水平相当的目标；研究的材料种类覆盖70%以上的常用铸/ 锻件难加工材料，实现了200余种产品的增材制造成形（含通过试车考核的90余种构件、批量交付的30余种构件）。 （二）我国增材制造产业进展 我国形成了国家级、省级、重要行业的增材制造创新中心协同布局，骨干企业率先发展的创新网络与产业生态体系；增材制造产业链的各环节，包括原材料、关键零部件配套、装备研制、共性技术研发平台、应用服务商以及各应用领域，都在快速发展。我国消费级增材制造产业规模全球领先。在高性能金属增材制造原材料及其生产装备方面，基本实现了国产化替代，具有批量化供应和成本竞争优势；核心器件及零部件的国产化进程加速，在国产中低端装备上实现了规模化配套；高性能金属增材制造装备基本突破了规模化、产业化瓶颈，5轴增减材混合制造装备已实现商用。增材制造砂型成为铸造行业转型升级突破口，建成万吨级铸造3D打印制造工厂；实现新型飞机研制过程中的增材制造结构件占比超过3%，建成火箭发动机零组件的智能生产车间。此外，国家药品监督管理局成立了医用增材制造技术医疗器械标准化技术归口单位，围绕增材制造医疗器械软件、设备、原材料、工艺控制等，制定标准和规范，保障产业发展；针对多款增材制造产品批准了医疗器械注册证，医用增材制造产品的临床应用案例超过1×10000个，一批医用增材制造产品（如3D打印可降解支架）进入了动物实验、个例临床试验阶段。 我国增材制造产业规模稳步增长。中国增材制造产业联盟数据表明，2021年我国增材制造产业规模为265亿元，30%的增速超出世界平均水平约10个百分点。增材制造产业链上的大、中、小企业融通发展格局显现，国内增材制造设备供应商积极从跟随状态转向自主创新发展，龙头企业具备了参与国际市场竞争的技术能力。以京津冀地区、长江三角洲（长三角）地区、珠江三角洲（珠三角）地区为核心，中西部地区为纽带的增材制造产业发展的地域空间格局基本形成，区域性产业链集聚优势逐步体现。 为应对国际市场与技术交流的形势变化，促进我国增材制造产业链的健康发展，产业界积极推动增材制造“产学研用”协同发展模式，补齐产业链薄弱环节，突破关键技术瓶颈。增材制造产业链的上、中、下游机构与企业紧密合作：下游的用户从需求出发解决了合适的技术来源，上游的增材制造原材料生产与销售商、中游的增材制造设备与打印产品服务厂商明确了技术开发重点及市场方向。例如，航空、航天、核电、医疗领域的用户，与国内相关企事业单位组成技术攻关联合体，开展增材制件的实验验证与认证工作，实现国产材料、工艺装备在各领域的“能用、敢用、规模化应用”。 未来经济发展的良好预期以及超大规模的内需市场，是我国战略性新兴产业发展的根本动力。“3D打印+”正在向汽车、模具、精准医疗、新能源、再制造等制造业的细分方向、社会生活的多个方面深入发展 [2]。随着增材制造技术成熟度的提升，材料及生产成本的持续下降，增材制造技术的应用范围及产业规模有望进一步拓展，增材制造、减材制造、等材制造将逐渐在制造业价值链上形成“三分天下”格局。 (责任编辑：admin) |