中國增材制造技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

作者：李 禮1,2 戴 煜1,2
本文刊載于《新材料產(chǎn)業(yè)》2018年第8期

自2015年以來，中國陸續(xù)頒布了全面提升中國制造業(yè)發(fā)展質(zhì)量和水平的重大部署文件，其中具有重大意義的當屬增材制造技術。增材制造（“3D打印”）技術是近年來發(fā)展起來的新型制造技術。與傳統(tǒng)“減材”制造過程截然相反，增材制造以三維數(shù)字模型為基礎，將材料通過分層制造、逐層疊加的方式制造三維實體，是集先進制造、智能制造、綠色制造、新材料、精密控制等技術于一體的新技術。增材制造技術從原理上突破了復雜異型構件的技術瓶頸，實現(xiàn)材料微觀組織與宏觀結構的可控成形，從根本上改變了傳統(tǒng)“制造引導設計、制造性優(yōu)先設計、經(jīng)驗設計”的設計理念，真正意義上實現(xiàn)了“設計引導制造、功能性優(yōu)先設計、拓撲優(yōu)化設計”轉變，為全產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新、軍民深度融合、新興產(chǎn)業(yè)和國防事業(yè)的興起與發(fā)展開辟了巨大空間。

根據(jù)近幾年來國內(nèi)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展所取得的成效，本文系統(tǒng)梳理了全國各地增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了其發(fā)展過程中遇見的瓶頸問題，并探討了中國增材制造產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展趨勢。

一、中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀概況
經(jīng)過近三十多年的科技攻關，中國增材制造產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模。據(jù)增材制造權威機構Wohlers Report統(tǒng)計報道，截至2016年底我國增材制造市場規(guī)模逾越80億元，而2011年國內(nèi)增材制造市場規(guī)模僅為10億元。根據(jù)美國國際數(shù)據(jù)集團（IDG）預測，中國未來增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模將維持至少22.3%年復增長率，到2020年中國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模可突破220億元。


1. 發(fā)展增材制造產(chǎn)業(yè)的重要性
（1） 增材制造是助推“ 中國制造2025”的不二選擇

2015年初，我國3部委聯(lián)合發(fā)布《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》，明確將以鈦合金、高溫合金等為代表的增材制造專用粉末，以及以激光選區(qū)熔化（SLM）、激光選區(qū)燒結（SLS）、激光熔融沉積（FDM）等為代表的增材制造專用設備列入重點培育對象，以增材制造新技術搶占新一輪技術變革，加速推動傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展；《中國制造2025》明確將增材制造列入發(fā)展  智能制造裝備和產(chǎn)品、推進制造過程智能化、加快關鍵技術和裝備研發(fā)的重點領域；《工業(yè)強基工程實施指南（2016-2020年）》、國家“十三五”規(guī)劃發(fā)展將增材制造產(chǎn)業(yè)列為重點發(fā)展對象。毫無疑問，增材制造的發(fā)展已經(jīng)上升至國家戰(zhàn)略發(fā)展層面，成為助推中國制造2025的利器之一。

（2）增材制造是推動產(chǎn)業(yè)轉型升級的現(xiàn)實需求

增材制造是產(chǎn)品創(chuàng)新的利器，而傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)能力過剩，產(chǎn)品開發(fā)能力嚴重不足的問題，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。以航空維修產(chǎn)業(yè)為例，國內(nèi)要求老舊件恢復快、無需恢復生產(chǎn)線；新件可維修，無需整體重新加工；材料相容性好，維修后達到新件性能要求；可實現(xiàn)多品種、少批量、零星、快速制造的要求。以武器裝備為例，陸軍裝備部要求型號研制周期由10年縮短至3年，從而使增材技術走向快速制造、快速驗證、加快進度的發(fā)展道路。增材制造技術可滿足零部件快速制造和修復的重大需求，適應現(xiàn)代戰(zhàn)爭“四快”：快速響應、快速制造、快速修復、快速恢復戰(zhàn)斗力的新要求，在各個領域被推廣與應用，廣泛滲入航空航天、燃氣輪機、無人機、武器裝備、生物醫(yī)療、汽車制造、文化教育等領域，將有效帶動上中下全鏈條產(chǎn)業(yè)的興起與發(fā)展，并進一步形成導入增材制造技術的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)集群，成為經(jīng)濟發(fā)展新的增長點。

（3）增材制造是實現(xiàn)創(chuàng)新驅動發(fā)展的重要支撐

增材制造適合應用于生產(chǎn)復雜結構、個性化、多樣化產(chǎn)品的快速制造行業(yè)，可根據(jù)應用需求，采用最優(yōu)化的設計方案來實現(xiàn)最佳的產(chǎn)品功能與經(jīng)濟價值，使設計擺脫傳統(tǒng)技術“可制造性”的約束，給創(chuàng)新設計釋放巨大的空間，為產(chǎn)品設計和制造帶來顛覆性進步。

（4）增材制造是構建全新制造模式的可靠平臺

增材制造帶來集散制造的嶄新模式，可通過網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)隨時隨地生產(chǎn)、個性化訂單、創(chuàng)客設計的模式，乃至資金的集成規(guī)劃與分散實施，這一生產(chǎn)模式有效實現(xiàn)社會資源的最大發(fā)揮，同時從設計到制造、從服務到消費，帶來理念和行為的全方位變化，引發(fā)生產(chǎn)生活新模式。

2. 增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，增材制造技術越來越受到重視，國內(nèi)相關研究不斷推進向廣度和深度。在科學技術部、工業(yè)和信息化部、國家國防科技工業(yè)局等項目支持下，我國在增材制造成形硬件系統(tǒng)、工藝特性和成形件質(zhì)量等方面部分達到或接近國際先進水平，形成了與國外齊頭并進的局面。如采用增材制造技術制備的高性能金屬3D打印構件已在我軍多種型號的先進飛機上得到裝機應用；通過采用激光選區(qū)熔化增材制造技術有效縮短了某型航空發(fā)動機新型空心渦輪葉片的設計周期，一次技術迭代的時間由原來的一年縮短至不到一個月；SLS技術已經(jīng)廣泛應用于汽車領域的缸體、缸蓋等復雜結構件的研發(fā)設計與快速制造；FDM技術替代電鍍，相關成果在再制造領域得到推廣應用；SLS技術應用于生物醫(yī)療領域，并取得2000余例成功臨床案例；在文創(chuàng)教育領域，實現(xiàn)了3D打印定制珠寶首飾，滿足個性化定制需求等。國內(nèi)多家單位陸續(xù)開展了較為深入的研究，依托高�！�企業(yè)深度產(chǎn)學研用合作模式，走出了具有中國特色的“3D打印”之路，如西安交通大學盧秉恒院士團隊——西安增材制造國家研究院有限公司、西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東教授團隊——西安鉑力特增材技術股份有限公司、北京航空航天大學王華明院士團隊——北京煜鼎增材制造研究院有限公司、清華大學顏永年教授團隊——江蘇永年激光成形技術有限公司、華中科技大學史玉升教授團隊——武漢濱湖機電技術產(chǎn)業(yè)有限公司、華南理工大學楊永強教授團隊——廣州市雷佳增材科技有限公司，形成了西安交通大學增材制造國家研究院、北京航空航天大學大型金屬構件增材制造國家工程實驗室、湖南華曙高科高分子復雜結構增材制造國家工程實驗室等一批高水平創(chuàng)新平臺，突破了一批關鍵技術，研制出一批新裝備、新材料、新工藝，并在陜西、北京、江浙、廣東、四川等地形成多個3D打印戰(zhàn)略聯(lián)盟。

二、增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的主要問題
增材制造產(chǎn)業(yè)在國家政策的大力支持下，發(fā)展迅速。在3D打印專用材料及裝備、增材制造工藝及裝備以及增材制造產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)制造相結合協(xié)同發(fā)展方面，國內(nèi)均取得了較大的突破。但是與歐美發(fā)達國家相比，中國增材制造產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展的起步階段，面臨著諸多的問題及挑戰(zhàn)。

1. 關鍵原材料依賴進口
增材制造原料國內(nèi)雖有一定研究基礎，但批次穩(wěn)定性差，應用有限，大部分尚需依賴進口。目前，增材制造專用原料，特別是軍用特種金屬或陶瓷原料全部來自進口。以美國為首的西方國家經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)我國將這些原料用于軍事領域后，馬上聯(lián)合歐洲相關公  司停止了向我國出口高質(zhì)量的增材制造專用原料。國內(nèi)自主開發(fā)的制粉裝備技術落后，價格高昂（上千萬元）、交期長（2年以上），不能滿足3D打印粉體材料的大規(guī)模批產(chǎn)。為了滿足我國增材制造在重大領域的研制與生產(chǎn)任務，國內(nèi)只能以民用的名義進行小批量的采購，采購周期長、途徑不穩(wěn)定，一次采購量受到限制且材料品種單一，未來采購也具有很大隱患，嚴重影響重大領域的型號攻關任務。據(jù)報道，國內(nèi)某航空配套企業(yè)為XX型飛機配套操作桿系統(tǒng)，由于進口粉末受阻導致型號開發(fā)延誤，因此開發(fā)國產(chǎn)自制的球形金屬粉末尤為迫切。開展高質(zhì)量、低成本增材制造專用原料研制才能實現(xiàn)增材制造成形技術關鍵原料的完全自主保障，打破受制于人的局面。

2. 缺乏系統(tǒng)性應用研究
大量關鍵異型構件因受傳統(tǒng)制造工藝、裝配等制約，迫切需要采用增材制造成形技術進行制造。設備方面，國內(nèi)成熟的工業(yè)級激光3D打印裝備，一方面成形尺寸小于800mm，很難滿足大尺寸零件的制造需求；另一方面還存在成形工藝少、成形效率低、應用成本高等問題；工藝方面，增材制造工藝嚴格受到國外“閉源”控制，材料與裝備采取捆綁式銷售的方式；由于增材制造，特別是激光增材制造成形材料及結構的組織、缺陷有其特殊性，常見的氣孔、未熔合、裂紋等缺陷的尺寸僅為微米量級，采用常規(guī)的方法較難檢測；另外，增材制造成形制件的組織特征及缺陷的類型、分布、尺寸等對綜合力學性能影響的研究和評價還缺乏系統(tǒng)性應用研究，這些問題嚴重制約了增材制造成形技術的應用。

3. 缺乏匹配的熱處理技術及裝備
金屬增材制造構件后續(xù)熱處理被重視程度不高，基礎性研究幾乎沒有。關鍵構件能否從根本上得到改性，很大程度上取決于熱處理技術及裝備。國內(nèi)企業(yè)從來都是“重冷輕熱”，在傳統(tǒng)工藝上對熱處理的研究就不夠透徹，更不用說針對增材制造構件設計專用的熱處理制度。國內(nèi)增材制造企業(yè)迫切需要開展關乎組織性能調(diào)控的增材制造后處理制度及設備標準化建設工作，特別是后續(xù)熱等靜壓、開模鍛造等致密化處理以及后續(xù)熱處理工藝，從根本上解決增材制造構件“力學性能達到鑄件水平，而達不到鍛件水平”和“高溫持久性能達到鍛件要求、而達不到鑄件要求”的尷尬局面。


4. 尚未形成全面的行業(yè)標準
繼2002年美國汽車工程師協(xié)會發(fā)布鈦合金標準《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產(chǎn)品》以來，美國已經(jīng)陸續(xù)頒布了幾十項增材制造相關標準。這些標準幾乎涵蓋了粉末、打印工藝以及后處理的增材制造全產(chǎn)業(yè)鏈涉及的范圍。反觀國內(nèi)，關于增材制造工藝過程中構件組織形貌的表征、控制和認證的依據(jù)和標準仍為空白，構件往往只能通過尺寸精度、致密度、力學性能等宏觀因素考察打印效果，缺乏微觀組織的驗證標準。另外，增材制造構件需要進行后續(xù)熱處理改善綜合性能已是行業(yè)共識，而目前所有針對增材制造構件的熱處理制度依舊是沿用傳統(tǒng)鑄件或鍛件標準，根本無法完全適用于增材制造工藝，致使該技術的大范圍推廣應用受到限制，沒有體現(xiàn)該技術的產(chǎn)品優(yōu)勢、技術優(yōu)勢和市場優(yōu)勢。

5. 創(chuàng)新平臺協(xié)同發(fā)展較弱
早在五年前，美國政府組織100余家單位、研究機構聯(lián)合成立了“國家增材制造創(chuàng)新中心”。反觀國內(nèi)，目前尚未建立有效的國家層面的增材制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺。大型企業(yè)、高等院校和科研院所各自為戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)鏈過于集中在中游（打印設備研發(fā)），研發(fā)主體單打獨斗未能形成合力的態(tài)勢，不利于增材制造產(chǎn)業(yè)鏈的整體發(fā)展，亟待整合全國增材制造研發(fā)—生產(chǎn)—應用的產(chǎn)業(yè)鏈資源，實現(xiàn)一體化的規(guī)模發(fā)展。

6. 專業(yè)人才匱乏
目前，國內(nèi)高等院校、職工技校等單位均未設置增材制造專業(yè)與相關學科，僅設立了科普性質(zhì)的“興趣課”或實習。專業(yè)化人才缺乏，科研力量薄弱。人員結構欠合理，綜合性人才的缺乏是影響增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。中國增材制造領域人才總  量不足，高端人才和專業(yè)人才偏少，學歷、技術職稱層次不高，與發(fā)達國家之間存在較大差距。

三、增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢
1. 關鍵原料替代進口
增材制造專用原料是產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展最關鍵的環(huán)節(jié)之一，只有解決了原料問題，增材制造產(chǎn)業(yè)才能健康有序的發(fā)展。著力突破自主可控增材制造專用金屬、非金屬和醫(yī)療專用材料研制、生產(chǎn)和大規(guī)模應用亟需解決的關鍵技術與裝備，重點開發(fā)新型等離子旋轉霧化制粉技術及裝備（N - PREP）、真空氣體霧化制粉技術及裝備（VIGA）和新型溶劑沉淀法等，實現(xiàn)增材制造專用材料整體性能達到國際先進水平，替代進口；完善現(xiàn)有可打印材料的基本性能，評估可用于增材制造工藝的原料范圍，解決目前不可打印原料（如7系鋁合金）的技術難題，實現(xiàn)材料的真正可用性；開發(fā)新的材料及與之適應的增材制造工藝，包括新型復合材料、混合材料、高熔點合金材料、梯度材料、稀貴材料等，盡可能多的實現(xiàn)不同材料的3D打印并建立相關數(shù)據(jù)庫；加快制定增材制造專用原料的行業(yè)規(guī)范及標準；開發(fā)新型綠色環(huán)保材料，尋求新的收集、回收與儲存方式，降低能耗，減少污染。


2. 打印設備打造國際知名品牌
重點瞄準航空航天、燃氣輪機、無人機、武器裝備、生物醫(yī)療、汽車制造、文化教育等關鍵行業(yè)，構建涵蓋SLS、SLM、LCD、SLA等多元化3D打印系統(tǒng)及裝備研發(fā)制造體系，面向多應用領域提供可靠穩(wěn)定的國產(chǎn)自主可控裝備，提高產(chǎn)品成型的速度、效率、精度及表面粗糙度等指標，并且需要開拓新的產(chǎn)業(yè)模式，與傳統(tǒng)的制造工藝相結合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，打造國際知名品牌，占領國際工業(yè)級3D打印裝備行業(yè)制高點。

3. 建立基礎數(shù)據(jù)庫
著力突破計算機輔助設計建模技術、結構拓撲優(yōu)化與3D打印的對接技術、輕量化技術，3D打印逆向工程技術，優(yōu)化并拓撲設計戰(zhàn)斗部異構件整體結構（包括內(nèi)部復雜結構），從而更加節(jié)省材料和降低本身質(zhì)量，提升關鍵構件整體性能；著力突破激光控形控性與后續(xù)熱處理組織調(diào)控關鍵技術，揭示成形工藝條件與構件尺寸精度、性能指標的關聯(lián)規(guī)律，解決構件成形過程中的精度控制、缺陷控制、性能控制等難題，建立材料—設計—工藝—裝備數(shù)據(jù)庫，提升增材制造關鍵部件國產(chǎn)化水平。

4. 完善標準化建設
重點瞄準典型增材制造工藝及相關市場標準，探索建立增材制造產(chǎn)業(yè)標準“領跑者”工作模式，確定需要評價的增材制造標準的主要技術指標內(nèi)容和分類，制定增材制造“領跑者”標準評價方法，開展“領跑者”試點工作，引導市場優(yōu)先選擇基于“領跑者”標準的增材制造產(chǎn)品和服務，逐步形成正向激勵機制，推動形成技術創(chuàng)新—標準研制—產(chǎn)業(yè)升級協(xié)同發(fā)展的正循環(huán)。

5. 推進產(chǎn)業(yè)應用規(guī)模
加快和推進增材制造全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)品的生產(chǎn)和應用規(guī)模，產(chǎn)品基本滿足航空航天、燃氣輪機、無人機、武器裝備、生物醫(yī)療、汽車制造、文化教育等重點領域的使用需求，至2020年，實現(xiàn)3D打印關鍵材料及裝備在航空航天、燃氣輪機、無人機、武器裝備、生物醫(yī)療、汽車制造、文化教育等行業(yè)應用分別逾1億元/ a規(guī)模，產(chǎn)業(yè)市場經(jīng)濟規(guī)模達到百億級。

6. 搭建創(chuàng)新服務平臺
搭建“互聯(lián)網(wǎng)+”增材制造創(chuàng)新服務平臺，整合產(chǎn)業(yè)鏈資源，吸引并開發(fā)優(yōu)質(zhì)客源，以靈活多變的合作方式為全國的重點工業(yè)企業(yè)提供整體增材制造技術解決方案。依托平臺，吸納一批海外優(yōu)勢企業(yè)進駐投資建廠或設立研發(fā)中心，初步形成中國增材制造產(chǎn)業(yè)集群基礎，在國際技術領域和市場上占據(jù)重要地位。

四、結語
總的來看，3D打印發(fā)展迅猛，但實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化仍有較長的路要走。通過國家政策引導與專項支持，形成增材制造領域技術高地：針對工業(yè)、國防軍工與醫(yī)療領域主導需求，開展關鍵技術產(chǎn)學研用聯(lián)合攻關與應用示范，開發(fā)出一系列具有突破意義的增材制造新技術、新裝備、新材料、新工藝、新產(chǎn)品，建立涵蓋全鏈條的增材制造技術體系，在國際范圍內(nèi)形成技術創(chuàng)新高地，引領產(chǎn)業(yè)發(fā)展；通過創(chuàng)新成果轉化與產(chǎn)業(yè)化，快速拉動產(chǎn)業(yè)提升發(fā)展，在新技術示范應用與產(chǎn)業(yè)化的過程中有效集聚整合跨行業(yè)優(yōu)質(zhì)資源，形成全鏈條互動，使增材制造的個性化定制功能真正深入生產(chǎn)生活各個領域，推動增材制造產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展、成熟，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模效益；通過技術、產(chǎn)品和裝備創(chuàng)新，重組生產(chǎn)經(jīng)營鏈條的各個環(huán)節(jié)，建立基于增材制造技術的全新制造與服務平臺，突破傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)加快導入新技術實現(xiàn)轉型升級，并進一步帶動上中下游支撐產(chǎn)業(yè)與新興產(chǎn)業(yè)的融合與發(fā)展，促進形成導入增材制造技術的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)集群，成為經(jīng)濟發(fā)展新的增長點。（DOI：10.19599/j.issn.1008-892x.2018.08.007）