中國增材制造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

中國增材制造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
黨的十九大提出“加快建設(shè)制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)”的發(fā)展戰(zhàn)略。增材制造（又稱“3D打印”）作為其中一項代表性技術(shù)，已納入國家重點發(fā)展領(lǐng)域的規(guī)劃中。通過推動增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，建設(shè)形成以實體經(jīng)濟、科技創(chuàng)新、現(xiàn)代服務(wù)、產(chǎn)業(yè)集群協(xié)同發(fā)展的全產(chǎn)業(yè)鏈體系，進而推動“中國制造”邁向“中國智造”的新高度。本文闡述了中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，并對其發(fā)展瓶頸問題及發(fā)展趨勢進行了分析。

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(shù)。增材制造（“3D打印”）技術(shù)是近年來發(fā)展起來的新型制造技術(shù)。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(chǔ)，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(shù)于一體的新技術(shù)。增材制造技術(shù)從原理上突破了復(fù)雜異型構(gòu)件的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)材料微觀組織與宏觀結(jié)構(gòu)的可控成形，從根本上改變了傳統(tǒng)“制造引導(dǎo)設(shè)計、制造性優(yōu)先設(shè)計、經(jīng)驗設(shè)計”的設(shè)計理念，真正意義上實現(xiàn)了“設(shè)計引導(dǎo)制造、功能性優(yōu)先設(shè)計、拓撲優(yōu)化設(shè)計”轉(zhuǎn)變，為全產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(guān)，中國增材制造產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模。據(jù)增材制造權(quán)威機構(gòu)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(yù)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(fù)增長率，到2020年中國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)?？赏黄?20億元。

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(jié)（SLS）、激光熔融沉積（FDM）等為代表的增材制造專用設(shè)備列入重點培育對象，以增材制造新技術(shù)搶占新一輪技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)和裝備研發(fā)的重點領(lǐng)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(zhuǎn)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(fù)快、無需恢復(fù)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(shù)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(shù)可滿足零部件快速制造和修復(fù)的重大需求，適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭“四快”：快速響應(yīng)、快速制造、快速修復(fù)、快速恢復(fù)戰(zhàn)斗力的新要求，在各個領(lǐng)域被推廣與應(yīng)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(lǐng)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(dǎo)入增材制造技術(shù)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(qū)動發(fā)展的重要支撐

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

（4）增材制造是構(gòu)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(luò)平臺，實現(xiàn)隨時隨地生產(chǎn)、個性化訂單、創(chuàng)客設(shè)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)社會資源的大發(fā)揮，同時從設(shè)計到制造、從服務(wù)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(shù)越來越受到重視，國內(nèi)相關(guān)研究不斷推進向廣度和深度。在科學技術(shù)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(shù)制備的高性能金屬3D打印構(gòu)件已在我軍多種型號的先進飛機上得到裝機應(yīng)用；通過采用激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)有效縮短了某型航空發(fā)動機新型空心渦輪葉片的設(shè)計周期，一次技術(shù)迭代的時間由原來的一年縮短至不到一個月；SLS技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的缸體、缸蓋等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的研發(fā)設(shè)計與快速制造；FDM技術(shù)替代電鍍，相關(guān)成果在再制造領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用；SLS技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)療領(lǐng)域，并取得2000余例成功臨床案例；在文創(chuàng)教育領(lǐng)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?！髽I(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(shù)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(shù)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(shù)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(gòu)件增材制造國家工程實驗室、湖南華曙高科高分子復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)，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(jié)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(guān)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(chǔ)，但批次穩(wěn)定性差，應(yīng)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(lǐng)域后，馬上聯(lián)合歐洲相關(guān)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(shù)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(lǐng)域的研制與生產(chǎn)任務(wù)，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(lǐng)域的型號攻關(guān)任務(wù)。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(dǎo)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(shù)關(guān)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(yīng)用研究

大量關(guān)鍵異型構(gòu)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(shù)進行制造。設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(yīng)用研究，這些問題嚴重制約了增材制造成形技術(shù)的應(yīng)用。

3. 缺乏匹配的熱處理技術(shù)及裝備

金屬增材制造構(gòu)件后續(xù)熱處理被重視程度不高，基礎(chǔ)性研究幾乎沒有。關(guān)鍵構(gòu)件能否從根本上得到改性，很大程度上取決于熱處理技術(shù)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(gòu)件設(shè)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(guān)乎組織性能調(diào)控的增材制造后處理制度及設(shè)備標準化建設(shè)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(gòu)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(guān)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(guān)于增材制造工藝過程中構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(gòu)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(shù)的大范圍推廣應(yīng)用受到限制，沒有體現(xiàn)該技術(shù)的產(chǎn)品優(yōu)勢、技術(shù)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(gòu)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(shè)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(yīng)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(shè)置增材制造專業(yè)與相關(guān)學科，僅設(shè)立了科普性質(zhì)的“興趣課”或?qū)嵙?。專業(yè)化人才缺乏，科研力量薄弱。人員結(jié)構(gòu)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(lǐng)域人才總  量不足，高端人才和專業(yè)人才偏少，學歷、技術(shù)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(guān)鍵原料替代進口

增材制造專用原料是產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展關(guān)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(yīng)用亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)與裝備，重點開發(fā)新型等離子旋轉(zhuǎn)霧化制粉技術(shù)及裝備（N - PREP）、真空氣體霧化制粉技術(shù)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(shù)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(yīng)的增材制造工藝，包括新型復(fù)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(guān)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(shè)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(guān)鍵行業(yè)，構(gòu)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(yīng)用領(lǐng)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(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，打造國際知名品牌，占領(lǐng)國際工業(yè)級3D打印裝備行業(yè)制高點。

3. 建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

著力突破計算機輔助設(shè)計建模技術(shù)、結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化與3D打印的對接技術(shù)、輕量化技術(shù)，3D打印逆向工程技術(shù)，優(yōu)化并拓撲設(shè)計戰(zhàn)斗部異構(gòu)件整體結(jié)構(gòu)（包括內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)），從而更加節(jié)省材料和降低本身質(zhì)量，提升關(guān)鍵構(gòu)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(guān)鍵技術(shù)，揭示成形工藝條件與構(gòu)件尺寸精度、性能指標的關(guān)聯(lián)規(guī)律，解決構(gòu)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(shè)計—工藝—裝備數(shù)據(jù)庫，提升增材制造關(guān)鍵部件國產(chǎn)化水平。

4. 完善標準化建設(shè)

重點瞄準典型增材制造工藝及相關(guān)市場標準，探索建立增材制造產(chǎn)業(yè)標準“領(lǐng)跑者”工作模式，確定需要評價的增材制造標準的主要技術(shù)指標內(nèi)容和分類，制定增材制造“領(lǐng)跑者”標準評價方法，開展“領(lǐng)跑者”試點工作，引導(dǎo)市場優(yōu)先選擇基于“領(lǐng)跑者”標準的增材制造產(chǎn)品和服務(wù)，逐步形成正向激勵機制，推動形成技術(shù)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(yīng)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(yīng)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(lǐng)域的使用需求，至2020年，實現(xiàn)3D打印關(guān)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(yīng)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(wù)平臺

搭建“互聯(lián)網(wǎng)+”增材制造創(chuàng)新服務(wù)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(shù)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(shè)立研發(fā)中心，初步形成中國增材制造產(chǎn)業(yè)集群基礎(chǔ)，在國際技術(shù)領(lǐng)域和市場上占據(jù)重要地位。

四、結(jié)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(dǎo)與專項支持，形成增材制造領(lǐng)域技術(shù)高地：針對工業(yè)、國防軍工與醫(yī)療領(lǐng)域主導(dǎo)需求，開展關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)學研用聯(lián)合攻關(guān)與應(yīng)用示范，開發(fā)出一系列具有突破意義的增材制造新技術(shù)、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(shù)體系，在國際范圍內(nèi)形成技術(shù)創(chuàng)新高地，引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展；通過創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化，快速拉動產(chǎn)業(yè)提升發(fā)展，在新技術(shù)示范應(yīng)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(lǐng)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(shù)、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(shù)的全新制造與服務(wù)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(dǎo)入新技術(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(dǎo)入增材制造技術(shù)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。