搜索
增材制造发展现状及未来趋势2020年3月目录Contents1国内外发展现状及差距2未来主要发展趋势3拟解决的技术难题目录Contents1国内外发展现状及差距2未来主要发展趋势3拟解决的技术难题▪增材制造（additivemanufactering，ＡＭ）技术(也称为3d打印技术)是20世纪80年代后期发展起来的新型制造技术。1.1国外发展现状▪目前，增材制造成形材料包含了金属、非金属、复合材料、生物材料甚至是生命材料，成形工艺能量源包括激光、电子束、特殊波长光源、电弧以及以上能量源的组合，成形尺寸从微纳米元器件到10ｍ以上大型航空结构件，为现代制造业的发展以及传统制造业的转型升级提供了巨大契机。▪2018年，全球增材制造产业产值达到97.95亿美元，较2017年增加24.59亿美元，同比增长33.5%。全球工业级增材制造装备的销量近20000台，同比增长17.8％。▪欧盟“地平线2020”：计划7年内（2014-2020）投资800亿欧元，其中选择10个增材制造项目，总投资2300万欧元。▪2019年，德国《国家工业战略2030》草案中，将增材制造列为十个工业领域“关键工业部门”之一。▪2014年日本发布的《日本制造业白皮书》中，将机器人、下一代清洁能源汽车、再生医疗以及3D打印技术作为重点发展领域。▪2016年，日本将3D打印器官模型的费用纳入保险支付范围。1.1国外发展现状▪以美国GE公司（通用电气公司）为代表的航空应用企业开始采用增材制造技术批量化生产飞机发动机配件，尝试整机制造，并计划2021年启用一万台金属打印机，显示了增材制造技术的颠覆性意义。1.1国外发展现状GE新3D打印技术中心金属3D打印飞机部件▪生物材料3D打印技术的发展更与医疗领域密切相关。在悉尼PrinceofWales医院的神经外科医生们成功将一位癌症病人颈部被癌细胞占据的两节颈椎取下，代之以3D打印的人工骨，属世界首次。通过3D打印技术来修复骨骼、关节、器官的前景已经不再遥远。1.1国外发展现状3D打印人体器官概念图3D打印心脏模型▪总的来说，经过近４０年的发展，增材制造技术面向航空航天、轨道交通、新能源、新材料、医疗仪器等战略新兴产业领域已经展示了重大价值和广阔的应用前景，是先进制造的重要发展方向，是智能制造不可分割的重要组成部分。▪增材制造技术是满足国家重大需求、支撑国民经济发展的“国之重器”，已成为世界先进制造领域发展最快、技术研究最活跃、关注度最高的学科方向之一。1.1国外发展现状▪在我国，增材制造在相关国家科技计划的持续支持下，已为航空航天、动力能源领域高端装备的飞跃发展和品质提升作出了重要贡献。▪目前我国已初步建立了涵盖3D打印金属材料、工艺、装备技术到重大工程型号应用的全链条增材制造的技术创新体系，整体技术达到国际先进水平，并在部分领域处于国际领先水平。1.2国内发展现状▪我国增材制造产业仍处于快速发展阶段，产业规模逐步增长。▪2018年，中国增材制造产业产值约为130亿元，相较于2017年的100亿元，同比增长30％。▪根据中国增材制造产业联盟对40家重点联系企业的统计结果显示，2018年，这些企业的总产值达40.63亿元，比2017年的32.83亿元增加7.8亿元，同比增长23.8％。▪2018年，中国增材制造装备保有量占全球装备保有量的10.6％，仅次于美国（35.3％），位居全球第二。1.2国内发展现状▪增材制造技术应用已从简单的概念模型、功能型原型制作向功能部件直接制造方向发展，各领域应用持续拓展，尤其在航空、航天、医疗等领域的应用更为深入。▪2018年发射的嫦娥四号中继卫星搭载了多个采用增材制造技术研制的复杂形状铝合金结构件。1.2国内发展现状▪1.2国内发展现状激光熔覆沉积技术▪在医疗领域，目前已有5个3D打印医疗器械获得中国食品药品监督管理总局（CFDA）批准上市，尤其是2019年初，第二类医疗器械定制式增材制造膝关节矫形器获批上市，标志着CFDA认证的增材制造医疗器械正从标准化走向个性化。▪在消费领域，先临三维科技股份有限公司量产3D打印鞋的数量已超过一万双，显示了3D打印技术在制鞋行业中的应用前景。1.2国内发展现状▪与欧洲、美国、日本等发达地区和国家相比，我国在基础理论、关键工艺技术以及高端装备等方面仍存在较大的差距。▪在高端增材制造装备商业化销售市场，美国和德国还占据着绝对优势；我国高端增材制造装备的核心元器件和商用软件还依赖进口；系统级创新设计引领的规模化工业应用还主要在美欧国家。▪欧美日等发达地区和国家借助资金、人才、技术和市场的优势，在增材制造与激光制造基础理论、核心器件、工艺和装备、产业应用等方面均处于领跑水平。1.3国内外差距目录Contents1国内外发展现状及差距2未来主要发展趋势3拟解决的技术难题▪近年来，我国相继发布《中国制造2025》《国家增材制造产业发展行动计划(2015~2016年)》，以及2017年增材制造重点专项，为我国增材制造产业发展指明了方向。2未来主要发展趋势（1）研发生产增材制造专用材料▪依托高校、科研机构开展增材制造专用材料特性研究与设计，鼓励优势材料生产企业从事增材制造专用材料研发和生产，突破一批增材制造专用材料。▪针对金属增材制造专用材料，优化粉末大小、形状和化学性质等材料特性，开发满足增材制造发展需要的金属材料。▪针对非金属增材制造专用材料，提高现有材料在耐高温、高强度等方面的性能，降低材料成本。2未来主要发展趋势（2）提高增材制造工艺技术▪开发数字模型、专用工艺软件及控制软件，支持企业研发增材制造所需的建模、设计、仿真等软件工具，在三维图像扫描、计算机辅助设计等领域实现突破。▪解决金属构件成形中高效、热应力控制及变形开裂预防、组织性能调控，以及非金属材料成形技术中温度场控制、变形控制、材料组份控制等工艺难题。2未来主要发展趋势（3）研制增材制造装备及核心器件▪依托优势企业，加强增材制造专用材料、工艺技术与装备的结合，研制推广使用一批具有自主知识产权的增材制造装备，不断提高金属材料增材制造装备的效率、精度、可靠性，以及非金属材料增材制造装备的高工况温度和工艺稳定性。（4）建立和完善产业标准体系▪研究制订增材制造工艺、装备、材料、数据接口、产品质量控制与性能评价等行业及国家标准，开展质量技术评价和第三方检测认证，促进增材制造技术的推广应用。2未来主要发展趋势（5）应用示范成熟技术产品▪依托国家重大工程建设，着重解决金属材料增材制造在航空航天领域应用问题，在具备条件的情况下，在国防军工其他领域予以扩展。▪在技术相对成熟的产品设计开发领域，发展增材制造服务中心和展示中心，通过为用户提供快速原型和模具开发等方式，促进增材制造的推广应用。2未来主要发展趋势目录Contents1国内外发展现状及差距2未来主要发展趋势3拟解决的技术难题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式Page.22Page.22（1）原材料制备技术▪现阶段，除了SLA工艺所用原材料为液态的光敏树脂，其余工艺大都采用丝材和粉末材料，尤以粉末材料居多。▪常用的光敏树脂主要成分为丙烯酸树脂，光敏树脂的黏度略高，一次固化程度不足，还有一定的毒害性，这些都是需要改进的地方。▪在粉末材料方面，颗粒形状和粒度分布都有严格要求，金属粉末成分中的含氧量和含碳量也会对成形件性能产生很大影响。3拟解决的技术难题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式Page.23Page.23（2）材料成形控制技术▪金属材料的成形是一个快速熔化和凝固的过程，过程中熔区的温度梯度很大，已成形部分存在较大热应力，随时可能出现孔洞、缝隙和开裂的现象。所以，如何控制成形过程中温度的分布是金属材料增材制造的一大关键技术。3拟解决的技术难题市面上主流的增材制造成型技术单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式Page.24Page.24（3）高效制造技术▪要做到成形件的大尺寸和高精度两者兼得并非容易。▪目前，市场上的铺粉设备工作平台一般都不大，主要原因在于光束经过振镜后只能精确控制在一定区域内形成能量密度均匀分布的光斑，所以如何提升光学部件的精度或实现多光束同步控制是一个发展方向。▪此外，增材制造与一般的涂层技术有所区别，它是在涂层上面再添加涂层，可称之为“再涂层技术”。每一层的厚度、平整度以及层与层间的结合程度都直接影响成形件的稳定性和精度，这些都需要通过调整设备和工艺参数来完善。3拟解决的技术难题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式Page.25Page.25（4）支撑技术▪因为重力场的存在，一些形状复杂的成形件需要支撑结构，支撑部分在后期处理中需要去除，所以如何设计是一门学问。▪通常是在保证成形件制造过程中不失效的前提下，采用的支撑材料越少越好，例如设计成多孔结构。在金属材料增材制造技术中，支撑部分还会影响到整个部件的内应力分布，设计不当可能会发生成形件翘曲变形的现象。3拟解决的技术难题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式Page.26Page.26（5）软件编程技术▪个性化定制是增材制造技术的一大特点，但要用到工业生产，仍然需要考虑生产质量的稳定性。▪在前已述及的硬件条件外，另一核心技术就是软件编程。国外的一些设备都会附有部分材料的工艺参数包，基本不需要任何编程，可以保证成形过程的稳定性，国内设备在这方面还有待提高。▪其它的研究工作主要是如何依靠软件技术来实现任意结构任意材料的预成形模拟，从而提升关键零部件的制造成功率。3拟解决的技术难题单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式Page.27Page.27目前在这些关键技术中，主要还存在如下技术瓶颈有待解决和突破。▪成形材料主要依赖设备制造厂供应，适用的成形材料范围有限，受制于设备厂商，难以满足市场需求。▪成形材料的局限性导致难以成形真实可用的功能构件，从而使成形设备难以成为生产机械，市场需求量小。成形材料类型有待进一步拓宽，尤其国产材料需加快开发。▪成形件的尺寸精度和表面品质与CNC、机加工相比存在明显差距。▪快速成形机的制造成本和成形用的耗材成本居高不下，推广应用大打折扣。增材制造中关键技术的发展能够进一步节省零件的制造时间和生产成本，必将带动增材制造技术在各行各业中的全面应用。3拟解决的技术难题谢谢！