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    增材制造产业发展现状及趋势

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    摘要:习近平总书记在党的十九大报告提出:“加快建设制造强国,加快发展先进制造业”。坚持以供给侧结构性改革为主线实施《中国制造2025》战略,是党中央立足全局、面向未来的重大战略抉择。通过发展增材制造产业,建设形成以实体经济、科技创新、现代服务、产业集群协同发展的产业体系,推动“中国制造”向“中国智造”转变。本文介绍了中国增材制造产业发展的现状,并对存在的问题和发展趋势进行分析。

    关键词:增材制造;产业现状;发展趋势;3D打印

    进入21世纪以来,如何提升制造业生产力已成为全球瞩目的焦点。中国立足于国际产业变革大势,提出了《中国制造2025》,做出了全面提升中国制造业发展质量和水平的重大战略部署,其中具有跨越性意义的当属增材制造(AdditiveManufacturing,AM)技术。增材制造技术是通过计算机软件设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除(切削加工)技术,是一种“自下而上”材料累加的制造方法。自20世纪80年代末增材制造技术逐步发展,期间也被称为“材料累加制造”“快速原型”“分层制造”“实体自由制造”“3D打印技术”。名称各异的叫法,分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。

    1中国增材制造产业发展概述

    中国增材制造产业经过近三十年发展,产业化步伐明显加快,科技创新成果显著增加,关键技术、装备性能不断提升,涌现出一批具有一定竞争力的骨干企业,应用领域日益拓展,形成了若干产业集聚区,生态体系初步形成。据中国增材制造产业联盟统计,2016年中国增材制造产业规模已达80亿元。根据美国国际数据集团(IDG)预测的22.3%的产业规模增长率估算,2017年中国增材制造产业规??赏黄?00亿。

    1.1科技成果显著增加

    过去的30年,中国在增材制造技术研发上投入了巨大的力量。中国在多项科研计划中对增材制造技术进行了持续性支持,建成了华中科技大学材料成型与模具技术国家重点实验室、西安交通大学快速制造国家工程研究中心,形成了初步研发基础。其中西安交通大学卢秉恒院士团队利用光固化成型方法制作飞机风洞模型,促进了飞机创新设计与开发;北京航空航天大学王华明院士团队和西北工业大学研究团队利用激光烧结成型技术制造出飞机大型结构件;华中科技大学研究团队利用选择性激光烧结技术在玉柴、东风汽车等公司的发动机钢铁缸盖等复杂铸件蜡模和砂型快速制造中进行了应用,提升了企业发动机的自主研发能力。在中国增材制造科技成果不断形成的同时,涌现出一批高水平的研发团队和学术带头人。如西安交通大学卢秉恒、北京航空航天大学王华明、清华大学颜永年、华中科技大学史玉升、西北工业大学黄卫东、中科院化学所徐坚、中科院福建物质结构研究所林文雄、华南理工大学杨永强。此外,大连理工大学、南京航空航天大学、中北大学以及中科院深圳先进研究院、自动化所等科研机构在设备研制、软件开发、产品制造和材料研发等领域开展了一系列创新性的研究,取得了可喜的成果。1.2产业发展初具规模据中国增材制造产业联盟统计,2016年中国增材制造产业规模达80亿元,产业规模实现较快增长,形成了以杭州先临三维、西安铂力特为代表的装备制造商,以湖南华曙、北京鑫精合为代表的增材制造行业解决方案提供商,以青岛三迪时空、北京南极熊等为代表的信息平台服务商。产业覆盖三维数据建模与软件、3D打印设备、耗材和应用服务等,基本构建起3D打印完整产业链。据统计,2016年,广东省从事增材制造业务的企业超过400家,实现产值近37亿元。陕西省增材制造产业规模超过10亿元。北京市从事增材制造技术研发、生产与服务的企业达70家以上,实现销售收入约5亿元。

    1.3产业资源逐步集聚

    中国增材制造产业以高新技术产业园区为核心,逐步形成产业资源的集聚与整合。其中渭南高新技术产业开发区(简称“渭南高新区”),渭南高新区3D打印产业培育基地先后与西安交大、西工大、中国钢研院等20所高??蒲械ノ唤⒊て诤献鞴叵?,引进卢秉恒院士、李涤尘教授、黄卫东教授等11个3D打印团队,孵化了陕西增材院、陕西智拓、陕西聚高等59户企业,累计实现产值9.6亿元,申报专利580项,授权292项,省级以上科技成果立项37项,引进博士以上高层次人才100余人,产业化工作目前处在国内第一梯队,2016年实现营业收入5.2亿元。安徽春谷3D打印智能装备产业园聚集中科院上海光机所、中国科学技术大学和华中科技大学等高校院所以及优质3D打印企业的科技团队力量,成立了安徽春谷3D打印智能装备产业技术研究院,并设立了3D打印产业发展基金,推动政产学研用深度合作、协同创新,促进产业共性技术研发突破。目前,园区已入驻3D打印企业30多家,成为华东地区最大3D打印产业集群。预计2020年,将实现产值50~80亿元,建成全国一流的3D打印产业集聚基地。

    1.4应用领域不断拓展

    在国内,针对材料、工艺和设备的研究成果部分已实现产业化,增材制造应用服务涉及航空航天、汽车、船舶、再制造、生物医疗、文创教育等多个领域。在航空航天领域,西安铂力特激光成形技术有限公司针对航空航天极端复杂的精密构件加工制造问题,利用选择性激光熔化(SLM)技术,解决了随形内流道、复杂薄壁、镂空减重、复杂内腔、多部件集成等复杂结构问题,每年可为航空航天领域提供复杂精密结构件8000余件。在汽车领域,安徽恒利增材制造科技有限公司利用选择性激光烧结(SLS)技术和石膏型真空增压铸造技术融合,制造实现一体化制造双金属复合发动机缸体,改变传统开模具和组砂型铸造的模式,替代进口,已经成功应用在奇瑞汽车、东风汽车、广汽等企业。在船舶领域,上海电气集团公司依托“3D打印燃气轮机轴向旋流器工业化应用探索”项目,可协助完成重型燃气轮机关键零部件的原型设计与优化,利用金属3D打印部件装机,可部分替代传统铸锻零件。在再制造领域,机械科学研究总院先进制造技术研究中心与德国弗朗霍夫激光技术研究所合作,引入国内首台激光高速熔覆修复系统,应用自制高性能微细金属粉末,可实现修复速度最快达200m/min,是目前最快速度的40-50倍,可替代电镀,相关成果在北煤机、郑煤机、平煤机等企业推广。在生物医疗领域,湖南华曙高科技公司利用选择性激光烧结技术,借助CT扫描“打印”出骨折部位的术前模型,使得手术更精确,手术时间可节约三分之一以上,已在湘雅医院、长沙市三医院有了2000余例成功临床病例。在文创教育领域,青岛智生三维制造公司与珠宝厂商施华洛世奇合作,实现3D打印定制珠宝首饰,极大降低了成本,满足了个性化需求。

    2中国增材制造产业发展面临的主要问题

    增材制造产业在国家的大力支持下,发展迅速。无论是增材制造工艺和设备,还是新型材料的研发以及与传统制造相结合协同发展,国内均有研究并且取得重大突破。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初级阶段,增材制造技术相对传统制造技术还面临许多新挑战和新问题。

    2.1产业化有待加强

    中国增材制造技术目前主要应用于产品研发过程,还存在使用成本高、制造效率低、制造精度尚不令人满意等问题。增材制造技术的应用水平相对落后,仍处于产业发展的初始阶段,工艺与装备研发尚不充分,有待与传统制造业结合,进一步探索。目前多数增材制造技术还停留在高校及科研机构的实验室内,增材制造产业的核心在于重点材料的研发和生产,材料性能决定产品力学性、稳定性和生物相容性等其他特殊性质。中国对重点材料,尤其是金属、光固化等材料的研发和生产能力有待加强。

    2.2产业规模相对较小

    据数据统计,2016年,中国智能制造产业产值规模达12000亿元,增材制造产业规模为80亿元,虽然增材制造产业规模逐年实现较快增长,但增材制造仅占智能制造产业的6‰,与传统制造业相比相差甚远。目前增材制造企业规模普遍较小,产业应用只是传统大批量制造技术的一个补充。对于增材制造技术仍需要加强研发,产业培育,继续扩大产业规模。

    2.3创新平台建设缺失

    2012年,由美国政府主导,国防部制造和装备中心牵头,组织企业、研究机构和地方政府等100家单位联合成立“国家增材制造创新中心”。中国目前尚未建立起有效的国家层面的增材制造产业创新平台,高等院校、科研机构和企业各自为战,合作研究的动力不足,产学研用密切结合的研发及产业化推进机制尚未有效形成,大力发展精准服务于增材制造的现代服务业,对于提高增材制造产业附加值和竞争力具有重要意义。2.4产业园区协同发展较弱中国增材制造产业还未形成合理的产业生态系统,没有形成高水平的国家新型工业化示范基地,特色突出、区域联动、错位竞争的制造业发展新格局还未形成。虽然国内有渭南高新区3D打印产业培育基地和安徽春谷3D打印智能装备产业园,但是产业规模较小,2016年渭南高新区的产值仅为5.2亿元,安徽春谷还处于建设期。

    2.5尚未形成

    行业标准增材制造行业标准的缺失是世界范围的问题,行业标准的缺乏导致了行业畸形扩张、恶性竞争等不良现象出现,这一点在国内尤为明显。中国经过30年的产业发展,应积极推动优秀企业参与国际国内行业标准的制定,更好地规范行业发展。

    3中国增材制造产业发展趋势

    3.1营造了良好的政策环境

    中国高度重视增材制造产业发展,《中国制造2025》指出要加快增材制造技术和装备的研发、应用,建设增材制造创新中心。在《中国制造2025》“1+X”规划体系中,有8个规划提及增材制造,被列为研发、产业化和应用重点。2017年12月13日,工业和信息化部、发展改革委、教育部、公安部、财政部、商务部、文化部、卫生计生委、海关总署、质检总局、知识产权局等十二部门联合发布了《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》?!缎卸苹分赋?,到2020年,增材制造产业年销售收入超过200亿元,年均增速在30%以上。关键核心技术达到国际同步发展水平,工艺装备基本满足行业应用需求,生态体系建设显著完善,在部分领域实现规?;τ?,国际发展能力明显提升。重点任务方面,《行动计划》提出提高创新能力、提升供给质量、推进示范应用、培育龙头企业、完善支撑体系等五大任务。此外,北京市、陕西省、辽宁省、福建省、湖北省、黑龙江省等地也纷纷出台促进产业发展的相关意见,指导本地产业发展。

    3.2经济发展前景可观

    据WohlersAssociates(2017)统计,1988-2015年的27年中,全球增材制造产业的年复合增长率为26.2%,其中,2012-2014年的复合年增长率高达33.8%,2016年全球增材制造的市场规模超过70亿美元,2018年将达到125亿美元。按照产业生命周期理论,预计未来10年,全球增材制造产业仍将处于高速增长期,发展潜力巨大,至2020年全球产值将达1100亿美元。麦肯锡预测,到2025年全球增材制造产业可能产生高达2000-5000亿美元经济效益。

    3.3社会组织共同促进

    随着中国增材制造产业发展,各种产业服务支撑体系逐步完善。2016年4月成立了全国增材制造标准化技术委员会;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。2016年10月中国增材制造产业联盟成立,将有利于把政府与产业界、顶层设计与企业实践紧密结合起来,协同推动增材制造材料、工艺装备、关键部件等产业链条的研发及产业化,推进增材制造在重点行业的创新应用,是落实《推进计划》、推动制造强国建设和产业转型升级的一项重要措施。2016年12月国家批准筹建国家增材制造创新中心和国家增材制造质量监督检验中心。随着各种产业服务机构的建立,中国增材制造产业的发展也将进入快车道。

    3.4技术应用更加广泛

    在材料方面,优势材料生产企业从事增材制造专用材料研发和生产,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。在工艺技术方面,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。在制造装备及核心器件方面,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。在应用示范成熟技术产品方面,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。

    4结语与政策建议

    习近平总书记在党的十九大报告提出:“中国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段,正处在转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力的攻关期,建设现代化经济体系是跨越关口的迫切要求和中国发展的战略目标。必须坚持质量第一、效益优先,以供给侧结构性改革为主线,推动经济发展质量变革、效率变革、动力变革,提高全要素生产率,着力加快建设实体经济、科技创新、现代金融、人力资源协同发展的产业体系,着力构建市场机制有效、微观主体有活力、宏观调控有度的经济体制,不断增强中国经济创新力和竞争力”。这是党中央立足全局、面向未来的重大战略抉择,大力实施《中国制造2025》,发展创新驱动引擎,建设形成实体经济、科技创新、现代服务、产业集群协同发展的产业体系,推动“中国制造”向“中国智造”转变。

    4.1加强产学研用结合,培育壮大

    新兴产业新兴产业是经济体系最有活力、最具增长潜力的部分。增材制造作为新兴产业代表,加大产业服务力度,形成新兴产业资源整合体系,加强产学研用结合,加快关键共性技术创新发展。按照《中国制造2025》的总体部署,建立国家增材制造创新服务中心,再培育出一批战略新兴产业服务机构,由高校、科研院所和骨干企业组成,分别为金属增材制造、非金属增材制造搭建共性技术创新与产业化应用平台,建立产学研用密切结合的协同机制,形成完整的材料、装备、工艺、检测、应用体系。促进新兴产业科技成果转移转化,形成新产业、新模式、新业态的健康成长。

    4.2供给侧集中发力,优化传统产业升级

    传统产业是稳定经济增长、改善民生福祉的主体力量,通过引进新技术、新管理、新模式,使之焕发巨大生机和活力。加大对增材制造专用材料、装备及关键部件等重点领域攻关的支持力度??萍即葱鲁晒?,优化传统产业升级,推动传统制造业转型升级。要在国家供给侧中集中发力,打造出一批制造业创新服务中心,优化传统产业的转型升级。4.3现代服务协同发展,营造创新发展生态现代服务业是实体经济和制造业发展的重要支撑,具有专业性强、创新活跃、产业融化度高等特点,对于提产业附加值和竞争力具有重要意义。大力发展增材制造产业专业化现代服务业,加强增材制造技术价值评估交易、项目孵化、科技金融、政策研究等专业化科技服务。依托集聚的现代服务业资源,开展增材制造产业公共服务平台工作,营造创新发展的生态体系。

    4.4打造增材制造产业集群,推进产业融通发展培育

    一批专注增材制造领域的产业聚集区,打造高水平的国家新型工业化示范基地,形成因地制宜、特色突出、区域联动、错位竞争的产业发展新格局。发挥中国增材制造产业联盟的作用,联合政府和行业资源,开展分领域的技术、产业、应用领域的研讨会和对接会,搭建产业与政府、产业链上下游的对接通道,推动产业合作,加强生产企业和用户需求对接,加快技术的推广应用。引导和促进社会力量及地方政府的投入,共同推进增材制造技术的深度应用,促进中国增材制造产业持续快速发展。

    参考文献

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    作者:王强;姜明伟;郭书贵 单位:中国技术交易所有限公司

    增材制造产业发展现状及趋势责任编辑:张雨    阅读:人次