增材製造國內外產業及科研發展趨勢深度分析

增材製造國內外產業及科研發展趨勢深度分析

增材製造(通常又稱 3D 打印),是以三維模型數據為基礎,通過材料堆積的方式製造零件或實物的工藝(GB/T 35351-2017,2.2.1),被《“十三五”國家科技創新規劃》列為重要的顛覆性技術之一,在航空、航天、醫療、兵器、船舶、核工業、汽車、軌道交通、家電、模具、文化創意等領域展現出非常廣闊的應用前景。據增材製造(AM)市場的領先行業分析公司 SmarTech Analysis 發佈的數據顯示,2018年全球增材製造市場價值達到了93億美元。

在增材製造技術與裝備方面,歐洲、美國等工業發達國家和地區一直引領著全球增材製造技術與裝備的研究與發展,無論是在原始創新力、市場競爭力還是工業領域的應用方面,均處於全球領先地位。日本、韓國、新加坡和澳大利亞等國也在積極推動增材製造技術與裝備的研究與開發,但尚未形成一定規模。與前幾年相比,2018年全球企業呈現出了更加激烈的競爭局勢。

我國3D打印的研究起步於20世紀90年代,最早由清華大學顏永年團隊、北京航空航天大學王華明團隊、西安交通大學盧秉恆院士團隊、華中科技大學史玉升研究團隊及西北工業大學黃衛東團隊等為代表,

開展了一系列重要科研和產業化推進工作,取得了一系列成果,奠定了發展基礎。2002 年大連理工大學姚山教授提出了輪廓失效3D打印方法(Profile Invalidation Rapid Prototying,簡稱PIRP 法),解決了設備大型化與製件成本、效率、精度上的矛盾,並於 2013 年將3D打印機加工面積擴展至 1.8m×1.8m[9]。此外,華中科技大學史玉升團隊在2010年時,也研製出了加工面積為1.2m×1.2m的3D打印機。2013年,華中科技大學張海鷗教授提出了熔融沉積-連續軋製複合直接製造金屬零件的方法,有效提高了製造精度、效率、成形件組織性能。

近兩年我國在3D打印領域,取得一定進展,其中在3D打印熱固性材料領域取得重要進展。3D打印技術方面,微納增材製造技術、液態金屬懸浮3D打印技術、“直寫式”3D 微打印技術等方面取得突破。2018年11月,北京AFS隆源自動成型系統有限公司聯合北京科技大學成功開發梯度材料金屬鋪粉3D打印設備 AFS-M120X。

在增材製造材料方面,增材製造材料目前的發展前沿仍主要集中在歐美地區,伴隨著增材製造技術的迅猛發展,材料體系也日趨豐富,產品性能不斷優化,在航空、航天、生物醫療、汽車和工業等領域逐步得到推廣和規模化產業應用。

我國和日本、印度等其它國家也在增材製造材料領域積極佈局,處於跟跑階段。我國增材製造研究起步僅比歐美晚3至5年,近年來發展非常迅速。然而材料作為發展的必要物質基礎和保障,其產業化在我國仍處於起步階段,在材料性能、產品體系健全程度上與先進國家相比存在一定差距。

2018年至2019 年,國外在增材製造材料方面取得重要突破,據日立於2019年3月6日的官方消息,日立製作所和日立金屬開發出可利用3D打印機成型耐腐蝕性和強度出色的新合金;英國帝國理工學院團隊報告了一種全新人造超材料——強度增加但質量較輕,這種材料是利用多向晶格,並結合3D打印技術製成,而其中新型晶格則是根據強金屬合金的基本原理設計的。這些成果的發現將會為科學界帶來更加堅固且適合於各種應用的輕型3D打印材料。

近年來,我國增材製造材料產業發展非常迅速,優勢企業主要集中在北京、河北、江蘇、陝西、湖南、廣東等地區。這些企業大都圍繞自身增材製造裝備以及應用領域開發材料體系,最初的研發工作大都依託國內實力雄厚的高校、科研院所和行業領軍人物,後逐步加強自主研發和行業戰略合作,在增材製造材料研發實力和產業化推進上處於全國領先地位。我國在3D打印熱固性材料領域取得重要進展,東華大學材料學院遊正偉教授團隊基於新近發展的熱固性材料3D打印新技術,構築了具有三維立體多孔結構的納米摩擦發電機(3DP-TENG)。

目前產業上的進展多為3D打印工藝以及設備的改進,以提高精細化程度。事實上現有技術在達到高精度標準的同時,正力求打印出與鑄造成品性能相當的產品。但目前還面臨的一個問題是可用的打印材料不夠豐富,因此更多的學術研究放在了可打印材料的研發上。我國增材製造全產業鏈未能達到有效協同發展,高校、科研院所和企業間雖然已經建立了部分合作機制,但是整體上凝聚力不強。

我國要立足技術自身特點,做好產業頂層設計,避免重複性投資和產業過熱;推動增材製造技術成果的產業化,加強增材製造新材料的研發;推動增材製造技術與傳統工藝的互補協調發展;加快建立適應科技創新和產業發展的高質量標準體系。


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