全球增材制造技術(shù)技術(shù)進(jìn)展情況及發(fā)展趨勢
來源:賽迪智庫
發(fā)布時(shí)間:2018 / 03 / 13
? ? ? 我國部分增材制造技術(shù)雖暫時(shí)領(lǐng)先,但面臨原創(chuàng)性工藝、技術(shù)缺失,重大技術(shù)突破不足等問題,探究全球增材制造技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢,對推動(dòng)我國增材制造產(chǎn)業(yè)跨越式發(fā)展具有重要意義。
? ? ? 增材制造新技術(shù)不斷突破。隨著增材制造領(lǐng)域相關(guān)研究的不斷深入,近年來,液態(tài)金屬的噴墨打印、粉末床熔融和粘結(jié)劑噴射混合工藝的高速成型、選擇性隔離燒結(jié)、連續(xù)液面生長、多射流熔融等一批新工藝、新技術(shù)獲得突破。此外,超聲波增減材復(fù)合制造、智能微鑄鍛銑復(fù)合制造等一批增減材復(fù)合制造技術(shù)延伸了現(xiàn)有增材制造技術(shù),發(fā)展?jié)摿薮蟆?br />
? ? ? 增材制造專用材料種類逐漸增多。增材制造專用材料的類型和品質(zhì)決定著增材制造產(chǎn)品及服務(wù)的質(zhì)量。全球面臨專用材料種類少、性能差、價(jià)格高的問題。近期,Stratasys、3D systems、EOS、惠普等行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)以及巴斯夫、杜邦等材料企業(yè)紛紛布局材料領(lǐng)域,突破了一批新型高分子復(fù)合材料、高性能合金材料、生物活性材料、陶瓷材料等專用材料,極大拓展了增材制造材料類型,增材制造材料種類正逐漸增多。
? ? ??增材制造裝備性能不斷升級。隨著增材制造裝備工藝技術(shù)研究的深入和制造技術(shù)的突破,出現(xiàn)了一批超大型、超高速、超精密的工藝裝備。近期,GE公司發(fā)布的增材制造裝備成型尺寸達(dá)到1.1米×1.1米×0.3米(Z軸可擴(kuò)展至1米,甚至更大),推動(dòng)鋪粉式金屬激光增材制造成型進(jìn)入“米”級時(shí)代。德國EOS公司、SLM Solutions公司等推出四激光系統(tǒng)的新型裝備,大幅提升打印效率。澳大利亞APEE3D公司基于超聲速三維沉積(SP3D)技術(shù)的金屬增材制造裝備,成形速度較傳統(tǒng)金屬增材制造技術(shù)提高100~1000倍。惠普公司基于MJP技術(shù)的裝備成形精度達(dá)到1200DPI,并引領(lǐng)多材料全彩增材制造。深圳摩方材料公司自主研發(fā)的面投影立體光刻裝備,打印精度可達(dá)微米級。
? ? ? 增材制造產(chǎn)品質(zhì)量逐步提升。增材制造產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升,帶動(dòng)增材制造從產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)到零部件直接制造轉(zhuǎn)變。GE公司LEAP航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的增材制造燃油噴嘴訂單量已超11000臺(tái)。國產(chǎn)大飛機(jī)C919中增材制造艙門復(fù)雜件的力學(xué)性能明顯高于原有鑄件。北京愛康宜誠醫(yī)療器材股份有限公司與北京大學(xué)第三醫(yī)院聯(lián)合研制的增材制造髖關(guān)節(jié)、椎間融合器等產(chǎn)品相繼獲得CFDA注冊批準(zhǔn),推動(dòng)增材制造技術(shù)與個(gè)性化、精準(zhǔn)醫(yī)療的深度融合。
? ? ??增材制造服務(wù)獲取更加便捷。系統(tǒng)化和數(shù)字化正成為增材制造服務(wù)的主流方向。西門子與Stratasys、GE、3D Hubs公司等行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)合作,推動(dòng)西門子數(shù)字工廠解決方案與增材制造解決方案整合,提升了增材制造產(chǎn)品的全生命周期管理水平。
? ? ? 單一材料向復(fù)合材料方向發(fā)展。單一材料種類較少和性能不足嚴(yán)重制約了增材制造技術(shù)應(yīng)用,將納米材料、碳纖維材料等與現(xiàn)有材料體系復(fù)合,開發(fā)多功能納米復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、無機(jī)填料復(fù)合材料、金屬填料復(fù)合材料和高分子合金等復(fù)合材料,不僅賦予了材料多功能性特點(diǎn),而且拓寬了增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
? ? ? 多材料、多工藝增材制造成為重要方向。多材料增材制造技術(shù)可融合多種增材制造工藝,實(shí)現(xiàn)全彩增材制造等高質(zhì)量產(chǎn)品的一體化成形,并大幅提升成型效率。增材制造技術(shù)與機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、鑄鍛焊等多工藝技術(shù)的集成,可滿足無支撐成型等嚴(yán)苛的工藝要求,不僅實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的增材制造,還可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的近凈成形。
? ? ? 裝備成型尺寸更大、精度更高、更智能。大型化:增材制造裝備成型尺寸已經(jīng)步入“米”級時(shí)代,增材制造裝備大型化已成為發(fā)展趨勢。微型化:現(xiàn)有增材制造的成型精度已經(jīng)達(dá)到微米級,未來將向納米級的成型精度發(fā)展,極大促進(jìn)增材制造技術(shù)在微流控芯片制造等領(lǐng)域的應(yīng)用。智能化:傳感器、微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置等智能部件將融入增材制造裝備,實(shí)現(xiàn)成型過程的實(shí)時(shí)記錄和反饋,帶動(dòng)裝備的智能化。
? ? ? 融合式創(chuàng)新重塑增材制造新模式。增材制造與傳統(tǒng)的減材制造融合,提升增材制造技術(shù)的成型效率和精度,助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性制造,賦予現(xiàn)有加工中心或生產(chǎn)線高柔性與高效率;將增材制造裝備納入智能制造生產(chǎn)體系,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)管理和優(yōu)化,并通過云制造實(shí)現(xiàn)分散的社會(huì)智力資源和增材制造資源的快速集成,將重塑增材制造技術(shù)及應(yīng)用模式。
? ? ? 加強(qiáng)增材制造創(chuàng)新體系建設(shè)。完善國家增材制造創(chuàng)新中心運(yùn)行機(jī)制,鼓勵(lì)有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、技術(shù)條件的地區(qū)建設(shè)省級增材制造創(chuàng)新中心。強(qiáng)化關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā),加快突破高性能材料研制、高質(zhì)量高穩(wěn)定性增材制造裝備制造、核心支撐軟件開發(fā)等關(guān)鍵共性技術(shù)。積極跟蹤增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢,制定增材制造技術(shù)發(fā)展路線圖,提早布局新一代增材制造技術(shù)。
? ? ? 鼓勵(lì)增材制造產(chǎn)業(yè)國際合作。參與引領(lǐng)國際增材制造標(biāo)準(zhǔn)制定,推動(dòng)我國領(lǐng)先領(lǐng)域的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)成為國際標(biāo)準(zhǔn)。通過與國際先進(jìn)企業(yè)技術(shù)合作,加強(qiáng)在粉末制備、大功率激光器、掃描振鏡等薄弱環(huán)節(jié)的技術(shù)攻關(guān),充分引進(jìn)、消化、集成先進(jìn)技術(shù)成果。鼓勵(lì)國內(nèi)企業(yè)“走出去”,開展并購、股權(quán)投資及建立海外研發(fā)中心,培育具有國際競爭力的龍頭企業(yè)。引導(dǎo)國外企業(yè)在華設(shè)立研發(fā)基地,帶動(dòng)國內(nèi)增材制造研發(fā)水平的整體提升。依托“一帶一路”戰(zhàn)略,推進(jìn)增材制造技術(shù)在沿線國家的推廣應(yīng)用。
? ? ??制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)配套政策。支持設(shè)計(jì)、材料、工藝、裝備、檢測等重點(diǎn)領(lǐng)域國家、行業(yè)、地方、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制定,加速構(gòu)建增材制造領(lǐng)域新型標(biāo)準(zhǔn)體系。開展增材制造技術(shù)和產(chǎn)品特性的檢測基礎(chǔ)理論和方法研究,結(jié)合增材制造技術(shù)的應(yīng)用要求,建立增材制檢測和認(rèn)證體系。擴(kuò)大增材制造相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)模,完善配套支撐的課程設(shè)計(jì)、教材開發(fā)、師資隊(duì)伍、專門實(shí)驗(yàn)室等方面建設(shè),建成一批人才培養(yǎng)示范基地。加強(qiáng)海外高層次科技、經(jīng)營人才引入,建立和完善人才激勵(lì)機(jī)制,形成與增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展相適應(yīng)的人力資源建設(shè)格局。
國內(nèi)外增材制造技術(shù)進(jìn)展情況
? ? ? 增材制造新技術(shù)不斷突破。隨著增材制造領(lǐng)域相關(guān)研究的不斷深入,近年來,液態(tài)金屬的噴墨打印、粉末床熔融和粘結(jié)劑噴射混合工藝的高速成型、選擇性隔離燒結(jié)、連續(xù)液面生長、多射流熔融等一批新工藝、新技術(shù)獲得突破。此外,超聲波增減材復(fù)合制造、智能微鑄鍛銑復(fù)合制造等一批增減材復(fù)合制造技術(shù)延伸了現(xiàn)有增材制造技術(shù),發(fā)展?jié)摿薮蟆?br />
? ? ? 增材制造專用材料種類逐漸增多。增材制造專用材料的類型和品質(zhì)決定著增材制造產(chǎn)品及服務(wù)的質(zhì)量。全球面臨專用材料種類少、性能差、價(jià)格高的問題。近期,Stratasys、3D systems、EOS、惠普等行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)以及巴斯夫、杜邦等材料企業(yè)紛紛布局材料領(lǐng)域,突破了一批新型高分子復(fù)合材料、高性能合金材料、生物活性材料、陶瓷材料等專用材料,極大拓展了增材制造材料類型,增材制造材料種類正逐漸增多。
? ? ??增材制造裝備性能不斷升級。隨著增材制造裝備工藝技術(shù)研究的深入和制造技術(shù)的突破,出現(xiàn)了一批超大型、超高速、超精密的工藝裝備。近期,GE公司發(fā)布的增材制造裝備成型尺寸達(dá)到1.1米×1.1米×0.3米(Z軸可擴(kuò)展至1米,甚至更大),推動(dòng)鋪粉式金屬激光增材制造成型進(jìn)入“米”級時(shí)代。德國EOS公司、SLM Solutions公司等推出四激光系統(tǒng)的新型裝備,大幅提升打印效率。澳大利亞APEE3D公司基于超聲速三維沉積(SP3D)技術(shù)的金屬增材制造裝備,成形速度較傳統(tǒng)金屬增材制造技術(shù)提高100~1000倍。惠普公司基于MJP技術(shù)的裝備成形精度達(dá)到1200DPI,并引領(lǐng)多材料全彩增材制造。深圳摩方材料公司自主研發(fā)的面投影立體光刻裝備,打印精度可達(dá)微米級。
? ? ? 增材制造產(chǎn)品質(zhì)量逐步提升。增材制造產(chǎn)品質(zhì)量不斷提升,帶動(dòng)增材制造從產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)到零部件直接制造轉(zhuǎn)變。GE公司LEAP航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的增材制造燃油噴嘴訂單量已超11000臺(tái)。國產(chǎn)大飛機(jī)C919中增材制造艙門復(fù)雜件的力學(xué)性能明顯高于原有鑄件。北京愛康宜誠醫(yī)療器材股份有限公司與北京大學(xué)第三醫(yī)院聯(lián)合研制的增材制造髖關(guān)節(jié)、椎間融合器等產(chǎn)品相繼獲得CFDA注冊批準(zhǔn),推動(dòng)增材制造技術(shù)與個(gè)性化、精準(zhǔn)醫(yī)療的深度融合。
? ? ??增材制造服務(wù)獲取更加便捷。系統(tǒng)化和數(shù)字化正成為增材制造服務(wù)的主流方向。西門子與Stratasys、GE、3D Hubs公司等行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)合作,推動(dòng)西門子數(shù)字工廠解決方案與增材制造解決方案整合,提升了增材制造產(chǎn)品的全生命周期管理水平。
國內(nèi)外增材制造技術(shù)發(fā)展趨勢
? ? ? 單一材料向復(fù)合材料方向發(fā)展。單一材料種類較少和性能不足嚴(yán)重制約了增材制造技術(shù)應(yīng)用,將納米材料、碳纖維材料等與現(xiàn)有材料體系復(fù)合,開發(fā)多功能納米復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、無機(jī)填料復(fù)合材料、金屬填料復(fù)合材料和高分子合金等復(fù)合材料,不僅賦予了材料多功能性特點(diǎn),而且拓寬了增材制造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
? ? ? 多材料、多工藝增材制造成為重要方向。多材料增材制造技術(shù)可融合多種增材制造工藝,實(shí)現(xiàn)全彩增材制造等高質(zhì)量產(chǎn)品的一體化成形,并大幅提升成型效率。增材制造技術(shù)與機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、鑄鍛焊等多工藝技術(shù)的集成,可滿足無支撐成型等嚴(yán)苛的工藝要求,不僅實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的增材制造,還可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的近凈成形。
? ? ? 裝備成型尺寸更大、精度更高、更智能。大型化:增材制造裝備成型尺寸已經(jīng)步入“米”級時(shí)代,增材制造裝備大型化已成為發(fā)展趨勢。微型化:現(xiàn)有增材制造的成型精度已經(jīng)達(dá)到微米級,未來將向納米級的成型精度發(fā)展,極大促進(jìn)增材制造技術(shù)在微流控芯片制造等領(lǐng)域的應(yīng)用。智能化:傳感器、微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置等智能部件將融入增材制造裝備,實(shí)現(xiàn)成型過程的實(shí)時(shí)記錄和反饋,帶動(dòng)裝備的智能化。
? ? ? 融合式創(chuàng)新重塑增材制造新模式。增材制造與傳統(tǒng)的減材制造融合,提升增材制造技術(shù)的成型效率和精度,助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性制造,賦予現(xiàn)有加工中心或生產(chǎn)線高柔性與高效率;將增材制造裝備納入智能制造生產(chǎn)體系,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)管理和優(yōu)化,并通過云制造實(shí)現(xiàn)分散的社會(huì)智力資源和增材制造資源的快速集成,將重塑增材制造技術(shù)及應(yīng)用模式。
發(fā)展我國增材制造技術(shù)的幾點(diǎn)建議
? ? ? 加強(qiáng)增材制造創(chuàng)新體系建設(shè)。完善國家增材制造創(chuàng)新中心運(yùn)行機(jī)制,鼓勵(lì)有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)、技術(shù)條件的地區(qū)建設(shè)省級增材制造創(chuàng)新中心。強(qiáng)化關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā),加快突破高性能材料研制、高質(zhì)量高穩(wěn)定性增材制造裝備制造、核心支撐軟件開發(fā)等關(guān)鍵共性技術(shù)。積極跟蹤增材制造技術(shù)的發(fā)展趨勢,制定增材制造技術(shù)發(fā)展路線圖,提早布局新一代增材制造技術(shù)。
? ? ? 鼓勵(lì)增材制造產(chǎn)業(yè)國際合作。參與引領(lǐng)國際增材制造標(biāo)準(zhǔn)制定,推動(dòng)我國領(lǐng)先領(lǐng)域的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)成為國際標(biāo)準(zhǔn)。通過與國際先進(jìn)企業(yè)技術(shù)合作,加強(qiáng)在粉末制備、大功率激光器、掃描振鏡等薄弱環(huán)節(jié)的技術(shù)攻關(guān),充分引進(jìn)、消化、集成先進(jìn)技術(shù)成果。鼓勵(lì)國內(nèi)企業(yè)“走出去”,開展并購、股權(quán)投資及建立海外研發(fā)中心,培育具有國際競爭力的龍頭企業(yè)。引導(dǎo)國外企業(yè)在華設(shè)立研發(fā)基地,帶動(dòng)國內(nèi)增材制造研發(fā)水平的整體提升。依托“一帶一路”戰(zhàn)略,推進(jìn)增材制造技術(shù)在沿線國家的推廣應(yīng)用。
? ? ??制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)配套政策。支持設(shè)計(jì)、材料、工藝、裝備、檢測等重點(diǎn)領(lǐng)域國家、行業(yè)、地方、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的制定,加速構(gòu)建增材制造領(lǐng)域新型標(biāo)準(zhǔn)體系。開展增材制造技術(shù)和產(chǎn)品特性的檢測基礎(chǔ)理論和方法研究,結(jié)合增材制造技術(shù)的應(yīng)用要求,建立增材制檢測和認(rèn)證體系。擴(kuò)大增材制造相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)規(guī)模,完善配套支撐的課程設(shè)計(jì)、教材開發(fā)、師資隊(duì)伍、專門實(shí)驗(yàn)室等方面建設(shè),建成一批人才培養(yǎng)示范基地。加強(qiáng)海外高層次科技、經(jīng)營人才引入,建立和完善人才激勵(lì)機(jī)制,形成與增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展相適應(yīng)的人力資源建設(shè)格局。