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    中國3D打印現狀概述

     自20 世紀90 年代初,在國家科技部等多部門持續支持下,西安交通大學、華中科技大學、清華大學、北京隆源公司等在典型成形設備、軟件、材料等方面的研究和產業化獲得了重大進展[2]。隨后國內許多高校和研究機構也開展了相關研究,到2000 年初步實現了設備產業化,并接近國外產品水平,改變了該類設備早期依賴進口的局面。在國家和地方的支持下,全國建立了20 多個服務中心,設備用戶遍布醫療、航空航天、汽車、軍工、模具、電子電器、造船等行業,推動了我國制造技術的發展。但是,我國3D 打印技術主要應用在工業領域,沒有在消費品領域形成市場;在產業化技術發展和應用方面落后于美國和歐洲;在技術研發方面,我國增材制造裝備的部分技術水平與國外先進水平相當,但在關鍵器件、成形材料、智能化控制和應用范圍等方面較為落后。我國增材制造技術主要應用于模型制作,在高性能終端零部件直接制造方面還具有非常大的提升空間。例如,在增材的基礎理論與成形微觀機理研究方面,我國只開展了一些局部相關研究,但國外的研究更基礎、系統和深入;在工藝技術研究方面,國外是基于理論基礎的工藝控制,而我國則更多依賴于經驗和反復的試驗驗證,導致我國增材制造工藝關鍵技術整體上落后于國外先進水平;材料的基礎研究、制備工藝以及產業化方面與國外相比存在相當大的差距;部分增材制造工藝裝備國內都有研制,但在智能化程度方面與國外先進水平相比還有差距,我國大部分增材制造裝備的核心元器件還主要依靠進口。在市場化普及方面,國民的技術認知度低,大部分人不了解這一技術和作用。我國在增材制造產業上沒有形成系統的產業鏈。增材制造技術涉及前端的三維CAD 設計、新材料和下游的應用技術等,這些領域的研發缺失很大,企業應用程度低。這些因素導致我國難以形成強有力的產業化發展,另一反面也制約了創新能力的提升。

       近5 年來,增材制造技術在美國和我國取得了快速的發展,主要的引領要素是低成本增材制造設備社會化應用、金屬零件直接制造技術在工業界的應用、基于增材制造的各種生物材料及生物學結構的制造技術等。我國金屬零件直接制造技術的研究與應用已達到國際領先水平,例如北京航空航天大學、西北工業大學和北京航空制造工程研究所制造出大尺寸金屬零件,并應用在新型飛機研制過程中,顯著提高了飛機研制速度。北京航空航天大學王華明教授以此方面的研究與應用獲得2012 年國家技術發明一等獎。華中科技大學史玉升教授以大尺寸激光選區燒結設備研究與應用獲得2011 年國家技術發明二等獎。西安交通大學李滌塵教授以個性化顱頜面骨替代物設計制造技術及應用獲得2104 年國家技術發明二等獎。

      增材制造技術代表著生產模式和先進制造技術發展的一種趨勢,即產品生產將逐步從大規模制造向個性化制造發展,以滿足社會多樣化需求。雖然增材制造目前僅占全球制造業市場0.02%,但其間接作用和未來前景難以估量。增材制造的優勢是制造周期短、適合單件個性化制造,可實現大型薄壁件、鈦合金等難加工易熱成形零件、結構復雜零件制造。該技術與設備在航空航天、醫療等領域,在產品開發、計算機外設和創新教育上具有廣闊發展空間。

        增材制造技術相對傳統制造技術還面臨許多新挑戰和新問題。目前增材主要應用于產品研發,還存在使用成本高(10~100 元/g)、制造效率低的問題,如金屬材料成形為100~3000g/h,制造精度不能令人滿意。另外,其工藝與裝備研發還不充分,尚未進行大規模工業應用。增材制造應與傳統技術優選、集成,形成新的增長點,并加強研發、產業培育,擴大應用,通過形成協同創新的運行機制,積極科學推進,使之從產品研發工具走向批量生產模式,以技術引領應用市場發展,改變人們的生活。

       增材制造技術經過二三十年的探索、研究和改進,目前正處于承上啟下的發展階段,一方面期待新的技術突破,提高增材制造在材料、精度和效率上的要求;另一方面則是基于現有技術的新應用,擴寬增材制造技術的應用范圍和應用方式。前者可能的發展方向是具有高效、并行、多軸、集成等特征的新型增材制造技術;而后者的應用范圍有生物、醫療、航空航天、汽車、建筑、雕塑、教育,甚至是人們的日常生活,這些新興應用領域的擴展,將使增材制造技術與裝備由通用型向專用型發展,如細胞三維打印技術與裝備、組織工程支架三維打印技術與裝備等。

       技術的進步將不斷啟發人們開發新的業務和應用,不斷開發和引導人們的潛在需求。產業內的企業在進行一項創新活動的計劃時,首先考慮市場是否有巨大的需求潛力。這個過程包括選擇適當的經營領域(即選擇環境),同時也包括對自身技術水平的思考,以滿足新產品和市場需求。3D 打印技術產業化推進過程中遇到的主要問題是:

      (1)產學研用錯位競爭,嚴重脫離,沒有形成有效的創新產業鏈。3D 打印技術是一項新興技術,在其向新興產業轉化的過程中,現在仍是以技術研發推動為主,市場需求拉動下的應用研發為輔,其技術研發仍是重中之重。企業不可能將基礎研究與共性技術研發作為自己的發展領域,而現在高校與科研單位更多的是與企業聯合共同開發3D 打印技術,整個3D 打印技術的產學研模式需要確立,誰主導基礎科學,誰主導共性技術,誰主導應用研究都需要政府深思熟慮,以營造一個良好發展的產學研創新體系。

       (2)3D 產業鏈發展不均衡。3D打印產業鏈涉及上、中、下游很多項技術和產業,但就目前而言,主要在

    航空航天、汽車、生物醫藥等產業開始應用,其他諸如新材料、軟件行業、控制技術、激光器和掃描技術、文化創意等都還未形成產業雛形,這將制約3D 打印全產業鏈的推進。如果對于其他薄弱的環節進行有意識的引進、融合,那么將有助于3D 打印產業化的實施。

       (3)政府的政策、制度等配套保障體系不完善。建設一條完整3D打印產業鏈需要一個良好的社會環境來保障,而這個保障者就是政府。政府通過對創新產生、擴散和利用等活動的推動作用來促進整個產業創新發展,創新系統一方面需要產學研各創新主體的交互作用;另一方面需要政府、中介、金融等部門的聯動效應。國家還需要對其政策保障體系進行完善,投入資金用于共性技術研發,需要完善和落實供應側政策的同時也要開始考慮需求側政策,如是否要加大對知識產權、安全隱私的保護措施,是否健全監管制度體系,進一步加強監管機構中人、財、物的投入,積極調動各方形成監管合力等。

     關鍵技術

      (1)智能化增材制造裝備。增材制造裝備是高端制造裝備重點方向,在增材制造產業鏈中居于核心地位。增材制造裝備制造包括制造工藝、核心元器件和技術標準及智能化系統集成。面向裝備發展需求,應重

    點研究裝備的系統集成和智能化,包括:多材料、多結構、多工藝增材制造裝備;增材制造數據規范與軟件系統平臺;材料工藝數據庫建設與裝備的智能控制;增材制造裝備關鍵零部件及系統集成技術。

      (2)增材制造材料工藝與質量控制。增材制造的材料累積過程對構件成形質量有重要影響,主要體現在零件性能和幾何精度上。為保證制造質量,需要不斷研發面向增材制造的新材料體系;通過材料、工藝、

    檢測、控制等多學科交叉,提升制件質量。研究內容包括:面向增材制造的新材料體系;金屬構件成形質量與智能化工藝控制;難加工材料的增材制造成形工藝;增材制造材料工藝的質量評價標準。

      (3)功能驅動的材料與結構一體化設計。增材制造因其降維和逐點堆積材料的原理,給設計理論帶來了新的發展機遇。一方面突破了傳統制造約束的設計理念,為結構自由設計提供可能,另一方面超越傳統均

    質材料的設計理念,為功能驅動的多材料、多色彩和多結構一體化設計提供新方向。研究內容包括:功能需求驅動的宏微結構一體化設計;多材料、多色彩的結構設計方法與智能化制造工藝集成;面向增材制造工藝的設計軟件系統。

      (4)生物制造。增材制造技術與生物醫學結合形成了新的學科方向——生物制造(Biofabrication)。它是制造、材料、信息和生命科學的交叉融合,目標是為生物組織從細胞和生物材料向有形大結構組織和器官發展提供結構載體;研發定制化組織器官及其替代物,發展新興產業,為人類健康服務。重點研究包括:個性化人體組織替代物及其臨床應用;人體器官組織打印及其與宿主組織融合;體外生命體組織仿生模型的設計與細胞打印。

      (5)云制造環境下的增材制造生產模式。發揮并利用全社會智力和生產資源是未來社會形態變革的方向,增材制造正是促進這一社會模式形成的技術動力。新一代生產模式趨向于集散制造發展,實現工藝、數據、報價統一,形成眾創、眾包、眾籌的運作方式。因此,需要技術和管理的集成創新,需要開展制造學科與管理學交叉融合的研究與應用實踐。主要研究包括:增材制造技術與傳統制造工藝的技術集成;增材制造服務業對社會化生產組織模式變化的影響;效益驅動的分散增材制造資源與傳統制造系統的動態配置;分散社會智力資源和增材制造資源的快速集成。

    增材制造技術正在成為一項對未來科技和產業發展具有重要影響的技術。黨和國家要求對3D 打印必須高度重視,密切跟蹤,迎頭趕上,要緊緊抓住和用好新一輪科技革命和產業變革的機遇,不能等待,不能懈怠,抓緊實現產業化。需要從戰略高度認識將3D 打印作為一項重大的、標志性的新興產業重點培育,在政策、資金、人才等多方面給予支持,促進創新和創業發展,為我國制造業的轉型提供創新的利器。

     
     
    Shenzhen Rebirth 3D Technology Co.,Ltd
    Tel:86-755-36921622     Fax:86-755-33379259
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