增材制造产业市场及研发初探

张丽娇

1 增材制造涵义

制造业是现代工业发展的基础，其发展水平在一定程度上代表国家现代工业的发展水平，随着智能化技术和制造业的充分发展和融合，正在引发新一轮产业变革，中国发布的《中国制造2025》旨在全面推进中国的智能制造强国战略，引发了全世界的关注与重视。增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）作为推动我国智能制造产业发展，提高我国整体制造水平的关键技术手段，是《中国制造2025》的发展重点。增材制造技术已有近30年的发展，但直到近些年才作为一种真正的制造模式进行大规模的應用。增材制造技术被科学家们认定为能够为现代零件制造业和物流格局带来系统性变革的生产手段，是一种直接的数字化制造手段，融合了现代科技最先进的计算机设计、制造工艺手段、新材料技术等多科目，具有较高的技术壁垒和较强的市场竞争力。

美国试验材料学会（ASTM）将增材制造定义为“一种从3D数据模型中连接各种特定材料通过一定的成型工艺来制造零件的过程，通过一层一层的叠加，与传统的减材制造方法相反。”增材制造通过设备接收三维设计图形转化的数据信号快速精密地进行材料逐层累积并进行快速凝固工艺处理，可加工出各种形状复杂的零件，实现零件像打印一样的“自由制造”，因此增材制造又称为“3D打印”。增材制造分为广义和狭义2个范畴，狭义的增材制造主要以激光、电子束等为热源与CAD、CAM结合分层成型，主要适用于快速原形制造、快速生物模型制造，快速模具制造、金属零件直接制造等快速制造方法，广义的增材制造除了包含狭义的增材制造外还包括了复合制造、块体组焊、冷/热喷涂成型、化学气相沉积、堆焊成型、电化学沉积成型、喷焊成型、喷射成形、物理气相沉积等所有材料增加形式进行的加工方式。本文主要针对狭义的增材制造方式进行主要阐述。

2 增材制造的国内外发展现状

2.1 国外发展现状

近些年美国、德国、日本、英国对增材制造显示出了极大的兴趣，取得了较大的技术领先优势，技术成果主要用于航空航天等需要高度轻量化的特殊应用场景。美国的Relativity Space公司采用3D打印技术制造了火箭Terran 1，为卫星发射服务，对航天事业带来了极大的技术冲击，采用3D打印技术后可以提高火箭的可靠性，使得零件的数量减少了100倍，极大地提高了生产效率，生产时间较传统工艺加快10倍，具有很强的灵活性，没有固定的工具，材料供应链简单，可以随时进行优化设计，进行复合质量优化设计与迭代，继续缩短加工时间。该公司从打印火箭开始，集成了机器人技术（AI）、各种设计及分析软件、3D打印技术，通过数字化制造手段，不断优化用于航空航天领域的各种载体，实现更快、更优的太空器件制造。Relativity Space公司在他们的Stargate工厂能够在60天内打印出Terran1，而常规火箭制造的交付周期通常超过一年。Stargate负责制造火箭结构和推进剂油箱，而较小的部件和发动机则在直接金属激光烧结（DMLS）3D打印机上打印，并计划用于商用火箭发射。

英国的Orbex公司采用3D打印技术制造了火箭的发动机。美国加利福尼亚Rocket Lab公司采用3D打印技术制造卢瑟福引擎，通过设计整个生产过程与电子束熔化3D打印技术相结合，24h即可完成一个引擎的制造，充分实现高效、低成本的生产目标。布鲁克林的Launcher公司与EOS和AMCM合作，采用金属粉末3D打印技术制造了世界上最大的一体式燃烧室，由此制造的推进器效率高达98%，提高了生产效率，减少了连接、焊接等工艺操作。

空客旗下Stelia航宇公司通过采用丝束电弧的增材制造技术制造出世界首个自加强机身壁板，采用拓扑结构组件的设计方案将加筋铝丝成绩到壁板内表面，较传统的通过手工紧固或者焊接的连接手段更加稳定、高效、智能、轻量化。西门子采用3D打印的制造方法制造了燃气轮机的燃烧室，可以实现8 000h高效、可靠、无故障运行，充分证明了3D打印制造方法的可靠性、罗罗使用3D打印技术制造了发动机advance3核心机中的关键部件，并对该发动机进行了100多个小时的测试，该发动机齿轮箱设计只能用3D打印技术实现部分零件的制造，可实现风扇在低噪下低速工作，提高发动机可靠性、降低耗油率和使用、维修成本，提高减振降噪效果。

3D打印技术在汽车行业领域也取得一定的进展，2020年保时捷911 GT2 RS采用金属粉末激光熔敷3D打印技术制造了汽车活塞，减重10%，具有集成的冷却系统，具有更高的效率，提高了车的动力性能。除此之外，保时捷还尝试了采用3D打印技术制造座垫，此外保时捷还投资了连续碳纤维3D打印的优势企业Markforged公司，进行增材制造产业的布局。

在民用领域，各国公司都在发掘3D打印在交通工具上的轻量化潜力，AREVO公司与Superstrata公司合作通过连续碳纤维复合材料3D打印技术制造了碳纤维复合材料车架，整辆自行车质量仅为1.3kg左右，这种制造方式减少不必要的连接工艺，使得自行车车架“具有极强的抗冲击性”和轻量化。Renishaw公司主要从事金属材料打印机设备的研制，该公司与英国汽车公司Lotus和自行车工程公司Hope Technology合作，设计了一款新型履带自行车。阿姆斯特丹一家机器人增材制造公司MX3D在2019年9月发布了其3D打印自行车“ Arc Bike II”，采用线弧增材制造（WAAM）技术制造了自行车车架及部分零件。除此，专门定制自行车车架的Quirk Cycles公司采用3D打印技术，完成了无缝设计的金属自行车架。

面对2020年的新冠疫情的特殊情况，3D打印技术为防控疫情，完成部分重要医疗物资的制造，一定程度上解决了疫情防控应急物资短缺的难题，美国、意大利等疫情严重国采用用3D打印机生产部分医疗设施，如呼吸机配件、个人防护面罩等。3D打印技术在全球疫情防控中发挥了重要作用，充分反映出这项技术在民生、医疗领域应用的巨大潜力。

国际制造业较为先进的国家均加大了对于增材制造、智能制造的研发力度，给予了足够的关注，说明该项技术代表着先进制造业未来的发展方向，随着智能化制造产业的不断发展，增材制造作为智能制造的典型制造方式必将迎来新一轮的制造业的变革与腾飞。近些年，世界范围内增材制造的年复合增长率居高不减。根据2020年3月赛迪顾问发布的《2019年全球及中国3D打印行业数据》显示，2019年全球3D打印产业规模达119.56亿美元，增长率为29.9%，同比增长增加4.5%。据国际数据公司IDC预计，全球3D打印市场将以22.3%的年复合增长率扩大，2020年全球产值可达到150亿～200亿美元。在3D打印市场里，主要分3部分：3D打印设备、3D打印服务和3D打印材料，根据赛迪前瞻产业研究院2019年发布的数据来看，3部分的所占比分别为44.3%、31.6%和24.1%。打印设备比重最高，其次是3D打印服务和3D打印材料。

2.2 国内发展现状

全球3D打印产业发展，美国仍是最大的市场，其次是德国，中国位居第3。中国在3D打印技术上起步较晚，但是近几年也在加大步伐，不断创新，逐渐缩小与欧美的差距，中国庞大的市场体量使得3D打印具有广阔的市场，吸引了很多优势技术企业来中国发展，一定程度上推动了国内的3D打印技术的发展。但是近期国际形势变幻，美国发起单边主义的“贸易战”导致高新科技合作受阻，中国亟需建立自己在3D打印上的实力，以供应数量和质量日渐增长的庞大市场。在庞大市场的催生下，中国3D打印应用程度逐步深化，在各重要产业得到越来越广泛的应用，成为产品创新设计、快速原型制造的重要实现方式。用于3D打印的材料种类不断增多，性能不断加强，工艺的稳定性不断提高。在中国3D打印材料中，非金属材料占比62%，金属材料占比38%。非金属材料主要有脂环族环氧树脂、聚乳酸、有机硅材料，碳纤维等，金属材料主要有3D打印用合金粉末、高速熔覆用合金粉末材料。宁波尚材三维气雾化粉末制备系统生产球形钛合金粉末，该粉末在球形度、粒径分布、杂质含量、流动性、卫星球和空心球比例等性能指标达到国际同类产品水平，可被广泛应用于3D打印、喷涂、激光修复等技术领域，可以应用于粉末冶金、注射成型（MIM）、3D打印、热冷喷涂、激光修复等制造工艺。应用的行业涵盖航空航天、医疗器械、人体植入、体育、汽车、石油、化工等领域。

中航迈特粉冶科技有限公司（以下简称“中航迈特”）早在2016年就自主开发了国内首批钛粉电极感应气雾化生产装备，研制出球形度高、氧含量滴，良好细粉收得率的钛合金粉末系列，涉及纯钛、钛合金、高强钛合金等高强度高品质钛合金3D打印系列产品。2020年8月，中航迈特突破降成本工艺生产，实现了钛粉各项性能指标不下降，而生产直接制造成本下降50%的降本增效，提高了3D打印钛粉在全球竞争力。

中车工业研究院有限公司在3D打印铝合金粉末制造上取得重大进展，开发了突破空客专利限制的新型高强铝合金粉末，同时开发了相关3D打印工艺和热处理技术。该高强粉末的拉伸强度≥560MPa，屈服强度≥500Mpa，延伸率≥10%，性能优于空客Scalmalloy铝合金粉末打印性能和其他7系锻造高强铝合金，且高温性能提高近一倍。此材料还具备较强的耐环境腐蚀性能，可以满足轨道交通、航空航天、汽车等复杂工况环境使用。

3 增材制造的应用前景

增材制造技术是一门凝聚多门学科的先进性制造技术，作为一种能够根本性改变现有传统制造技术的手段，能够推动产业的转型升级，具有广阔的应用前景。增材制造是能够实现创新驱动发展的重要支撑性技术，可以根据客户应用需求定制化设计，制造加工出最优化的设计方案，摆脱传统技术的可制造性约束，释放创新性设计的无限潜能，刺激新产品体系的形成，是为产品设计和制造带来颠覆性变革的重要现代化技术。

3.1 各领域复杂结构零件的制造与修复

随着制造行业不断迭代前进，由逆向设计逐渐会过渡到大数据支撑下的正向设计，零件设计复杂性加大，制造难度提高，传统的制造方法难以满足客户多样化、定制化的需求。3D打印制造方案可以实现对制造产品的快速响应、快速制造、快速修复。可以在多个领域进行应用，如轨道交通、精密零件、航空航天、医疗器械、艺术品制造、文化教育、汽车等。

3.2 3D打印的基础理论研究及材料产业发展

3D打印通過将结构设计转化为数据信号，通过多层材料的累积并结合基础材料的凝固工艺调节，完成最终产品制造。对于过程中的产品结构强度的控制与提高都需要结合设计本身与材料本身的性质及凝固工艺参数的调节共同完成。例如金属材料3D打印，通过3D粉末的激光熔覆进行固化完成材料累积固化成型，金属材料是在强非平衡态凝固过程中进行，如何控制晶粒的生长，提高材料的结构强度需要不断的去探索新的工艺条件或新的工艺方法，或直接采用新的材料形式，深化基础理论技术的研究，并通过3D打印这项新的制造方式激发出更多新工艺、新材料、新概念、新理论。例如3D打印过程中使用功能梯度材料的概念，在不同的设计位置采用不同的材料完成不同的功能，这就需要克服不同材料之间界面如何处理的难题，使得材料的复合更加智能化、功能化、多样化。只有强化了3D打印的理论基础，提高了材料的性能及固化工艺，才能使这种先进的制造方式具有更广阔的市场。

3.3 3D打印的应用场景高端化

随着3D打印技术的不断发展，通过3D打印技术打印出来的产品的性能更加稳定，结构形式更加复杂，因此，3D打印技术得到越来越多的高端制造领域零件制造商的青睐。3D打印设备的发展程度影响3D打印技术对结构复杂形状零件的适应性，可以将之前的多个零件去掉连接结构直接集成到一个零件，这种设计上的改动主要出现在航空航天领域，可以最大程度的降低零件质量，减少焊缝带来的强度破坏和可能引起的故障，实现航空航天安全、可靠、减重的目标。

除了在航空航天上的应用，3D打印也大量用于建筑，目前，低层建筑的3D打印应用已经较为广泛，而高层的建筑还有一定的难度，3D打印在建筑方面的应用程度主要取决于建筑用3D打印材料的改进和凝固工艺的发展。采用3D打印技术制造模具应用也较为广泛，例如制作家电时用3D打印硅橡胶去复制模具，在做汽车覆盖件的时候用3D打印的金属喷涂法覆盖模具，采用3D打印复杂的复合材料成型的模具等都可以大大节约产品开发中所需要的费用和时间。所以，3D打印应用的领域越来越广，从民用的快消品、艺术创作产品到微型建筑设计再到航空航天的精密复杂结构，应用场景越来越高端，使得产品研发、生产的效率提高，成本降低，越来越显示3D打印的技术颠覆性对于现代制造业的巨大影响。

4 我国增材制造产业主要问题

我国的增材制造产业在发展过程中得到了广泛的关注和支持，但是仍存在一些较为普遍的问题：

①增材制造行业中领军企业较少，大多数的企业做的是较低端的产品制造，缺少龙头企业的行业引领，大多数企业存在生产效率低下、材料短缺、缺乏核心技术等问题，不能形成批量、规模化、高质量的产品生产。

②整个增材制造行业未能充分认识到3D打印技术为整个传统制造业带来的颠覆性改变。

③适用于3D打印的材料发展不充分，性能稳定性较差且价格昂贵，固化及凝固工艺基础研究不足，限制了3D打印技术的整体发展。

④3D打印设备性能国内外差距较大，国外进口设备价格较高，国内设备价格低但打印效果较差，在设备制造商存在较大的技术差异。

5 我国增材制造产业发展建议

建议我国增材制造的重点任务主要从以下几个方面实现：

①提高技术水平。着重开发重点行业应用的工艺装备、专用材料及核心器件，不断提升增材制造产品的效费比。对于增材制造产业的专用材料、制造装备等重要环节及关键核心技术应用与国际接轨，力求同步甚至超越发展，合理配置资源，保证在研技术的先进性。

②深化行业应用。寻找适宜的应用场景，通过开展应用范围广、实施效果佳的试点示范项目，培育创新业绩突出，具有技术先进性的示范企业和研究机构，以此推动增材制造产业的全方位发展，实现在轨道交通、航空、航天、汽车、船舶、精密仪器、医疗等领域的规模化应用。

③完善生态体系建设。打造从材料、工艺、软件、核心器件到装备的完整的增材制造产业链，形成计算、标准、检测、认证等全部过程的增材制造生態体系，建立服务于增材制造的公共服务平台和产业集聚区。

④实现全球布局。统筹利用国际国内多重资源，建立从技术开发、生产制造、资本运作、市场影响到品牌塑造的多元化、深层次合作模式，培育具有较强国际竞争力的龙头企业，打造具有国际影响里的知名品牌，推动中国技术、装备、产品、标准走向国际。

⑤提高创新能力，较强增材制造创新体系建设，强化基础、关键、共性技术研发。

6 结语

中国增材制造产业的发展应着手解决现有短板问题，通过市场进行良性驱动，加大基础技术研发力度，以产学研联合的方式进行技术开发。国家应加大3D打印产业扶持力度，优化科研生态环境，引入外围资本促进创新技术孵化，加快3D打印设备、材料、成型技术的开发，争取早日达到中国3D打印产业的行业国际引领。