方興未艾的3D打印技術,被視為傳統產業實現升級的重要途徑,在這一領域,中國已經取得了一批基礎研究和產業化成果,部分甚至處于世界領先水平。
增材制造技術,俗稱3D打印,是利用計算機設計數據采用材料逐層堆積的方法制造實體零件的技術,其始于20世紀80年代的快速成形技術。目前,已經發展出激光燒結技術、熔融沉積成形技術、立體光刻技術、電子束熔煉技術、超聲波固結技術、噴墨沉積技術等多種類型。而從嚴格意義上來說,噴墨沉積技術才是真正的3D打印。
相對于傳統的材料去除(切削加工)技術,增材制造采用的是材料累加的制造方法,不需要傳統的刀具、夾具及多道加工工序,而是利用三維設計數據在一臺設備上可快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件,解決了許多過去難以制造的復雜結構零件的成形問題。而且產品結構越復雜,制造效率越顯著。
增材制造改變了通過對原材料進行切削、組裝生產的加工模式,實現了隨時、隨地、按不同需要進行生產,一定程度上將改變以福特制造裝配生產線為代表的大規模批量生產方式,將深刻影響制造業的未來,因此國外學術界認為其是“第三次工業革命”的重要標志之一。
需要注意的是,增材制造技術是制造技術原理的一次革命性突破,但它不可能取代切削、鑄鍛等傳統制造技術,它是對傳統制造技術的補充與完善。目前,這項技術的主要問題:一是制造精度尚不能達到傳統超精度加工技術;二是生產效率還比較低,不適用于大批量生產;三是成本仍然較高,制造設備和材料成本遠高于傳統制造;四是在材料、工藝、設備的技術方面尚不成熟。
產業升級新機遇
當前,中國正處于從“中國制造”向“中國創造”邁進的重要時期,同傳統制造技術相比,增材制造技術能夠讓設計師在很大程度上從制造工藝及裝備的約束中解放出來,更多關注產品的創意創新、功能性能。
增材制造技術還通過簡化或省略傳統制造中的工藝準備、試驗等環節,使得產品設計、制造、檢測高度一體化,能夠顯著縮短新產品研發周期和研發成本。因此,增材制造技術對于增強我國制造業自主創新能力具有重要意義。
作為一項新興技術,增材制造技術的發展能夠催生和培育增材制造設備與相關服務新產業,包括零部件委托加工、專業設計分析、軟件開發等業務。發展增材制造技術有助于帶動金屬和功能材料制備、設計/控制軟件開發、激光器/噴嘴等核心元部件研發,打破國外壟斷。發展增材制造技術能夠進一步推進網絡化協同制造、定制化制造、專業化制造和綠色制造,促進高端裝備制造、生物制造等產業發展。因此,發展增材制造是培育新興產業、優化產業結構、促進產業升級的重要途徑。
我國自20世紀90年代初開始推進增材制造技術研究,已經取得了一批基礎研究和產業化成果,部分甚至處于世界領先水平。如西安交通大學開展了料光固化快速成形、金屬熔敷制造、生物組織制造、陶瓷光固化成形研究,建立了快速制造國家工程研究中心;華中科技大學開展了疊層制造、選擇性激光燒結、選擇性激光熔化、激光近成形等技術研究;清華大學開展了多功能快速成形設備、熔融沉積制造設備、電子束制造設備、生物打印技術研究;北京隆源公司開展了激光選取燒結設備研究;中航625所開展了電子束成形制造研究,華南理工大學開展了激光金屬燒結技術研究。特別是北京航空航天大學、西北工業大學開展的金屬熔敷成形技術研究,在國際上首次全面突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型復雜整體關鍵構件激光成形工藝和成套裝備,目前已給我國提供飛機的大型零部件,如發動機隔框、起落架等,并且成本低、速度快,處于國際領先水平。湖南華曙高科技有限責任公司通過引進海外研發團隊開發出選擇性激光尼龍燒結設備,并首次實現對美國出口,這標志著我國在這項尖端裝備制造領域取得了重大技術突破。
通過科研開發和設備產業化,目前中國已經改變了該類設備早期依賴進口的局面,并在全國建立了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。2011年,我國增材制造產業市場規模近10億元(不含軍工市場)。隨著我國制造業的整體升級和在醫療、航空航天、汽車、軍工、消費電子產品、地理信息、藝術設計、模具等行業的推廣應用,增材制造市場還將進一步擴大。
四大支撐加速產業化
目前,我國增材制造技術還處于產業化初期階段,發展仍面臨諸多挑戰,主要表現在:一是產業規模化程度不高。增材制造技術大多還停留在高校及科研機構的實驗室內,企業規模普遍較小,研發投入相對較低;二是技術創新體系不健全。創新資源相對分割,標準、試驗檢測、研發等公共服務平臺缺乏,新產品推廣應用難,尚未建立起產學研用相結合的技術創新體系;三是產業政策體系尚未完善。為促進增材制造產業發展,應制定前瞻性、一致性、系統性的政策體系,尤其當前正處于產業發展初期,制定實施面向產業化的一系列發展規劃和財稅政策尤為關鍵;四是行業管理亟待加強。目前我國增材制造產業處于起步階段,行業規劃、政策、標準對引導行業發展起到非常關鍵的作用;五是教育和培訓制度急需加強。在工程學科的教學缺乏增材制造相關必修環節,職業培訓體系缺乏增材制造設備的實訓項目,產業部門缺乏創新型人才和熟練技工。
為加快推動我國增材制造技術研發和產業化,未來需要從以下四個方面提前部署:
一是加強頂層設計和統籌規劃。制定國家層面的增材制造行動計劃,成立增材制造領導小組、咨詢專家組、執行專家組和領導小組辦公室,研究制定相關行動計劃,并負責組織和管理。建立多部委協同推進機制,由工信部、發改委、科技部、財政部等國家部委組織相關科研機構專家研究制定增材制造技術路線圖和中長期發展戰略,明確這一產業的發展原則、階段目標、技術路線、重點任務和政策措施,為我國增材制造產業發展做好頂層設計和統籌規劃。推動完善增材制造技術規范與標準的制定,促進增材制造技術平臺建設,促進產業健康可持續發展。
二是加大財政支持力度。充分利用現有政策渠道,加大對增材制造技術研發和產業化的支持力度。在智能制造裝備發展專項中增加增材制造成套設備及其關鍵零部件的研發和首臺套示范應用項目,加大數控機床重大專項對增材制造裝備的支持;推動設立增材制造產業創新發展資金,探索相關稅收優惠政策。重點支持增材制造軟件控制技術、材料技術、激光技術等關鍵共性技術研發,重點支持增材制造裝備的研發、第三方檢測試驗平臺建設、首臺套應用示范和產業化。
三是建立增材制造應用示范基地。在全國范圍內篩選技術條件好、應用需求大的代表性省市建立增材制造應用示范基地,根據我國增材制造技術的發展水平,立足裝備制造業,重點選擇在航空航天、汽車模具、生物醫療、電子制造等領域推廣應用,分步驟、分層次開展應用示范,形成通用性、標準化、自主知識產權的應用平臺,加快推進產業、技術與應用協同發展。#p#分頁標題#e#
四是組建增材制造行業組織。積極引導高校、科研機構、工業設計企業、增材制造設備提供商、材料及激光器研發企業和機構、增材制造服務應用提供商籌建行業協會,研究制定增材制造產業發展規劃、財稅政策和技術標準,籌建產學研用相結合的產需對接平臺,打通上下游產業鏈,推動增材制造產業集群化發展。
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