《中國制造2025》與3D打印增材制造

閱讀次數:173     發布時間:2017-04-27

我國的3D打印產業應該如何發展?近日,我司研究了“《中國制造 2025》重點領域技術路線圖”,文中提出了3D打印增材制造國家戰略以及未來具體的發展方向和目標。

 

1、《中國制造2025》中的3D打印增材制造發展戰略規劃

1.1 《中國制造2025》與“《中國制造2025》重點領域技術創新綠皮書”

為實現中國制造業由大到強的轉變,2015年5月國務院發布了《中國制造2025》戰略任務書?!吨袊圃?025》中提出了9大戰略任務、5項重點工程、10大戰略領域和若干重大政策舉措。這十大戰略領域是:新一代信息技術產業、高檔數控機床和機器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術船舶、先進軌道交通裝備、節能與新能源汽車、電力裝備、農業裝備、新材料、生物醫藥及高性能醫療器械?!吨袊圃?025》將指引中國制造業經濟轉型,實現由大到強的轉變。

為指明十大重點領域的發展趨勢和重點,引導企業的創新活動,國家制造強國建設戰略咨詢委員會特組織了數百名各行業專家編制了十大戰略領域的技術路線圖,稱為“《中國制造 2025》重點領域技術路線圖”。由于封面為綠色,也可稱為“《中國制造2025》重點領域技術創新綠皮書”?!啊吨袊圃?025》重點領域技術路線圖”是《中國制造2025》任務書的戰略計劃初步分解。

 

1.2 基于《中國制造2025》的增材制造戰略發展規劃

在“《中國制造2025》重點領域技術路線圖”中有三處對增材制造的重點發展方向做出了具體規劃。

(1)在第二部分高檔數控機床和機器人發展戰略中,增材制造是重點發展的裝備和技術之一,其具體發展方向是:

o  重點突破具有系列原創技術的鈦合金、高強合金鋼、高強鋁合金、高溫合金、非金屬工程材料與復合材料等高性能大型關鍵構件高效增材制造工藝;

o  重點突破具有系列原創技術的成套裝備、專用材料及工程化關鍵技術;

o  重點發展激光、電子束、離子束及其它能源驅動的主流工藝裝備;

o  重點攻克3D打印材料制備、智能軟件等瓶頸,打造產業鏈;

 

(2)在第九部分新材料發展戰略中,3D打印用材料被明確提出作為重點發展的方向,其具體的技術發展戰略方向是:

o  低成本鈦合金粉末 滿足航空航天3D打印復雜零部件用粉要求,低成本鈦合金粉末成本相比現有同等鈦合金粉末降低 50~60%。

o  鐵基合金粉末 利用3D打印工藝致密化后的金屬制品,其物理性能與相同合金成分的精鑄制品相當。

o  高溫合金粉末 開發金屬粉末的致密化技術,建立制品的評價標準體系。

o  其它3D打印特種材料,突破適用于3D打印材料的產業化制備技術,建立相關材料產品標準體系。

 

(3)在第十部分生物醫藥及高性能醫療器械發展戰略中,發展醫用增材制造技術(3D打印技術)被作為關鍵性技術被提出,其主要發展戰略方向是:

o  重點發展適于3D打印技術的可植入材料及修飾技術,碳納米與石墨烯醫用材料技術;

o  重點發展適于用于個性化制造的全面解決方案,包括檢測、計算機輔助設計與制造技術等;

《中國制造2025》中3D打印戰略方向的確定,一方面體現出我國對增材制造的重視程度,另一方面也彰顯了在戰略層面我國對制造業發展面臨的形勢和環境的深刻理解。

 

2、《中國制造2025》為3D打印產業帶來的機遇和發展空間

2.1 政策上的支持

隨著近年來3D打印的在全球的爆發式發展,3D打印早已成為國家和地方政府青睞的“香餑餑”。盡管《中國制造2025》是2015年提出的,但是中國打造工業制造強國的夢想早就有了。近年來國家和地方政府一直不斷有關于3D打印的利好政策出臺,促進3D打印行業健康良好的發展。

o  2013年,科技部公布的《國家高技術研究發展計劃以及國家科技支撐計劃制造領域2014 年度備選項目征集指南》首次將3D打印產業納入其中。

o  2014年3月,北京市科委公布《促進北京市增材制造 (3D打印) 科技創新與產業培育的工作意見》提出:設置3D打印科技重大專項,全方位支持3D打印全產業鏈技術創新,持續推動3D打印產業發展。

o  2015年2月,工信部、國家發改委、財政部印發了《國家增材制造產業發展推進計劃 (2015—2016)年》,3D打印行業迎來首個“國家級別”發展計劃。

o  2015年3月“兩會”期間,李克強總理政府報告提出了“中國制造2025”“,互聯網+”行動計劃,“大眾創業,萬眾創新”3項具體措施,形成了新常態下推動中國經濟發展的新思路,這3項具體措施均和3D打印密切相關。

o  2015年5月,上海成立了國內首家正式登記注冊的增材制造行業協會,目前成員單位已近百家,協會集結了產業鏈上下游各方力量,聯手推進3D打印技術自主創新、行業標準制定,并探索3D打印的新業態、新模式。

o  2015年5月,《中國制造2025》出臺,不僅進一步明確了產業發展方向,更彰顯出政府發展3D打印產業的決心。

o  2016年3月,我國發布了《增材制造重點專項2016年度申報指南》,文中圍繞突破增材制造與激光制造的基礎理論、核心元器件、關鍵工藝技術設置任務,2016年首批在增材制造與激光制造兩個方向啟動29個項目。

o  2016年4月,全國增材制造標準化技術委員會成立。成立全國增材制造標準化技術委員會,對于推進增材制造標準化工作,促進增材制造技術和產業的發展具有十分重要的意義。

 

2.2 3D打印在航空航天領域的應用前景

《中國制造2025》航空航天裝備戰略中提到,我國有巨大的航空運輸和通用航空服務的市場空間。預計未來10年,全球將需要干線飛機1.2萬架、支線飛機0.27萬架、通用飛機1.83萬架、直升機1.2萬架,總價值約2萬億美元。目前,3D打印增材制造在航空領域已經開展了很多試驗和應用驗證,國外媒體報道一些3D打印金屬零件已經在空客A350應用。

同時,在《中國制造2025》中對我國航空航天技術的創新發展也做出了許多戰略性規劃,其中3D打印增材制造技術可涉足到的關鍵技術有:

(1)大型輕量化整體及高強金屬結構制造技術

以機身壁板、機翼壁板以及起落架、框梁肋等部件為主要對象,重點開展鈦合金、鋁合金、鋁鋰合金、高強鋼等金屬結構的制造工藝研究。

 

(2)航空發動機關鍵零部件

o  先進大涵道比風扇系統 寬弦彎掠設計的鈦合金/樹脂基復合材料風扇和復合材料風扇機;

o  單晶/陶瓷基復合材料高壓渦輪葉片;

o  高負荷、高效率、長壽命渦輪技術,含單晶/陶瓷基復合材料渦輪葉片技術;

o  航空發動機關鍵件再制造技術,含渦輪葉片、渦輪盤等關鍵件再制造;

o  航空發動機先進材料與制造,形成先進材料與制造研發體系,建設鈦合金、高溫合金、先進復合材料等的綠色制造、精確制造和智能制造的研發與驗證體系,推廣在航空發動機行業的應用,以滿足研制周期和經濟可承受性需求;

 

(3)航天裝備制造

o  載人航天及在軌維護與服務關鍵技術;

o  近地空間站組合體建造;

o  航天器部件在軌3D打印制造;

o  人機協同空間設施建造與在軌維護服務等關鍵技術;

 

2.3 海洋工程裝備及高技術船舶

自從2012年我國的海洋意識覺醒,發展海洋工程裝備及高技術船舶越來越受到國家的重視。海洋工程裝備及高技術船舶是人類開發、利用和保護海洋礦產資源、海洋可再生能源、海洋化學資源、海洋生物資源和海洋空間資源等海洋資源以及海上運輸活動的主要載體和手段。船舶制造業是我國戰略性新興產業的重要組成部分,是發展海洋經濟的先導性產業。

在《中國制造2025》中,對我國船舶工業發展也做出了許多戰略性規劃,其中3D打印增材制造可涉足到的關鍵技術有:

(1)船舶推進裝置設計技術

重點實現高效螺旋槳優化設計技術、POD-CRP組合推進裝置設計技術、螺旋槳/舵一體化設計技術、螺旋槳/船艉優化匹配設計技術、高效輪緣對轉組合推進技術、疊葉雙槳對轉推進等技術合理集成。

 

(2)船舶智能設計制造技術

船舶設計建造一體化設計3D技術、高效推進與航行安全性設計技術;船舶智能焊接技術、船舶智能制造一體化平臺技術、船舶智能制造裝備技術等。

 

3、我國3D打印目前存在的問題和挑戰

近日,一則采訪中國工程院院士盧秉恒的消息備受關注,他指出增材制造作為一個新的技術還有非常大的發展空間,但是同時也指出我國增材制造產業化仍處于起步階段,與先進國家相比存在較大差距。

(1)國內3D打印廠商缺乏自主知識產權

經過幾年的媒體報道、企業的市場推廣,無論是3D打印產業的從業者還是消費者,對3D打印技術和應用的認知度不斷提高。加之國家政策對3D打印產業的支持愈發明晰,預計國內3D打印將呈現出爆發性增長。在這個過程中,中外企業間的競爭越來越激烈,國外一些公司正在試圖通過技術專利來建立競爭的優勢。不過,隨著熔融沉積成型技術(FDM)、激光固化成型技術(SLA)和選擇性激光燒結技術(SLS)基礎專利紛紛到期,這一問題會得到一定程度的緩解。

 

(2)沒有原創技術

目前我國并不掌握這些工藝的原始創新,我們只是做了一些改進和具體應用的發展,主要集中在工藝技術和設備軟件等技術自主開發,但核心器件如激光器、打印頭等仍在進口。

 

(3)產業薄弱,產業規模太小

我國供應的設備占世界銷售量不到10%;相比之下,我國制造業在世界的份額為20%。

 

(4)沒有形成產業鏈

核心器件的供應、高檔器件材料、高強度的非金屬材料等還需要從國外進口。有專家指出,3D打印產業發展難點在材料。目前我國應用于3D打印的材料比較有限,國內用于3D打印材料質量堪憂,且存在材料與設備的匹配性的問題。用于3D打印的金屬粉末則基本依賴國外進口,國內沒有商業化的產品。整體而言,3D打印使用的材料價格仍然較為昂貴,鈦合金屬粉末每千克價格在數千元至萬元不等,主要原因是行業尚未大規模使用,原材料都是小批量供應,成本仍然較高。

 

(5)缺乏標準體系和認證相關工作

隨著3D打印技術的不斷成熟,應用的不斷擴展,其工藝和產品的標準化問題逐步突顯出來。由于這種新的制造工藝完全不同于傳統的鑄造、鍛造,因此原有產品的檢測標準并不完全適用于3D打印產品。同時,3D打印產品也需要一些新的參數來進行表征,確保不會產生新問題。

 

4、結束語

李克強總理強調:新一輪科技革命和產業變革正在世界范圍內孕育興起,各國紛紛搶占未來戰略制高點,發達國家加緊實施“再工業化”,而我國產業轉型、提質增效迫在眉睫。智能制造與3D打印是全球產業界追逐的焦點,也為我國經濟轉型升級帶來了新的契機,必須抓住機遇,以向智能制造轉型為關鍵,以大眾創業、萬眾創新為依托,走在升級發展前列。

機遇與挑戰并存是當前3D打印增材制造行業面臨的狀況。增材制造技術作為一項國家戰略,已實實在在擺在我們面前,但面對全世界范圍內增材制造技術熱潮,我們還必須冷靜思考、夯實基礎,在工藝過程控制、系統平臺建設、材料特性研究、可靠性評定、工程應用測試等方面深挖潛力、下足功夫。在《中國制造2025》的戰略指導下實現中國制造由大到強的轉變,確保用十年的時間,完成到2025年邁入制造強國行列的戰略目標。


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