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3D市场研究

我国增材制造产业发展现状、问题和趋势分析

Johnny 来源:中国技术交易所2017-11-22 我要评论(0 )   

1增材制造技术概述增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是通过计算机软件设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技

 
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增材制造技术概述

 

增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是通过计算机软件设计数据采用材料逐层累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除(切削加工)技术,是一种“自下而上”材料累加的制造方法。自20世纪80年代末增材制造技术逐步发展,期间也被称为“材料累加制造”、“快速原型”、“分层制造”、“实体自由制造”、“3D打印技术”。名称各异的叫法分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。

狭义的增材制造技术是指当前出现的3D打印技术或者快速成型技术等。广义的增材制造技术,则以设计数据为基础,将材料(包括液体、粉材、线材或块材等)自动化地累加起来成为实体结构的制造方法。

增材制造技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序,利用三维设计数据在一台设备上可快速而精确地制造出任意复杂形状的零件,从而实现“自由制造”,解决许多过去难以制造的复杂结构零件的成形,并大大减少了加工工序,缩短了加工周期。越是复杂结构的产品,其制造的速度优势越显著。近年来,增材制造技术取得了快速的发展。增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多增材制造设备。

根据3D打印所用材料的状态及成形方法,3D打印技术可以分为熔融沉积成形、光固化立体成形、分层实体制造、电子束选区熔化、激光选区熔化、金属激光熔融沉积、电子束熔丝沉积成形。现将目前增材制造技术不同分类的主要技术原理和技术特点进行列表整理,如表1所示。

表1 增材制造技术的分类及特点

技术名称

技术原理

技术特点

1.   熔融沉积成形

Fused   Deposition Modeling, FDM

以丝状的PLA、ABS等热塑性材料为原料,通过加工头的加热挤压,在计算机控制下逐层堆积,得到成形的立体零件。

最常见的3D打印技术,技术成熟度高,成本较低,可以进行彩色打印。

2. 光固化立体成形

Stereo   Lithography Apparatus, SLA

利用紫外激光逐层扫描液态的光敏聚合物(如丙稀酸树脂、环氧树脂等),实现液态材料的固化,逐渐堆积成形。

可制作结构复杂的零件,零件精度及材料利用率高,缺点是可成形的材料种类少,工艺成本高。

3. 分层实体制造

Laminated   Object Manufacturing, LOM

以薄片材料为原料,如纸、金属箔、塑料薄膜,在材料表面涂覆热熔胶,再根据每层截面形状进行切割粘贴,实现零件的立体成形。

速度较快,可以成形大尺寸的零件,但材料浪费严重,表面质量差。

4. 电子束选区熔化

Electron   Beam Melting, EBM

在真空环境下以电子束为热源,以金属粉末为成形材料,通过不断在粉末床上铺展金属粉末然后用电子束扫描熔化,使一个个小的熔池相互熔合并凝固,这样不断进行形成一个完整的金属零件实体。

可成形出结构复杂、性能优良的金属零件,但成形尺寸受到粉末床和真空室的限制。

5. 激光选区熔化

Selective   Laser Melting, SLM

该技术原理与电子束选区熔化成形技术相似,基于粉末床的铺粉成形技术,热源由电子束换成了激光束。

可成形出结构复杂、性能优异、表面质量良好的金属零件,但目前无法成形出大尺寸的零件。

6. 金属激光熔融沉积

Laster   Direct Melting Deposition, LDMD

以激光束为热源,通过自动送粉装置将金属粉末同步、精确的送入激光在成形表面上所形成熔池中。随着激光斑点的移动,粉末不断地送入熔池中熔化然后凝固,得到所需形状。

可成形大尺寸的金属零件,但是无法成形结构非常复杂的零件。

7. 电子束熔丝沉积成形

Electron   Beam Freeform Fabrication, EBF

在真空环境中,以电子束为热源,金属丝材为成形材料,通过送丝装置将金属丝送入熔池并按设定轨迹运动,直到制造出目标零件或毛坯。

方法效率高,成形零件内部质量好,但成形精度及表面质量差,且不适用于塑性较差的材料,因无法加工成丝材。

8. 气相沉积成型

P/CVD

物理气相沉积(PVD)在真空条件下,将材料源--固体或液体表面汽化成气态原子、分子或部分电离成离子,并通过低压气体或等离子体,在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术,主要方法有真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀、分子束外延。

工艺过程简单,无污染,耗材少,成膜均匀致密,与基体的结合力强。

化学气相沉积(CVD)把含有构成薄膜元素的气态反应剂或液态反应器的蒸汽及反应所需的其他气体引入反应室,在衬底表面发生化学反应生成薄膜的生长过程。

可制作金属、非金属及多成分合金薄膜;成膜速度快,同时制作多工件的均匀镀层;纯度高,致密性好,残余应力小,薄膜结晶良好。

9. 堆焊成型

Overlay   Welding, OW

利用高频电火花放电原理,对工件进行无热堆焊,修补金属工件的表面缺陷与磨损,能保证工件的完好性。

冷堆焊设备对金属工件修补后不变形、不退火、溶解强度高、耐磨性好,常用于精密铸件的修复及表面强化。

10. 电铸成型

把预先按所需形状制成的电铸模作为阴极,用电铸材料作为阳极,放入与阳极材料相同的金属盐溶液中,通以直流电。在电解作用下,电铸模表面逐渐沉积出金属电铸层,达到所需的厚度后从溶液中取出,将电铸层与原模分离,得到与原模形状相对应的金属复制件。

准确复制出芯模的表面形貌,可将难以甚至不能进行的内型面加工转变为容易进行的外形面加工,提高加工零件的精度,容易得到符合多层结构。

11. 微粒悬浮喷射成型

Aerosol   Jet Technology, AJT

将液体材料雾化后,通过惰性气体送到端部的沉积头,然后雾化的材料流被沉积处的环形气体聚集沉积,高速喷射到基体表面,实现印刷成型。

可实现微细的电子及生物医学结构的印刷成型。

 

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增材制造产业链分析

 

 

增材制造产业链十分庞大,覆盖整个制造业,从结构上可以分为上游产业、中游产业和下游产业,如图1所示。

图 1 增材制造产业链结构

2.1 上游产业

主要是指3D打印前处理模块产业,以3D模型设计软件公司和3D模型扫描设备公司为主。3D模型设计软件公司的主要代表有因Pro/E三维设计软件(后更名为Creo)而闻名的美国参数技术公司(PTC)和主营产品为UG的德国西门子自动化与驱动集团(A&D)。3D模型扫描设备公司的典型代表有主要产品为便携式3D扫描仪的加拿大Creaform公司和非接触式激光扫描器制造经销商美国3D Digital公司。

2.2 中游产业

主要由装备生产商和材料生产商两类公司构成,公司主要集中在美国和欧洲,代表了3D打印技术的最高水平。美国3D systems公司是全球最大、成立最早的增材制造装备生产公司,其专利技术保证了在其在全球市场占有稳定份额;美国Stratasys公司,全球第二大增材制造装备生产公司,其三维打印机产品种类丰富,覆盖生产制造各个流程;德国EOS GmbH公司,全球领先的SLS/SLM生产公司,主要产品包括烧结塑料粉材的SLS系统成形机、烧结金属粉材的SLM系统成形机;德国的Concept Laser公司在激光熔化技术领域处于领先地位,该公司拥有激光熔化技术专利,主要产品是X系列1000R工业级3D打印平台,该产品的构建尺寸在激光融熔金属3D打印领域中是最大的,可用于汽车和航空工业大尺寸部件的快速制造。

图2 ASA 热塑性塑料应用于3D打印*

此外,还有一些专业增材制造材料生产商,如:美国Huntsman Corporation公司,主要生产SLA成形材料;瑞典Sandvik集团,其金属粉末材料产品在增材制造金属粉末全球市场,尤其是在中国市场,已被广泛应用于工业装备制造、航空航天等重要领域;加拿大Raymor公司,通过独特的等离子雾化工艺,制备出金属球型钛粉和钛合金粉末,适用于激光沉积、快速成型、热等静压、涂层等。

2.3 下游产业

主要是指运用增材制造技术的服务商和客户群体。一般而言,国外装备生产商都能够提供加工服务,但都不作为其主营业务。相反,国内一些设备代理商,因为无法推销出设备而进入了服务领域。

增材制造技术实质上是一种加工技术,如同机床一样最终会全面渗透到各行各业,一些企业已经购置了设备进行研发和生产工作,所涉领域包括汽车、电子、能源、生命科学、航空航天、国防制造等在内的多个重要领域。

 

 

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我国增材制造产业发展现状

 

 

3.1 产业发展初具规模

据中国增材制造产业联盟统计,2016年我国增材制造产业规模已达80亿元,产业规模实现较快增长,涌现出杭州先临三维、西安铂力特、湖南华曙、北京鑫精合、青岛三迪时空等具有一定竞争力的装备制造和服务企业,以及渭南高新区3D打印产业培育基地、安徽春谷3D打印智能装备产业园等产业集聚区。目前,北京、陕西、广东、湖北、上海等地基本形成产品设计、专用材料、关键器件、装备、工业应用等相关环节的较为完整产业链条,产业整体发展势头良好。据统计,2016年,广东省从事增材制造业务的企业超过400家,实现产值近37亿元。其中,2016年,陕西省增材制造产业规模超过10亿元。北京市从事增材制造技术研发、生产与服务的企业达70家以上,2016年实现销售收入约5亿元。

3.2工艺技术不断突破

我国增材制造的工艺技术水平加速提升,一批工艺装备、关键零部件、软件系统实现突破。如西安铂力特激光成形技术公司研发的激光选区熔化装备,在铺粉效率、定位精度等关键技术指标上已达到国际先进水平。湖南华曙高公司已开发出全球首款开源一体化工业级3D打印智能控制系统。易博三维研制出国内首台微型金属桌面增材制造装备。江苏永年激光通过与激光器生产企业武汉锐科合作,共同推动国产大中功率激光器在增材制造的推广和应用。华中科技大学研发的“智能微铸锻一体化”金属增材制造技术,产品的部分技术指标和性能均超过传统铸件的性能。佛山峰华卓立新开发出了阵列喷嘴全自动砂型增材制造机,用其打印的砂型各项参数接近国外先进水平。中航迈特研发的真空感应气雾化制粉炉突破国外技术封锁,且形成年产10台(套)的制备能力。

3.3 高校院所拥有一批高水平研发团队

我国高校和科研机构在增材制造技术领域的研究起步较早,早在20世纪90年代初,清华大学、西安交通大学等就开始了对增材制造的研究。其中华中科技大学侧重选择性激光烧结技术,清华大学侧重熔融沉积成型技术,北京航空大学和西北工业大学主要集中对金属材料的研究,西安交通大学重点研究立体光固化成型技术。

经过多年的积累,逐渐形成了代表中国增材制造最高水平的研发团队,涌现出一批学科和行业带头人。如清华大学颜永年、北京航空航天大学王华明、华中科技大学史玉升、西安交通大学卢秉恒、西北工业大学黄卫东、华南理工大学杨永强。此外,大连理工大学、南京航空航天大学、中北大学以及中科院深圳先进研究院、自动化所等科研机构在设备研制、软件开发、产品制造和材料研发等领域开展了一系列的研究。

3.4 主要应用于先进制造相关领域

近20年来,增材制造技术发展日趋成熟,美国和欧洲知名龙头企业正不断收购中小企业,开发新材料、新工艺,发展零部件的快速制造技术。在国内,针对材料、工艺和设备的研究成果部分已实现产业化,应用范围覆盖航空航天、汽车、生物医疗和装备制造等重要领域。

3.4.1航空航天领域

西安铂力特激光成形技术有限公司针对航空航天极端复杂的精密构件加工制造问题,利用SLM技术,解决了随形内流道、复杂薄壁、镂空减重、复杂内腔、多部件集成等复杂结构问题,每年可为航空航天领域提供复杂精密结构件8000余件。

中航迈特粉冶科技(北京)有限公司利用自产的球形镍基高温合金粉末GH3536生产的发动机燃油喷嘴,已经成功应用于某型号飞机,实现了发动机关键部位的合理结构设计,多零件整合以及整体减重。

鑫精合激光科技发展(北京)有限公司采用激光选区熔化技术自主研发制备了大尺寸薄壁钛合金点阵夹层结构件——集热窗框,满足了火星车产品的技术要求,保障了火星车产品的顺利研发与实验。

3.4.2汽车领域

安徽恒利增材制造科技有限公司利用SLS技术和石膏型真空增压铸造技术融合,制造实现一体化制造双金属复合发动机缸体,改变传统开模具和组砂型铸造的模式,替代进口,已经成功应用在奇瑞汽车、东风汽车、广汽、全柴等企业。

万向电动汽车有限公司将增材制造技术用于汽车设计、试制阶段,打印制作仪表台、空调面板、大灯模型等内外饰件,在设计早期验证产品装配可行性时,能及时发现产品设计差错,极大缩短了开发周期。

萨普汽车科技有限公司引入华曙高科相关设备用于汽车空调设计,极大降低了开模成本,缩短了研发周期。

3.4.3船舶领域

上海电气集团公司依托“3D打印燃气轮机轴向旋流器工业化应用探索”项目,成功制备出符合性能要求的部件,可协助完成重型燃气轮机关键零部件的原型设计与优化,后期将考虑替代传统铸锻零件,直接利用金属3D打印部件装机。

中国船舶重工集团第七二五研究所利用电子束熔丝沉积表面改性和修复技术制备船用螺旋桨,经检测,样件无内部质量缺陷,综合性能优于传统铸造方式生产的叶片。

3.4.4表面修复领域

机械科学研究总院先进制造技术研究中心与德国弗朗霍夫激光技术研究所合作,引入国内首台激光高速熔覆修复系统,应用自制高性能微细金属粉末,可实现修复速度最快达200 m/min,是目前最快速度的40-50倍,可替代电镀,相关成果在北煤机、郑煤机、平煤机等企业推广。

3.4.5生物医疗领域

增材制造技术可满足个性化、小批量、大规模的医疗需求,已经广泛应用在体外医疗器械制造领域,如齿科、手术导板等领域,现正向着个性化永久植入物、临床修复治疗和药物研发试验等领域扩展,未来将致力于生物组织、器官的直接打印。

湖南华曙高科技公司利用选择性激光烧结技术,借助CT扫描“打印”出骨折部位的术前模型,使得手术更精确,手术时间可节约三分之一以上,已在湘雅医院、长沙市三医院有了2000余例成功临床病例。

广州迈普再生医学科技公司研发了具有国际先进水平的可个性化定制的生物增材制造装备,可满足对非均质多种材料三维结构的成形要求以实现复杂组织器官快速制造,突破了现有装备的打印精度、速度和效率等性能瓶颈。其开发的硬脑膜产品“睿膜”已获得美国FDA、国家食品药品监督管理总局、欧盟CE的批准,目前已应用于近万名患者的脑膜修复手术。

杭州捷诺飞生物科技公司利用3D打印的肝单元Regen-3D-liver组织,用于药物临床前筛选,被Merck等制药公司使用。

3.4.6文化创意领域

青岛智生三维制造公司与珠宝厂商施华洛世奇合作,实现3D打印定制珠宝首饰,极大降低了成本,满足了个性化需求。

安徽中科镭泰激光科技有限公司运用建模软件设计、3D打印蜡模,再翻模制作金属首饰“清风荡漾”,实现产品内部结构架空交错,补充了传统制造技术的短板。

综合来看,在增材制造应用推广方面,简单的采用增材制造替代现有的铸造锻造,制作同样的部件,市场较为有限。如能从零部件设计阶段介入,优化复杂精密零部件的设计,实现轻量化,并能缩短制造周期和成本,提升部件综合性能,进而带来整个产品的升级换代,这将充分发挥增材制造对整个制造业带来的推动作用,体现出其价值和效益。目前国外行业巨头已在相关领域进行应用探索,例如,GE公司在2012年11月收购了3D打印公司Morris Technologies,用来打印飞机引擎中的零部件;三菱电机公司采用增材制造技术实施部分汽轮机末端叶片的生产工作;西门子公司也计划采用金属3D打印技术制造和修复燃气轮机的某些金属零部件。

 

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我国增材制造产业发展面临的主要问题

 

 

增材制造技术在我国发展已有30年,但是近年来才为人们广泛熟知。无论是增材制造设备,还是新型材料的研发以及与传统制造相结合的衍生技术,国内均有研究并且取得突破,在国家的大力支持下,我国增材制造产业发展迅速,但也面临着诸多挑战。

4.1材料方面

增材制造产业的核心在于重点材料的研发和生产,材料性能决定产品力学性、稳定性和生物相容性等其他特殊性质。我国对重点材料,尤其是金属、光固化等材料的研发和生产能力有待加强。

4.2知识产权方面

增材制造颠覆了传统制造行业,并与知识产权的保护和应用密切相关。从专利的三种形式看,发明和实用新型注重物体结构,外观设计则注重物体外形,增材制造既涉及物体结构,也涉及外形,与知识产权关系密切。同时增材制造还涉及专利法、著作权法、商标法等法律法规。作为一个新兴行业,增材制造正处于快速发展时期,但知识产权相关法律法规相比行业发展,还存在一定滞后性。

4.3行业标准方面

增材制造行业标准的缺失是世界范围的问题,行业标准的缺乏导致了行业畸形扩张、恶性竞争等不良现象出现,这一点在国内尤为明显。我国经过30年的产业发展,已经涌现出以湖南华曙高科技有限责任公司为代表的优秀企业,应积极推动优秀企业参与国际国内行业标准的制定,更好地规范行业发展。

4.4安全方面

增材制造在安全方面的问题,主要包括两个方面:一是部分打印材料对环境和人体的危害性。以目前最为常用光固化材料为例,其含有的挥发性有机化合物对环境及人体会产生一定损害;二是打印产品对国家安全的潜在危害性。例如,利用增材制造技术制造武器等,相关安全问题已引起社会的关注和讨论。

4.5尺寸方面

国内增材制造设备一直面临着装备成型尺寸小、生产零件受限、无法满足大型工业设备的现象。目前世界上最大的3D打印机,工作面尺寸也仅为400毫米×400毫米。由重庆大学牵头的“3D打印关键技术与装备研制”项目,计划制造出工作面尺寸为2米×2米的3D打印机,大大提高了打印产品的尺寸范围。

 

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我国增材制造产业发展趋势

 

 

近年来,我国相继发布《中国制造2025》《国家增材制造产业发展行动计划(2015~2016年)》,以及2017年增材制造重点专项,为我国增材制造产业发展指明了方向。

5.1研发生产增材制造专用材料

依托高校、科研机构开展增材制造专用材料特性研究与设计,鼓励优势材料生产企业从事增材制造专用材料研发和生产,突破一批增材制造专用材料。针对金属增材制造专用材料,优化粉末大小、形状和化学性质等材料特性,开发满足增材制造发展需要的金属材料。针对非金属增材制造专用材料,提高现有材料在耐高温、高强度等方面的性能,降低材料成本。

5.2提高增材制造工艺技术

开发数字模型、专用工艺软件及控制软件,支持企业研发增材制造所需的建模、设计、仿真等软件工具,在三维图像扫描、计算机辅助设计等领域实现突破。解决金属构件成形中高效、热应力控制及变形开裂预防、组织性能调控,以及非金属材料成形技术中温度场控制、变形控制、材料组份控制等工艺难题。  

5.3研制增材制造装备及核心器件

依托优势企业,加强增材制造专用材料、工艺技术与装备的结合,研制推广使用一批具有自主知识产权的增材制造装备,不断提高金属材料增材制造装备的效率、精度、可靠性,以及非金属材料增材制造装备的高工况温度和工艺稳定性。

5.4建立和完善产业标准体系

研究制订增材制造工艺、装备、材料、数据接口、产品质量控制与性能评价等行业及国家标准,开展质量技术评价和第三方检测认证,促进增材制造技术的推广应用。

5.5应用示范成熟技术产品

依托国家重大工程建设,着重解决金属材料增材制造在航空航天领域应用问题,在具备条件的情况下,在国防军工其他领域予以扩展。在技术相对成熟的产品设计开发领域,发展增材制造服务中心和展示中心,通过为用户提供快速原型和模具开发等方式,促进增材制造的推广应用。

 

 

6
结语

 

 

增材制造产业发展迅速,一批有生命力的研发机构和科技型企业正在蓬勃发展。尽管如此,由于增材制造产业处于   发展初期,仍呈现出材料单一、精度低、规模化程度低等特点。我国必须加速研发核心技术与原创技术,打造自己的创新链与产业链。加大对增材制造专用材料、装备及核心器件研发基地建设的支持力度,加快形成产业集聚发展,提升产业创新能力,尽快形成产业规模。

 

参考文献:

1. 卢秉恒,李涤尘。《增材制造( 3D 打印) 技术发展》[J]Machine Building Automation,2013,42(4):1~4

2. 王广春。《增材制造技术及应用实例》机械工业出版社[M] 2014.2

3. 廖文俊,胡捷。《增材制造技术的现状和产业前景》[J]装备机械,2015,1~7

4. 李方正。《中国增材制造产业发展及应用情况综述》[J]工业技术创新,2017,4(4):1~5

5. 张学军,唐思熠等。《3D打印技术研究现状和关键技术》[J]材料工程,2016,44(2):122~128

6. 伏欣。《国内增材制造(3D打印)技术发展现状与研究趋势》[J]中国高新技术企业,2016,24:27~28

*图片来源:Stratasys汽车行业

网址: http://www.stratasys.com.cn/automotive#automotive

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3D打印增材制造

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