2020增材制造产业发展现状问题和趋势分析 报告目录 1.增 材 制 造 技 术 概述 . 3 2.增 材 制 造 产 业 链 分 析 . 6 2.1 上 游 产 业 . 6 2.2 中 游 产 业 . 6 2.3 下 游 产 业 . 7 3.我 国 增 材 制 造 产 业 发 展 现状 . 8 3.1 产 业 发 展 初 具 规 模 . 8 3.2 工 艺 技 术 不 断 突 破 . 8 3.3 高 校 院 所 拥 有 一 批 高水 平研 发 团队 . 9 3.4. 主 要 应 用 于 先 进 制 造相 关领域 . 10 3.4.1 航 空 航 天 领域 . 10 3.4.2 汽 车 领域 . 11 3.4.3 船 舶 领域 . 11 3.4.4 表 面 修 复 领域 . 12 3.4.5 生 物 医 疗 领域 . 12 3.4.6 文 化 创 意 领域 . 13 4.我 国 增 材 制 造 产 业 发 展 面临 的 主 要 问题 . 14 4.1 材 料 方 面 . 14 4.2 知 识 产 权 方 面 . 14 4.3 行 业 标 准 方 面 . 15 4.4 安 全 方 面 . 15 4.5 尺 寸 方 面 . 15 5.我 国 增 材 制 造 产 业 发 展 趋势 . 16 5.1 研 发 生 产 增 材 制 造 专用 材料 . 16 5.2 提 高 增 材 制 造 工 艺 技 术 . 16 5.3 研 制 增 材 制 造 装 备 及核 心器件 . 17 5.4 建 立 和 完 善 产 业 标 准体 系 . 17 5.5 应 用 示 范 成 熟 技 术 产 品 . 17 6.结语 . 17 我国增材制造产业发展现状、问题和趋势分析 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，通过自动送粉装臵将金属粉末同步、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，通过送丝装臵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。 2. 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。 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，一些企业已经购臵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。 3. 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