我国3D打印技术发展现状及环境分析073530.pdf

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1、其身正，不令而行；其身不正，虽令不从。论语以铜为镜，可以正衣冠；以古为镜，可以知兴替；以人为镜，可以明得失。旧唐书魏征列传 .学习.资料.我国 3D 打印技术发展现状及环境分析 摘要：3D 打印技术已获得迅速发展，并受到世界各国广泛关注，基于目前 3D 打印技术发展的现实情况，着重分析我国 3D 打印技术发展现状以及面临的环境条件，并提出我国 3D 打印技术发展与应用的对策建议，以便为我国抢抓 3D 打印技术发展机遇提供重要技术支撑。近年来，3D 打印技术获得迅速发展，并受到世界各国的广泛关注，美国科学家将 3D 打印产业列为“美国十大增长最快的工业”之一，有的甚至期望 3D 打印这种神奇的技

2、术能带来“第三次工业革命”12。军事强国加大技术研发力度，3D 打印技术成熟度及性能不断提升，3D 打印精度和速度不断提高，打印成本越来越低，打印原材料更加丰富；主要国家积极探索 3D 打印技术在武器装备设计、制造和维修保障中的应用，已经通过 3D 打印技术成功“打印”出手枪；美军应用 3D 打印技术，辅助研制了导弹用的弹出式点火器模型；美国 GE 集团已应用3D 打印技术制造喷气发动机3。随着世界各国不断加大对 3D 打印技术的研发与投入，我国也开始高度重视 3D 打印技术发展与应用，已持续加大对 3D 打印技术支持，在若干关键技术方向取得了重要突破，在多个领域的应用取得重要进展，3D 打印

3、技术发展的支撑环境条件更加完善。一、我国 3D 打印技术发展现状 我国 3D 打印技术发展与发达国家相比，虽然在技术标准、技术水平、产业规模和产业链方面还存在大量有待改进和发展的地方，但经过多年的发展，已形成以以铜为镜，可以正衣冠；以古为镜，可以知兴替；以人为镜，可以明得失。旧唐书魏征列传人之为学，不日进则日退，独学无友，则孤陋而难成；久处一方，则习染而不自觉。顾炎武 .学习.资料.高校为主体的技术研发力量布局，若干关键技术取得重要突破，产业发展开始起步，形成了小规模产业市场，并在多个领域成功应用，为下一步发展奠定了良好基础。(一)初步建立以高校为主体的技术研发力量体系 自上世纪 90 年代初

4、开始，航空航天大学、西北工业大学、华中科技大学、交通大学、清华大学等高校相继开展了 3D 打印技术研究，成为我国开展 3D 打印技术的主要力量，推动了我国 3D 打印技术的整体发展。航空航天大学“大型整体金属构件激光直接制造”教育部工程研究中心的王华明团队，西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东团队主要开展金属材料激光净成形直接制造技术研究。清华大学生物制造与快速成形技术市重点实验室颜永年团队主要开展熔融沉积制造技术、电子束融化技术、3D 生物打印技术研究。华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室史玉升团队主要从事塑性成形制造技术与装备、快速成形制造技术与装备、快速三维测量技术与装备等

5、静压近净成形技术研究。交通大学制造系统工程国家重点实验室，以及快速制造技术及装备国家工程研究中心的卢秉恒院士团队主要从事高分子材料光固化 3D 打印技术及装备研究。4(二)整体实力不断提升，金属 3D 打印技术世界领先 我国增材制造技术从零起步，在广大科技人员的共同努力下，技术整体实力不断提升，在 3D 打印的主要技术领域都开展了研究，取得一大批重要的研究成果，特别是在高性能金属零件激光直接成形技术方面取得重大突破，技术水平达到世界领先。高性能金属零件激光直接成形技术世界领先，攻克了金属材料 3D 打印一寸光阴一寸金，寸金难买寸光阴。增广贤文丹青不知老将至，贫贱于我如浮云。杜甫 .学习.资料.

6、的变形、翘曲、开裂等关键问题，成为首个利用选择性激光烧结(SLS)技术制造大型金属零部件的国家。航空航天大学已掌握使用激光快速成形技术制造超过12 平方米的复杂钛合金构件。西北工业大学的激光立体成形技术可一次打印超过 5 米的钛金属飞机部件，构件的综合性能达到或超过锻件。航空航天大学和西北工业大学的高性能金属零件激光直接成形技术已成功应用于制造我国自主研发的大型客机 C919 的主风挡窗框、大中央翼根肋，以及正在设计的第五代战斗机的钛合金主体结构，成功降低了飞机的结构重量，提高了战机的推重比，缩短了设计时间5。(三)产业化进程加快，初步形成小规模产业市场 利用高校、科研院所的研究成果，依托相关

7、技术研究机构，我国已涌现出 20 多家增材制造设备与服务企业。隆源自动成型系统，1993 年开始研发选区粉末烧结激光快速成型机并取得自主知识产权，广泛应用于航空航天、船舶兵器等行业的设计试制部门；太尔时代科技自主研发了拥有完全自主知识产权的控制系统、机械系统、打印材料等 3D 打印机核心技术；紫金立德公司专业从事 3D 打印机及其耗材的开发、生产、销售，并提供相关服务；铂力特激光成形技术是激光快速成形技术的产业化公司，公司产品已在国家多项重点型号研制和生产过程中得到应用，如应用于 C919 大型商用客机中央翼身缘条钛合金构件的制造，是目前国金属 3D 打印技术领先者；滨湖机电技术产业主要生产

8、LOM、SLA、SLS、SLM系列产品并进行技术服务和咨询，1994 年就成功开发出我国第一台快速成型装备薄材叠层快速成形系统，开发生产的大型激光快速制造装备具有国际领先水平，2013 年，成功开发出全球首台工作台面 1.4m*1.4m 的四振镜激光器选择性谋事在人，成事在天！增广贤文人人好公，则天下太平；人人营私，则天下大乱。刘鹗 .学习.资料.激光粉末烧结装备，标志着其粉末烧结技术达到国际领先水平。据中国 3D 打印技术产业联盟数据，2012 年，我国 3D 打印市场规模约为 10 亿元，2013 年翻一翻达到 20 亿元，2014 年达到 50 亿元6。未来几年，中国 3D 打印市场每年

9、将至少以 1 倍以上的速度成长，规模或达百亿元。(四)应用取得突破，在多个领域显示了良好的发展前景 随着关键技术的不断突破，以及产业的稳步发展，我国 3D 打印技术的应用也取得较好进展，已成功应用于设计、制造、维修等产品全寿命周期。一是在设计阶段，已成功将 3D 打印技术广泛应用于概念设计、原型制作、产品评审、功能验证等，显著缩短了设计时间，节约了研制经费。在研制歼-15、歼-16 和歼-31 等战斗机过程中，利用金属 3D 打印快速制造钛合金主体结构，在一年之连续组装出多款飞机进行飞行实验，显著缩短了研制时间7。运-20 在做首飞前的静力试验时发现起落架连接部位一个很复杂的结构件出了问题，需

10、要更换材料，重新加工。采用 3D 打印技术，在很短的时间生产出了需要的部件，保证了试验如期进行。二是在制造领域，已将 3D 打印技术应用于飞机紧密部件和大型复杂结构件制造。我国国产大型客机 C919 的中央翼根肋、主风挡窗框都采用 3D 打印技术制造，显著降低了成本，节约了时间。C919 主风挡窗框若采用传统工艺制造，国制造能力尚无法满足，必须向国外订购，时间至少需要 2 年，模具费需要 1300万元。采用激光快速成形 3D 打印技术制造，时间缩短到 2 个月，成本降低到 120万元。三是在维修保障领域，3D 打印技术已成功应用于飞机部件维修。当前，我国已将 3D 打印技术应用于制造过程中报废

11、和使用过程中受损的航空发动机叶常将有日思无日，莫待无时思有时。增广贤文以家为家，以乡为乡，以国为国，以天下为天下。管子牧民 .学习.资料.片的修复，以及大型齿轮的修复。以大型舰船伴随保障为背景的 3D 打印技术 973项目成功立项，将对 3D 打印应用于伴随保障的重大基础问题进行研究。二、我国 3D 打印技术发展面临的环境 随着技术的不断发展及广泛应用，3D 打印技术受到越来越多的重视，我国 3D 打印技术发展的机遇和挑战并存。(一)我国已对 3D 打印技术高度重视与大力支持，为 3D 打印技术发展提供了有力的政策支撑环境 当前，我国正大力推进经济发展模式转型，高端制造业成为工业发展的重要方向

12、，3D 打印已经开始受到国家的高度重视，3D 打印技术发展已被提升到国家战略层面，有关部门正在制定支持 3D 打印产业发展的专项政策。2013 年国庆前夕，中共中央政治局以实施创新驱动发展战略为主题开展第九次集体学习，学习期间，中央领导专门考察了中关村与 3D 打印相关的研发和生产企业，表明我国上层开始重视 3D 打印技术的发展。科技部最新制定的国家高技术研究发展计划、国家科技支撑计划制造领域 2014 年度备选项目征集指南中，也明确提出系列支持 3D 打印技术发展的政策，提出把“3D 打印关键技术、装备研制聚焦航空航天、模具领域的需求”作为重点研究，力求突破 3D 打印制造技术中的核心关键技

13、术。此外，国家在2013 年产业振兴和技术改造专项重点专题，中华人民国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要，国务院关于印发工业转型升级规划（2011-2015 年），国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定，高端装备制造业“十二五”发展规划等文件中，都提出要加大对古之立大事者，不惟有超世之才，亦必有坚忍不拔之志。苏轼常将有日思无日，莫待无时思有时。增广贤文志不强者智不达，言不信者行不果。墨翟谋事在人，成事在天！增广贤文 .学习.资料.造业，发达国家在技术上领先幅度并不大，为我国赶超世界先进技术水平留下了机会。(三)我军武器装备发展模式正在向自主创新转变，对 3D 打印技术的发展提出了迫切

14、需求 当前，新一轮工业革命已经吹响了号角，新型数字化制造特别是 3D 打印技术的发展为新工业革命的即将来临提供了无限遐想，我国正在按照国防和军队现代化建设“三步走”战略构想，加紧完成机械化和信息化建设双重历史任务，国防科技和武器装备的发展模式正在由跟踪模仿向自主创新转变，对 3D 打印技术的发展提出了迫切的需求。3D 打印技术是满足武器装备研制对快速制造需求的有效手段。近年来，新型武器装备的研制显著提速，仅仅在航空领域就有歼-20、歼-15、歼-31、运-20 等多种型号军用飞机在同步研制。复杂武器装备研制是一个重复迭代过程，每一轮设计调整到实验都需要制造原型机，传统制造方式需要制造模具，时间

15、长、花费多，常常造成新型武器装备研制周期长、成本高。3D 打印技术可直接根据数字化设计制造零件，可以大大节约样品制作时间，极缩短产品的研制周期，降低研制成本。3D 打印技术是满足高性能武器装备生产对复杂结构制造需求的有效手段。3D 打印技术几乎可以成型任意形状的零件，特别适用于制造具有复杂部结构的零件，如制造复杂的钛合金结构部件，具有复杂部冷却通道的航空发动机涡轮叶片，部材料和结构复杂的坦克装甲等关键武器零部件。(四)发达国家大力发展 3D 打印技术，对我国 3D 打印技术的发展提出了严峻的挑战 以铜为镜，可以正衣冠；以古为镜，可以知兴替；以人为镜，可以明得失。旧唐书魏征列传其身正，不令而行；

16、其身不正，虽令不从。论语 .学习.资料.近年来，美、英、日等发达国家高度重视 3D 打印技术，大力推进 3D 打印技术发展，技术研发与产业应用不断取得重要进步，有进一步拉大与我领先优势的趋势，我国 3D 打印技术面临严峻挑战。一方面，美国、英国等将 3D 打印技术列为国家重点发展技术，集全国之力进行发展，抢占发展先机。2012 年，美国在重整制造业计划中将 3D 打印技术列为重点发展的11 项技术之一，并作为其“全美制造业创新网络”首家研究中心的主要研究方向8。英国技术战略委员会也在“未来的高附加值制造技术展望”中，将 3D 打印增材制造作为提升国家竞争力，应对未来挑战的 22 个应优先发展技

17、术之一。2013 年 1 月，英国、德国、法国、意大利的产业界、学术界和政府间组织联合启动投资 2 千万欧元的欧洲 3D打印技术研究计划，研究利用增材制造原理快速加工无缺陷零废料的大尺寸金属零件的技术，这是目前欧洲在 3D 打印领域最大的研究合作机构和计划。2014 年，日本投入 3960 万美元启动国家 3D 打印项目，开展 3D 打印设备和精密 3D 成形技术的研发。另一方面，美国等发达国家的 3D 打印技术研究取得重要进展，技术成熟度及性能显著提升。2012 年，美国 Sciaky 公司的新型电子束 3D 打印技术取得重要突破，具备大型金属部件加工能力，美国国防部和洛克希德马丁公司准备将

18、其用于生产 F-35 战斗机的钛、钽、铬镍铁合金等高价值材料的高品质零部件。3D Systems 公司的激光熔融技术取得重要进展，美国空军将在此基础上开发用于打印 F-35 战斗机和其他武器系统的 3D 打印机。美国太空制造公司的太空 3D 打印技术已具备应用于太空站维修、升级和延寿，载荷升级改进，硬件太空制造等方面的能力，2014 年向国际空间站运送了首台 3D 打印机8。最后，欧美已形成了包含材料制备、软件开发、装备生产和应用服务等相对完整的产业链条，领先的产业格局基本形成。美国 3D systems、Stratasys 公司、德国 EOS我尽一杯，与君发三愿：一愿世清平，二愿身强健，三愿

19、临老头，数与君相见。白居易以铜为镜，可以正衣冠；以古为镜，可以知兴替；以人为镜，可以明得失。旧唐书魏征列传 .学习.资料.公司的营业收入遥遥领先，已形成了寡头垄断的市场竞争格局。2013 年全球 3D打印市场规模约 40 亿美元，其中美国和欧洲占据了 25 亿美元。按国家统计工业级 3D 打印机数量，美国占 38%，日本占 9.7%，德国占 9.4%，我国仅占 8.7%。随着 3D 打印技术的发展与广泛应用，我国传统制造业优势将不复存在。如果我国不能抓住 3D 打印技术发展机会，我国的制造业将面临严峻的挑战，美国甚至称“技术进步将使中国的制造业像过去 20 年里美国制造业那样迅速衰落”。三、启

20、示建议 着眼我国国情、军情，以及 3D 打印技术发展现状，为加快推进 3D 打印技术的发展与应用，要加强组织管理，开展基础研究和标准规研究，加强 3D 打印材料和软件技术研发。(一)加强组织管理，为 3D 打印技术发展与应用创造政策支撑条件 3D 打印技术发展与应用涉及技术广、覆盖领域宽、影响围大、特别是对现代工业体系和制造领域影响显著，必须坚持创新驱动发展战略，加强管理和顶层设计，为我国 3D 打印技术发展与应用的科学有序展开奠定基础。一是要从国家层面重视对 3D 打印技术发展的规划设计，做到统一发展规划、统一资源配置、统一技术体制、统一基础设施建设，确保 3D 打印技术发展与应用的科学实施

21、，防止规划乱象，标准不一。二是要突出需求牵引，深入分析我国 3D 打印技术发展与应用的目标、方向和重点，坚持把技术应用好作为衡量技术发展的基本准则，把实现应用的社会效益、军事效益和经济效益作为核心目标，切实提高 3D 打印技术水平。三是要深化系统管理，充分考虑 3D 打印技术发展政策、产业发展政策、忍一句，息一怒，饶一着，退一步。增广贤文老当益壮，宁移白首之心；穷且益坚，不坠青云之志。唐王勃 .学习.资料.财税支持政策等因素，运用系统管理的理论与方法综合全面地对 3D 打印技术发展与应用的相关要素实施最优化配置和前瞻规划。(二)开展基础研究和技术标准规研究，为 3D 打印技术发展与应用提供基础

22、支撑 基础研究和标准规研究是推动 3D 打印技术发展和应用的根本保证，应在国家和军队数字制造发展计划框架下，加强制造原理、方法、工艺、材料、标准和规等方面的研究创新，为 3D 打印技术发展与应用打下基础。一是开展基础研究，进一步提高 3D 打印的成形精度与打印速度，研发出更多可供 3D 打印的材料，使3D 打印技术能够更好地满足应用需求。开展 3D 打印制造原理、方法、工艺、设备的基础研究，加强粉末原材料、材料工艺、成形工艺等基础技术研究，进一步提升 3D 打印的精度和效率；开展各类 3D 打印工艺的机理分析，提供工艺优化基础，支持与 3D 打印配套的工艺基础理论研究；开展激光器、振镜、光路系

23、统等关键零部件的研发与制造。二是研究共性技术与标准规，推动技术标准规军民一体化，加快 3D 打印技术在武器装备设计、制造和维修保障中的应用。研究 3D打印的创新原理、方法及其相关支撑技术，包括新材料、新器件（激光器）、智能控制、设计软件、网络数据库、新成形原理、新的设备工艺、巨型结构 3D 打印、微纳 3D 打印、太空环境制造等共性技术；为支撑 3D 打印共性技术快速产业化，研究相关标准与规，包括材料性能标准、软件接口标准、制造质量标准、制造工艺规和元器件性能标准等。(三)加强 3D 打印材料和软件技术研发，满足打印需求 志不强者智不达，言不信者行不果。墨翟勿以恶小而为之，勿以善小而不为。刘备

24、 .学习.资料.3D 打印材料与软件技术的研发和突破是 3D 打印技术推广应用的基础，也是满足打印的根本保证。一是加强材料的研制，形成完备的打印材料体系。近几年，3D打印材料发展比较快，2013 年，金属材料打印增长了 28%，2014 年达到 30%多，约占 3D 打印材料的 12%，金属材料以钛、铝、钢、镍等合金为主，钛合金、高温合金、不锈钢、模具钢、高强钢、合金钢、铝合金等均可作为打印材料，已经广泛应用于装备制造和修复再制造。但目前还没有一个 3D 打印材料体系，现有材料还远不能满足 3D 打印的需求。用于激光立体成形的材料主要是金属惰性材料，下一步需要尝试其他活泼的金属材料打印。未来成

25、形材料发展要实现主要金属材料 3D 打印的工艺与技术基本成熟，并广泛应用于航空航天结构件及发动机关键件的制造；3D 打印材料要成功扩展至瓷及复合材料，并着手探索智能材料与结构、生物材料与活性器官再造等打印材料的研发。二是要推进我国数字化、智能化水平，加强 3D 打印软件设计技术研发。3D 打印的核心就是数字化驱动，由于数字化技术近来发展很快，所以带动了 3D 打印的发展。我国 3D 打印的数字化程度还不高，软件基本用的是国外的。将来 3D 打印能否走向太空，数字化水平很关键，这也是技术走得更远的核心容。目前有必要对由 3D 打印引发的设计体系、设计方式和设计技术本身的发展进行改进，包括对软件技术的研发。