中國增材制造產業(yè)發(fā)展現狀及趨勢

進入21世紀以來，如何提升制造業(yè)生產力已成為全球矚目的焦點。中國立足于國際產業(yè)變革大勢，提出了《中國制造2025》，做出了全面提升中國制造業(yè)發(fā)展質量和水平的重大戰(zhàn)略部署，其中具有跨越性意義的當屬增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術。增材制造技術是通過計算機軟件設計數據采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統(tǒng)的材料去除(切削加工)技術，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。

1中國增材制造產業(yè)發(fā)展概述
中國增材制造產業(yè)經過近三十年發(fā)展，產業(yè)化步伐明顯加快，科技創(chuàng)新成果顯著增加，關鍵技術、裝備性能不斷提升，涌現出一批具有一定競爭力的骨干企業(yè)，應用領域日益拓展，形成了若干產業(yè)集聚區(qū)，生態(tài)體系初步形成。據中國增材制造產業(yè)聯盟統(tǒng)計，2016年中國增材制造產業(yè)規(guī)模已達80億元。根據美國國際數據集團（IDG）預測的22.3%的產業(yè)規(guī)模增長率估算，2017年中國增材制造產業(yè)規(guī)模可突破100億。


1.1科技成果顯著增加
過去的30年，中國在增材制造技術研發(fā)上投入了巨大的力量。中國在多項科研計劃中對增材制造技術進行了持續(xù)性支持，建成了華中科技大學材料成型與模具技術國家重點實驗室、西安交通大學快速制造國家工程研究中心，形成了初步研發(fā)基礎。其中西安交通大學盧秉恒院士團隊利用光固化成型方法制作飛機風洞模型，促進了飛機創(chuàng)新設計與開發(fā)；北京航空航天大學王華明院士團隊和西北工業(yè)大學研究團隊利用激光燒結成型技術制造出飛機大型結構件，圖 1 展示了西北工業(yè)大學制造的長達3010mm的C919飛機鈦合金中央翼1#肋緣條；華中科技大學研究團隊利用選擇性激光燒結技術在玉柴、東風汽車等公司的發(fā)動機鋼鐵缸蓋等復雜鑄件蠟模和砂型快速制造中進行了應用，提升了企業(yè)發(fā)動機的自主研發(fā)能力。

圖1 LSF 制造的 C919 大型客機中央翼肋緣條

在中國增材制造科技成果不斷形成的同時，涌現出一批高水平的研發(fā)團隊和學術帶頭人。如西安交通大學盧秉恒、北京航空航天大學王華明、清華大學顏永年、華中科技大學史玉升、西北工業(yè)大學黃衛(wèi)東、中科院化學所徐堅、中科院福建物質結構研究所林文雄、華南理工大學楊永強。此外，大連理工大學、南京航空航天大學、中北大學以及中科院深圳先進研究院、自動化所等科研機構在設備研制、軟件開發(fā)、產品制造和材料研發(fā)等領域開展了一系列創(chuàng)新性的研究，取得了可喜的成果。


1.2產業(yè)發(fā)展初具規(guī)模
據中國增材制造產業(yè)聯盟統(tǒng)計，2016年中國增材制造產業(yè)規(guī)模達80億元，產業(yè)規(guī)模實現較快增長，形成了以杭州先臨三維、西安鉑力特為代表的裝備制造商，以湖南華曙、北京鑫精合為代表的增材制造行業(yè)解決方案提供商，以青島三迪時空、北京南極熊等為代表的信息平臺服務商。產業(yè)覆蓋三維數據建模與軟件、3D打印設備、耗材和應用服務等，基本構建起3D打印完整產業(yè)鏈。

據統(tǒng)計，2016年，廣東省從事增材制造業(yè)務的企業(yè)超過400家，實現產值近37億元。陜西省增材制造產業(yè)規(guī)模超過10億元。北京市從事增材制造技術研發(fā)、生產與服務的企業(yè)達70家以上，實現銷售收入約5億元。


1.3產業(yè)資源逐步集聚
中國增材制造產業(yè)以高新技術產業(yè)園區(qū)為核心，逐步形成產業(yè)資源的集聚與整合。其中渭南高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)（簡稱“渭南高新區(qū)”），如圖2所示，渭南高新區(qū)3D打印產業(yè)培育基地，先后與西安交大、西工大、中國鋼研院等20所高�？蒲袉挝唤�立長期合作關系，引進盧秉恒院士、李滌塵教授、黃衛(wèi)東教授等11個3D打印團隊，孵化了陜西增材院、陜西智拓、陜西聚高等59戶企業(yè)，累計實現產值9.6億元，申報專利580項，授權292項，省級以上科技成果立項37項，引進博士以上高層次人才100余人，產業(yè)化工作目前處在國內第一梯隊，2016年實現營業(yè)收入5.2億元。

圖 2 渭南高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)

安徽春谷3D打印智能裝備產業(yè)園聚集中科院上海光機所、中國科學技術大學和華中科技大學等高校院所以及優(yōu)質3D打印企業(yè)的科技團隊力量，成立了安徽春谷3D打印智能裝備產業(yè)技術研究院，并設立了3D打印產業(yè)發(fā)展基金，推動政產學研用深度合作、協(xié)同創(chuàng)新，促進產業(yè)共性技術研發(fā)突破。目前，園區(qū)已入駐3D打印企業(yè)30多家，成為華東地區(qū)最大3D打印產業(yè)集群。預計2020年，將實現產值50~80億元，建成全國一流的3D打印產業(yè)集聚基地。


1.4應用領域不斷拓展
在國內，針對材料、工藝和設備的研究成果部分已實現產業(yè)化，增材制造應用服務涉及航空航天、汽車、船舶、再制造、生物醫(yī)療、文創(chuàng)教育等多個領域。

在航空航天領域，西安鉑力特激光成形技術有限公司針對航空航天極端復雜的精密構件加工制造問題，利用選擇性激光熔化（SLM）技術，解決了隨形內流道、復雜薄壁、鏤空減重、復雜內腔、多部件集成等復雜結構問題，每年可為航空航天領域提供復雜精密結構件8000余件。

在汽車領域，安徽恒利增材制造科技有限公司利用選擇性激光燒結（SLS）技術和石膏型真空增壓鑄造技術融合，制造實現一體化制造雙金屬復合發(fā)動機缸體，改變傳統(tǒng)開模具和組砂型鑄造的模式，替代進口，已經成功應用在奇瑞汽車、東風汽車、廣汽、全柴等企業(yè)。

在船舶領域，上海電氣集團公司依托“3D打印燃氣輪機軸向旋流器工業(yè)化應用探索”項目，可協(xié)助完成重型燃氣輪機關鍵零部件的原型設計與優(yōu)化，利用金屬3D打印部件裝機，可部分替代傳統(tǒng)鑄鍛零件。

在再制造領域，機械科學研究總院先進制造技術研究中心與德國弗朗霍夫激光技術研究所合作，引入國內首臺激光高速熔覆修復系統(tǒng)，應用自制高性能微細金屬粉末，可實現修復速度最快達200 m/min，是目前最快速度的40-50倍，可替代電鍍，相關成果在北煤機、鄭煤機、平煤機等企業(yè)推廣。

在生物醫(yī)療領域，湖南華曙高科技公司利用選擇性激光燒結技術，借助CT掃描“打印”出骨折部位的術前模型，使得手術更精確，手術時間可節(jié)約三分之一以上，已在湘雅醫(yī)院、長沙市三醫(yī)院有了2000余例成功臨床病例。

在文創(chuàng)教育領域，青島智生三維制造公司與珠寶廠商施華洛世奇合作，實現3D打印定制珠寶首飾，極大降低了成本，滿足了個性化需求。


2中國增材制造產業(yè)發(fā)展面臨的主要問題
增材制造產業(yè)在國家的大力支持下，發(fā)展迅速。無論是增材制造工藝和設備，還是新型材料的研發(fā)以及與傳統(tǒng)制造相結合協(xié)同發(fā)展，國內均有研究并且取得重大突破。但是與歐美發(fā)達國家相比，中國增材制造產業(yè)仍處于發(fā)展的初級階段，增材制造技術相對傳統(tǒng)制造技術還面臨許多新挑戰(zhàn)和新問題。


2.1產業(yè)化有待加強
中國增材制造技術目前主要應用于產品研發(fā)過程，還存在使用成本高、制造效率低、制造精度尚不令人滿意等問題。增材制造技術的應用水平相對落后，仍處于產業(yè)發(fā)展的初始階段，工藝與裝備研發(fā)尚不充分，有待與傳統(tǒng)制造業(yè)結合，進一步探索。

目前多數增材制造技術還停留在高校及科研機構的實驗室內，增材制造產業(yè)的核心在于重點材料的研發(fā)和生產，材料性能決定產品力學性、穩(wěn)定性和生物相容性等其他特殊性質。中國對重點材料，尤其是金屬、光固化等材料的研發(fā)和生產能力有待加強。


2.2產業(yè)規(guī)模相對較小
據數據統(tǒng)計，2016年，中國智能制造產業(yè)產值規(guī)模達12000億元，增材制造產業(yè)規(guī)模為80億元，雖然增材制造產業(yè)規(guī)模逐年實現較快增長，但增材制造僅占智能制造產業(yè)的6‰，與傳統(tǒng)制造業(yè)相比相差甚遠。目前增材制造企業(yè)規(guī)模普遍較小，產業(yè)應用只是傳統(tǒng)大批量制造技術的一個補充。對于增材制造技術仍需要加強研發(fā)，產業(yè)培育，繼續(xù)擴大產業(yè)規(guī)模。


2.3創(chuàng)新平臺建設缺失
2012年，由美國政府主導，國防部制造和裝備中心牽頭，組織企業(yè)、研究機構和地方政府等100家單位聯合成立“國家增材制造創(chuàng)新中心”。中國目前尚未建立起有效的國家層面的增材制造產業(yè)創(chuàng)新平臺，高等院校、科研機構和企業(yè)各自為戰(zhàn)，合作研究的動力不足，產學研用密切結合的研發(fā)及產業(yè)化推進機制尚未有效形成，大力發(fā)展精準服務于增材制造的現代服務業(yè)，對于提高增材制造產業(yè)附加值和競爭力具有重要意義。


2.4產業(yè)園區(qū)協(xié)同發(fā)展較弱
中國增材制造產業(yè)還未形成合理的產業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，沒有形成高水平的國家新型工業(yè)化示范基地，特色突出、區(qū)域聯動、錯位競爭的制造業(yè)發(fā)展新格局還未形成。雖然國內有渭南高新區(qū)3D打印產業(yè)培育基地和安徽春谷3D打印智能裝備產業(yè)園，但是產業(yè)規(guī)模較小，2016年渭南高新區(qū)的產值僅為5.2億元，安徽春谷還處于建設期。


2.5尚未形成行業(yè)標準
增材制造行業(yè)標準的缺失是世界范圍的問題，行業(yè)標準的缺乏導致了行業(yè)畸形擴張、惡性競爭等不良現象出現，這一點在國內尤為明顯。中國經過30年的產業(yè)發(fā)展，應積極推動優(yōu)秀企業(yè)參與國際國內行業(yè)標準的制定，更好地規(guī)范行業(yè)發(fā)展。


3中國增材制造產業(yè)發(fā)展趨勢
3.1營造了良好的政策環(huán)境
中國高度重視增材制造產業(yè)發(fā)展，《中國制造2025》指出要加快增材制造技術和裝備的研發(fā)、應用，建設增材制造創(chuàng)新中心。在《中國制造2025》“1+X”規(guī)劃體系中，有8個規(guī)劃提及增材制造，被列為研發(fā)、產業(yè)化和應用重點。

2017年12月13日，工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、教育部、公安部、財政部、商務部、文化部、衛(wèi)生計生委、海關總署、質檢總局、知識產權局等十二部門聯合發(fā)布了《增材制造產業(yè)發(fā)展行動計劃（2017-2020年）》�！缎袆佑媱潯分赋觯�到2020年，增材制造產業(yè)年銷售收入超過200億元，年均增速在30%以上。關鍵核心技術達到國際同步發(fā)展水平，工藝裝備基本滿足行業(yè)應用需求，生態(tài)體系建設顯著完善，在部分領域實現規(guī)模化應用，國際發(fā)展能力明顯提升。重點任務方面，《行動計劃》提出提高創(chuàng)新能力、提升供給質量、推進示范應用、培育龍頭企業(yè)、完善支撐體系等五大任務。

此外，北京市、陜西省、遼寧省、福建省、湖北省、黑龍江省等地也紛紛出臺促進產業(yè)發(fā)展的相關意見，指導本地產業(yè)發(fā)展。


3.2經濟發(fā)展前景可觀
據Wohlers Associates（2017）統(tǒng)計，1988-2015年的27年中，全球增材制造產業(yè)的年復合增長率為26.2%，其中，2012-2014年的復合年增長率高達33.8%,2016年全球增材制造的市場規(guī)模超過70億美元，2018年將達到125億美元。按照產業(yè)生命周期理論，預計未來10年，全球增材制造產業(yè)仍將處于高速增長期，發(fā)展?jié)摿�巨大，�?020年全球產值將達1100億美元。麥肯錫預測，到2025年全球增材制造產業(yè)可能產生高達2000-5000億美元經濟效益。

圖 3 Wohlers Associates(2017) 全球增材制造產業(yè)市場規(guī)模及預測

3.3社會組織共同促進
隨著中國增材制造產業(yè)發(fā)展，各種產業(yè)服務支撐體系逐步完善。2016年4月成立了全國增材制造標準化技術委員會；研究制訂增材制造工藝、裝備、材料、數據接口、產品質量控制與性能評價等行業(yè)及國家標準，開展質量技術評價和第三方檢測認證，促進增材制造技術的推廣應用。2016年10月中國增材制造產業(yè)聯盟成立，將有利于把政府與產業(yè)界、頂層設計與企業(yè)實踐緊密結合起來，協(xié)同推動增材制造材料、工藝裝備、關鍵部件等產業(yè)鏈條的研發(fā)及產業(yè)化，推進增材制造在重點行業(yè)的創(chuàng)新應用，是落實《推進計劃》、推動制造強國建設和產業(yè)轉型升級的一項重要措施。2016年12月國家批準籌建國家增材制造創(chuàng)新中心和國家增材制造質量監(jiān)督檢驗中心。隨著各種產業(yè)服務機構的建立，中國增材制造產業(yè)的發(fā)展也將進入快車道。


3.4技術應用更加廣泛
在材料方面，優(yōu)勢材料生產企業(yè)從事增材制造專用材料研發(fā)和生產，針對金屬增材制造專用材料，優(yōu)化粉末大小、形狀和化學性質等材料特性，開發(fā)滿足增材制造發(fā)展需要的金屬材料。針對非金屬增材制造專用材料，提高現有材料在耐高溫、高強度等方面的性能，降低材料成本。

在工藝技術方面，開發(fā)數字模型、專用工藝軟件及控制軟件，支持企業(yè)研發(fā)增材制造所需的建模、設計、仿真等軟件工具，在三維圖像掃描、計算機輔助設計等領域實現突破。解決金屬構件成形中高效、熱應力控制及變形開裂預防、組織性能調控，以及非金屬材料成形技術中溫度場控制、變形控制、材料組份控制等工藝難題。

在制造裝備及核心器件方面，加強增材制造專用材料、工藝技術與裝備的結合，研制推廣使用一批具有自主知識產權的增材制造裝備，不斷提高金屬材料增材制造裝備的效率、精度、可靠性，以及非金屬材料增材制造裝備的高工況溫度和工藝穩(wěn)定性。

在應用示范成熟技術產品方面，國家重大工程建設，著重解決金屬材料增材制造在航空航天領域應用問題，在具備條件的情況下，在國防軍工其他領域予以擴展。在技術相對成熟的產品設計開發(fā)領域，發(fā)展增材制造服務中心和展示中心，通過為用戶提供快速原型和模具開發(fā)等方式，促進增材制造的推廣應用。


4結語與政策建議
習近平總書記在黨的十九大報告提出：“中國經濟已由高速增長階段轉向高質量發(fā)展階段，正處在轉變發(fā)展方式、優(yōu)化經濟結構、轉換增長動力的攻關期，建設現代化經濟體系是跨越關口的迫切要求和中國發(fā)展的戰(zhàn)略目標。必須堅持質量第一、效益優(yōu)先，以供給側結構性改革為主線，推動經濟發(fā)展質量變革、效率變革、動力變革，提高全要素生產率，著力加快建設實體經濟、科技創(chuàng)新、現代金融、人力資源協(xié)同發(fā)展的產業(yè)體系，著力構建市場機制有效、微觀主體有活力、宏觀調控有度的經濟體制，不斷增強中國經濟創(chuàng)新力和競爭力”。這是黨中央立足全局、面向未來的重大戰(zhàn)略抉擇，大力實施《中國制造2025》，發(fā)展創(chuàng)新驅動引擎，建設形成實體經濟、科技創(chuàng)新、現代服務、產業(yè)集群協(xié)同發(fā)展的產業(yè)體系，推動“中國制造”向“中國智造”轉變。


4.1加強產學研用結合，培育壯大新興產業(yè)
新興產業(yè)是經濟體系最有活力、最具增長潛力的部分。增材制造作為新興產業(yè)代表，加大產業(yè)服務力度，形成新興產業(yè)資源整合體系，加強產學研用結合，加快關鍵共性技術創(chuàng)新發(fā)展。按照《中國制造2025》的總體部署，建立國家增材制造創(chuàng)新服務中心，再培育出一批戰(zhàn)略新興產業(yè)服務機構，由高校、科研院所和骨干企業(yè)組成，分別為金屬增材制造、非金屬增材制造搭建共性技術創(chuàng)新與產業(yè)化應用平臺，建立產學研用密切結合的協(xié)同機制，形成完整的材料、裝備、工藝、檢測、應用體系。促進新興產業(yè)科技成果轉移轉化，形成新產業(yè)、新模式、新業(yè)態(tài)的健康成長。

4.2供給側集中發(fā)力，優(yōu)化傳統(tǒng)產業(yè)升級
傳統(tǒng)產業(yè)是穩(wěn)定經濟增長、改善民生福祉的主體力量，通過引進新技術、新管理、新模式，使之煥發(fā)巨大生機和活力。加大對增材制造專用材料、裝備及關鍵部件等重點領域攻關的支持力度。科技創(chuàng)新成果引領，優(yōu)化傳統(tǒng)產業(yè)升級，推動傳統(tǒng)制造業(yè)轉型升級。要在國家供給側中集中發(fā)力，打造出一批制造業(yè)創(chuàng)新服務中心，優(yōu)化傳統(tǒng)產業(yè)的轉型升級。


4.3現代服務協(xié)同發(fā)展，營造創(chuàng)新發(fā)展生態(tài)
現代服務業(yè)是實體經濟和制造業(yè)發(fā)展的重要支撐，具有專業(yè)性強、創(chuàng)新活躍、產業(yè)融化度高等特點，對于提產業(yè)附加值和競爭力具有重要意義。大力發(fā)展增材制造產業(yè)專業(yè)化現代服務業(yè)，加強增材制造技術價值評估交易、項目孵化、科技金融、政策研究等專業(yè)化科技服務。依托集聚的現代服務業(yè)資源，開展增材制造產業(yè)公共服務平臺工作，營造創(chuàng)新發(fā)展的生態(tài)體系。


4.4打造增材制造產業(yè)集群，推進產業(yè)融通發(fā)展
培育一批專注增材制造領域的產業(yè)聚集區(qū)，打造高水平的國家新型工業(yè)化示范基地，形成因地制宜、特色突出、區(qū)域聯動、錯位競爭的產業(yè)發(fā)展新格局。發(fā)揮中國增材制造產業(yè)聯盟的作用，聯合政府和行業(yè)資源，開展分領域的技術、產業(yè)、應用領域的研討會和對接會，搭建產業(yè)與政府、產業(yè)鏈上下游的對接通道，推動產業(yè)合作，加強生產企業(yè)和用戶需求對接，加快技術的推廣應用。引導和促進社會力量及地方政府的投入，共同推進增材制造技術的深度應用，促進中國增材制造產業(yè)持續(xù)快速發(fā)展。
來源： 中技所
作者：王強