d打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及環(huán)境分析

3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及環(huán)境分析摘要：3D打印技術(shù)已獲得迅速發(fā)展，并受到世界各國(guó)廣泛關(guān)注，基于目及面臨的環(huán)境條件，并提出我國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的對(duì)策建議，以D。近年來(lái)，3D打印技術(shù)獲得迅速發(fā)展，并受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，美國(guó)科學(xué)家將3D打印產(chǎn)業(yè)列為“美國(guó)十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”之一，有的甚至期望3D打印這種神奇的技術(shù)能帶來(lái)“第三次工業(yè)革命”[1][2]。軍事強(qiáng)和速度不斷提高，打印成本越來(lái)越低，打印原材料更加豐富；主要國(guó)家積極探索3D打印技術(shù)在武器裝備設(shè)計(jì)、制造和維修保障中的應(yīng)用，已經(jīng)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)[3]。隨著世界各國(guó)不斷加大對(duì)3D打印技術(shù)的研發(fā)與投入，術(shù)支持，在若干關(guān)鍵技術(shù)方向取得了重要突破，在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用取得業(yè)規(guī)模和產(chǎn)業(yè)鏈方面還存在大量有待改進(jìn)和發(fā)展的地方，但經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已形成以高校為主體的技術(shù)研發(fā)力量布局，若干關(guān)鍵技術(shù)取得重要突破，產(chǎn)業(yè)發(fā)展開(kāi)始起步，形成了小規(guī)模產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)，并在多個(gè)領(lǐng)域成功應(yīng)用，為下一步發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。(一)初步建立以高校為主體的技術(shù)研發(fā)力量體系自上世紀(jì)90年代初開(kāi)始，北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)等高校相繼開(kāi)展了3D打印技術(shù)研究，成展。北京航空航天大學(xué)“大型整體金屬構(gòu)件激光直接制造”教育部工程研究中心的王華明團(tuán)隊(duì)，西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的黃衛(wèi)東團(tuán)隊(duì)主要開(kāi)展金屬材料激光凈成形直接制造技術(shù)研究。清華大學(xué)生物制造與快速成形技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室顏永年團(tuán)隊(duì)主要開(kāi)展熔融沉積制形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室史玉升團(tuán)隊(duì)主要從事塑性成形制造技術(shù)與裝備、快速成形制造技術(shù)與裝備、快速三維測(cè)量技術(shù)與裝備等靜壓近凈成形技術(shù)研究。西安交通大學(xué)制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以及快速制造技術(shù)及裝備國(guó)家工程研究中心的盧秉恒院士團(tuán)隊(duì)主要從事高分子材3D打印技術(shù)世界領(lǐng)先我國(guó)增材制造技術(shù)從零起步，在廣大科技人員的共同努力下，技術(shù)整體實(shí)力不斷提升，在3D打印的主要技術(shù)領(lǐng)域都開(kāi)展了研究，取得一大批重要的研究成果，特別是在高性能金屬零件激光直接成形技術(shù)方面取得重大突破，技術(shù)水平達(dá)到世界領(lǐng)先。高性能金屬零件激光直接成形技術(shù)世界領(lǐng)先，攻克了金屬材料3D打印的變形、翹曲、開(kāi)裂等關(guān)鍵問(wèn)題，成為首個(gè)利用選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)制造大型金屬零部件的國(guó)家。北京航空航天大學(xué)已掌握使用激光快速成形技術(shù)制造超過(guò)12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件。西北工業(yè)大學(xué)的激光立體成形技術(shù)可一次打印超過(guò)5米的鈦金屬飛機(jī)部件，構(gòu)件的綜合性能達(dá)到或超過(guò)鍛件。北京航空航天大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)的高性能金屬零件激光直接成形技術(shù)已成功應(yīng)用于制造我國(guó)自主研發(fā)的大型客機(jī)C919的主風(fēng)擋窗框、大中央翼根肋，以及正在設(shè)計(jì)的第五代戰(zhàn)斗機(jī)的鈦合金主體結(jié)構(gòu)，成功降低了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，提高了戰(zhàn)機(jī)的推重比，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間[5]。利用高校、科研院所的研究成果，依托相關(guān)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，我國(guó)已涌現(xiàn)出20多家增材制造設(shè)備與服務(wù)企業(yè)。北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司，1993年開(kāi)始研發(fā)選區(qū)粉末燒結(jié)激光快速成型機(jī)并取得自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，廣科技有限公司自主研發(fā)了擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、術(shù)有限公司是激光快速成形技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化公司，公司產(chǎn)品已在國(guó)家多項(xiàng)重身緣條鈦合金構(gòu)件的制造，是目前國(guó)內(nèi)金屬3D打印技術(shù)領(lǐng)先者；武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司主要生產(chǎn)LOM、SLA、SLS、SLM系列產(chǎn)品并進(jìn)行技術(shù)服務(wù)和咨詢，1994年就成功開(kāi)發(fā)出我國(guó)第一臺(tái)快速成型裝備－薄材疊層快速成形系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的大型激光快速制造裝備具有國(guó)際領(lǐng)先水選擇性激光粉末燒結(jié)裝備，標(biāo)志著其粉末燒結(jié)技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。(四)應(yīng)用取得突破，在多個(gè)領(lǐng)域顯示了良好的發(fā)展前景隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，以及產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，我國(guó)3D打印技術(shù)的應(yīng)用也取得較好進(jìn)展，已成功應(yīng)用于設(shè)計(jì)、制造、維修等產(chǎn)品全壽命周期。一是在設(shè)計(jì)階段，已成功將3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)、原型制作、產(chǎn)品評(píng)審、功能驗(yàn)證等，顯著縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)約了研制經(jīng)速制造鈦合金主體結(jié)構(gòu)，在一年之內(nèi)連續(xù)組裝出多款飛機(jī)進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)，顯著縮短了研制時(shí)間[7]。運(yùn)-20在做首飛前的靜力試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)起落架連接部位一個(gè)很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件出了問(wèn)題，需要更換材料，重新加工。復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造。我國(guó)國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)C919的中央翼根肋、主風(fēng)擋窗框都若采用傳統(tǒng)工藝制造，國(guó)內(nèi)制造能力尚無(wú)法滿足，必須向國(guó)外訂購(gòu)，時(shí)技術(shù)應(yīng)用于制造過(guò)程中報(bào)廢和使用過(guò)程中受損的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的修復(fù)，以及大型齒輪的修復(fù)。以大型艦船伴隨保障為背景的3D打印技術(shù)973項(xiàng)目成功立項(xiàng)，將對(duì)3D打印應(yīng)用于伴隨保障的重大基礎(chǔ)問(wèn)題進(jìn)行研D印技術(shù)受到越來(lái)越多的重視，我供了有力的政策支撐環(huán)境當(dāng)前，我國(guó)正大力推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式轉(zhuǎn)型，高端制造業(yè)成為工業(yè)發(fā)展的提升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，有關(guān)部門(mén)正在制定支持3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項(xiàng)政策。2013年國(guó)慶前夕，中共中央政治局以實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略為主題開(kāi)展第九次集體學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)期間，中央領(lǐng)導(dǎo)專門(mén)考察了中關(guān)村與3D打印相關(guān)的研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)，表明我國(guó)上層開(kāi)始重視3D打印技術(shù)的發(fā)展。科技部最新制定的《國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃》、《國(guó)家科技支撐計(jì)劃制技術(shù)發(fā)展的政策，提出把“3D打印關(guān)鍵技術(shù)、裝備研制聚焦航空航天、模具領(lǐng)域的需求”作為重點(diǎn)研究，力求突破3D打印制造技術(shù)中的核心關(guān)鍵技術(shù)。此外，國(guó)家在《2013年產(chǎn)業(yè)振興和技術(shù)改造專項(xiàng)重點(diǎn)專題》，《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃綱要》，《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)規(guī)劃(2011-2015年)》，《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，《高端裝備制造業(yè)“十二五”發(fā)3D打印技術(shù)的研發(fā)投入也必將大幅增長(zhǎng)，為我國(guó)3D打印技術(shù)的發(fā)展提供良好的條件，吸引越來(lái)越多的科技工作者投身于3D打印技術(shù)的研究，快供不竭的動(dòng)力。(二)我國(guó)已具備良好的技術(shù)基礎(chǔ)，為3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)印技術(shù)仍處在技術(shù)發(fā)展初期，我國(guó)與技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的差距較小，為我國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展提供了難得的歷史機(jī)遇。從上世紀(jì)末開(kāi)始3D打印技術(shù)研究，經(jīng)過(guò)多年的積累，形成了一批穩(wěn)定的研究機(jī)構(gòu)和專家隊(duì)伍，突破了一批關(guān)鍵技術(shù)，建成了一批重要的研究基地，創(chuàng)建了一批產(chǎn)業(yè)公司，我國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展已經(jīng)具備趕超發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)基礎(chǔ)。北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)的金屬材料激光快速成形技術(shù)攻克了長(zhǎng)期制約金屬材料3D打印的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，成功應(yīng)用于航空領(lǐng)域，技術(shù)水平居世界領(lǐng)先地位，為下一步發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)和中航工業(yè)北京航空制造工程研究所等高校和科研結(jié)構(gòu)形成了一批高水平專家隊(duì)伍，為下一步發(fā)展奠定了人才基礎(chǔ)。北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司、北京太爾時(shí)代科技有限公司，西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司、華曙高科和武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司等3D打印公司形成了自己的產(chǎn)品特色，業(yè)務(wù)穩(wěn)步增長(zhǎng)，為3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。發(fā)達(dá)國(guó)家3D打印技術(shù)仍不成熟，為我國(guó)3D打印技術(shù)留下了趕超的時(shí)間窗口?？傮w上，3D打印技術(shù)仍處于技術(shù)積累期，尚有大量核心關(guān)鍵技術(shù)待攻克和突破，整體技術(shù)水平還有待提升，產(chǎn)業(yè)模式還有待拓展，相對(duì)傳統(tǒng)高級(jí)制造業(yè)，發(fā)達(dá)國(guó)家在技術(shù)上領(lǐng)先幅度并不大，為我國(guó)趕超世界先進(jìn)技術(shù)水平留下了機(jī)會(huì)。(三)我軍武器裝備發(fā)展模式正在向自主創(chuàng)新轉(zhuǎn)變，對(duì)3D打印技術(shù)的發(fā)展提出了迫切需求當(dāng)前，新一輪工業(yè)革命已經(jīng)吹響了號(hào)角，新型數(shù)字化制造特別是3D打印技術(shù)的發(fā)展為新工業(yè)革命的即將來(lái)臨提供了無(wú)限遐想，我國(guó)正在按照國(guó)防和軍隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)“三步走”戰(zhàn)略構(gòu)想，加緊完成機(jī)械化和信息化建設(shè)雙重歷史任務(wù)，國(guó)防科技和武器裝備的發(fā)展模式正在由跟蹤模仿向自足武器裝備研制對(duì)快速制造需求的有效手段。近年來(lái)，新型武器裝備的研制顯著提速，僅僅在航空領(lǐng)域就有殲-20、殲-15、殲-31、運(yùn)-20等多種型號(hào)軍用飛機(jī)在同步研制。復(fù)雜武器裝備研制是一個(gè)重復(fù)迭代過(guò)程，每一輪設(shè)計(jì)調(diào)整到實(shí)驗(yàn)都需要制造原型機(jī)，傳統(tǒng)制造方式需要制造模具，時(shí)間長(zhǎng)、花費(fèi)多，常常造成新型武器裝備研制周期長(zhǎng)、成本高。3D打印技術(shù)可直接根據(jù)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造零件，可以大大節(jié)約樣品制作時(shí)間，極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，降低研制成本。3D打印技術(shù)是滿足高性能武器裝備生產(chǎn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造需求的有效手段。3D打印技術(shù)幾乎可如制造復(fù)雜的鈦合金結(jié)構(gòu)部件，具有復(fù)雜內(nèi)部冷卻通道的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片，內(nèi)部材料和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的坦克裝甲等關(guān)鍵武器零部件。嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)印技術(shù)發(fā)展，技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用不斷取得重要進(jìn)步，有進(jìn)一步拉大與我領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)的趨勢(shì)，我國(guó)3D打印技術(shù)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。一方面，美國(guó)、英主要研究方向[8]。英國(guó)技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)也在“未來(lái)的高附加值制造技術(shù)展望”中，將3D打印增材制造作為提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)對(duì)未來(lái)挑戰(zhàn)的22研究計(jì)劃，研究利用增材制造原理快速加工無(wú)缺陷零廢料的大尺寸金屬零件的技術(shù)，這是目前歐洲在3D打印領(lǐng)域最大的研究合作機(jī)構(gòu)和計(jì)劃。aky公司的新型電子束3D打印技術(shù)取得重要突破，具備大型金屬部件加工能力，美國(guó)國(guó)防部和洛克希德?馬丁公司準(zhǔn)備將其用于生產(chǎn)F-35戰(zhàn)斗機(jī)的鈦、鉭、鉻鎳鐵合金等高價(jià)值材料的高品質(zhì)零部件。3DSystems公司的激光熔融技術(shù)取得重要進(jìn)展，美國(guó)空軍將在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)用于打印F-35技術(shù)已具備應(yīng)用于太空站維修、升級(jí)和延壽，載荷升級(jí)改進(jìn)，硬件太空相對(duì)完整的產(chǎn)業(yè)鏈條，領(lǐng)先的產(chǎn)業(yè)格局基本形成。美國(guó)3Dsystems、打印技術(shù)發(fā)展機(jī)會(huì)，我國(guó)的制造業(yè)將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，美國(guó)甚至稱“技術(shù)進(jìn)步將使中國(guó)的制造業(yè)像過(guò)去20年里美國(guó)制造業(yè)那樣迅速衰落”。三、啟示建議技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，要加強(qiáng)組織管理，開(kāi)展基礎(chǔ)研究和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究，(一)加強(qiáng)組織管理，為3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用創(chuàng)造政策支撐條件3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用涉及技術(shù)廣、覆蓋領(lǐng)域?qū)?、影響范圍大、特別是對(duì)現(xiàn)代工業(yè)體系和制造領(lǐng)域影響顯著，必須堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，加強(qiáng)管理和頂層設(shè)計(jì)，為我國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的科學(xué)有序展開(kāi)奠定打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的科學(xué)實(shí)施，防止規(guī)劃亂象，標(biāo)準(zhǔn)不一。二是要突點(diǎn)，堅(jiān)持把技術(shù)應(yīng)用好作為衡量技術(shù)發(fā)展的基本準(zhǔn)則，把實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的社策、財(cái)稅支持政策等因素，運(yùn)用系統(tǒng)管理的理論與方法綜合全面地對(duì)3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的相關(guān)要素實(shí)施最優(yōu)化配置和前瞻規(guī)劃。(二)開(kāi)展基礎(chǔ)研究和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究，為3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐基礎(chǔ)研究和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究是推動(dòng)3D打印技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的根本保證，應(yīng)在國(guó)家和軍隊(duì)數(shù)字制造發(fā)展計(jì)劃框架下，加強(qiáng)制造原理、方法、工藝、材料、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等方面的研究創(chuàng)新，為3D打印技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用打下基礎(chǔ)。一是開(kāi)展基礎(chǔ)研究，進(jìn)一步提高3D打印的成形精度與打印速度，研DD求。開(kāi)展3D打印制造原理、方法、工藝、設(shè)備的基礎(chǔ)研究，加強(qiáng)粉末原材料、材料工藝、成形工藝等基礎(chǔ)技術(shù)研究，進(jìn)一步提升3D打印的精度和效率；開(kāi)展各類3D打印工藝的機(jī)理分析，提供工藝優(yōu)化基礎(chǔ)，支持與3D打印配套的工藝基礎(chǔ)理論研究；開(kāi)展激光器、振鏡、光路系統(tǒng)等關(guān)鍵零部件的研發(fā)與制造。二是研究共性技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，推動(dòng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范軍民一體化，加快3D打印技術(shù)在武器裝備設(shè)計(jì)、制造和維修保障中的新器件(激光器)、智能控制、設(shè)計(jì)軟件、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)、新成形原理、材料性能標(biāo)準(zhǔn)、軟件接口標(biāo)準(zhǔn)、制造質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、制造工藝規(guī)范和元器件3D打印材料和軟件技術(shù)研發(fā)，滿足打印需求3D打印材料與軟件技術(shù)的研發(fā)和突破是3D打印技術(shù)推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是滿足打印的根本保證。一是加強(qiáng)材料的研制，形成完備的打印材料體