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关于辽宁省3D打印(增材制造)产业发展情况的调研报告
来源:综合四处            发布时间:2016年04月28日 收藏 打印 关闭】  【字体:  

  为贯彻落实好《中国制造2025辽宁行动纲要》,加快培育发展新兴产业,分析研判辽宁省3D打印产业发展方向,日前,我们对全省3D打印产业发展情况进行了专题调研,并结合实际提出相关发展建议,仅供参考。

  一、3D打印综述

  (一)3D打印简介

  3D打印技术是一种以离散/堆积增材制造的成形思想为基础,综合利用了高能束热源、计算机、数模、数控、冶金和新材料等多学科知识的新型制造方式。其按照制造材料可分为高分子材料、无机非金属材料和金属材料3D打印。

  高分子材料3D打印技术:以橡胶类材料、工程塑料、光敏树脂等材料为主,在消费电子、生物医疗、文化创意、教育应用和模型制作等领域发展迅速,已经用于制造人体骨骼、珠宝、玩具、工具、厨房用品、服装等产品,十分符合消费品和医疗等市场个性化定制的发展趋势。

  无机非金属材料3D打印技术:以陶瓷材料为主,在艺术品制作、生物医疗、模具制造等领域应用较多,特别在医用牙齿修复和铸造模型制作方面发展较快,但因陶瓷材料熔点高、难成形的特点,制作航空航天零件等工业产品时容易出现裂缝等缺陷,有待进一步突破技术发展瓶颈。

  金属材料3D打印技术:以钛、铝合金等为主,因金属材料是工业的基础,该技术可广泛适用于航空航天、新能源汽车、轨道交通等各行业的复杂零部件/结构件制造,目前已应用于客机大型承力结构件、新能源汽车车体、高铁列车枕梁、机床关键零部件等诸多领域,产业化前景广阔。

  (二)发展前景

  技术优点:一是实现设计制造一体化。因为其制造方式实现了从三维数模设计到三维实体的柔性成形,理论上可制造任意复杂结构产品,突破了铸锻、焊接等传统成形技术对工业设计的制约瓶颈,从根本上解决了异形复杂结构件的设计和制造难题。二是实现个性化定制。3D打印打破了集约化生产的传统生产模式,将其与互联网结合,能够首次实现在工业和消费品等领域的个性化定制。三是相对成本较低。现有工业生产以减材技术为主,如航天发动机某核心部件钛合金实际利用率仅有1/10,3D打印材料损耗一般不超过30%,成本优势明显。同时3D打印不需要生产线和模具投资,后续加工量小甚至零加工,在小批量复杂结构产品的制造上,相对铸造等传统技术,具有明显的成本和效率优势。

  技术缺点:一是尚存技术风险。作为一项新兴技术,制造过程中材料经历多次复杂热循环,导致材料的显微组织与铸锻材料相差较大,实际疲劳强度等材料极限物理力学性能尚待进一步应用检验。二是规模化生产效率较低。目前,3D打印技术中的电弧增材制造效率最高,但也仅为铸造生产的1/5左右,在消费品等领域更是仅有注塑成型等技术的几千份之一,要想实现规模化生产,需要进一步提高制造效率。

  综上,3D打印尚处于产业发展初期,作为一项新兴技术,在某些方面存在一定短板,但进入21世纪特别是近年来,激光/电子束/电弧增材制造等技术发展日新月异,其局部技术劣势正被不断克服,对应传统制造的全方位技术优势开始逐渐显现。随着航空航天等工业领域设计中越来越多地采用复杂整体结构件和精密复杂结构件,传统的铸锻、焊接、机加等成形工艺已无法满足结构件的设计和制造要求,对3D打印产业化发展的需求愈发迫切。目前,美国已经开始建立规模化生产的3D打印工厂,以期实现技术发展和产业应用的良性循环。伴随3D打印技术的进一步成熟,必将带动工业生产、新材料、精益制造等多个领域产生颠覆性的改变,对于加快先进制造业发展、推进两化深度融合、促进工业转型升级具有重要的引领作用。

  二、发展现状

  (一)国内外产业发展现状

  国外:进入21世纪后,3D打印开始获得西方国家产业和科技界重视。2012年3月,美国白宫宣布振兴美国制造的新举措,投资10亿美金帮助美国制造进行体系改革,3D打印作为实现该项计划的三大背景技术之一。英、德、法等国家也相继推出相关措施,推动本国3D打印技术的发展。如欧洲航天局的《惊奇计划》、日本的《增材制造科研计划》、新加坡的《工业增材制造项目》及欧盟最新推出的《3D打印标准化路线图》等产业扶持政策相继出台。

  目前,西方国家已经取得了领先的竞争优势,形成了包含装备、材料、软件和服务等相对完整的产业链,并建立和发展了全世界有名的3D打印企业,如美国Stratasys 、ExOne 和 3Dsystem、英国Renishaw等公司,公司年产值均在1亿美元以上。2015年8月,美国总统奥巴马拨款3000万美元,在俄亥俄州建立了国家级3D打印添加剂工业研究中心, 2015年11月,美国纽约州投资1.25亿美元建立工业规模的电弧增材制造(3D打印技术的一种)工厂,这是3D打印技术首次实现工业化规模应用,具有典型的示范指导意义。

  国内:我国对3D打印研究起步于上世纪末,目前已形成北京航空航天大学、西北工业大学、华中科技大学、西安交通大学、中航625所、中航601所、清华大学、中科院沈阳自动化所和金属所等一批研发机构,相关研究成果在航空、航天产品直接制造、汽车模具、人体植入物个性化制造等方面取得了显著进展,部分研究成果(如大型航空结构件直接成形制造——601所主导的大型复杂飞机结构件已实现小批量应用)处于国际领先水平。

  我国地方政府也非常重视发展3D打印产业,北京、福建等多地相继出台扶持政策,先后建立多个3D打印技术产业创新中心和科技园。同时,中航天地激光、陕西恒通等一批专业化3D打印企业发展迅速。

  虽然国内从政府到企业普遍关注3D打印技术的发展前景,但该技术在我国仍然处于发展初期。即使个别领域有所突破,但关键材料、设备等依然主要依赖进口,总体呈现产业体量较小、少数领域领先、总体发展跟跑的状态。同时,中国制造业各个环节对3D打印技术的认识还存在诸多不足,尚未实现成熟的产业化,未形成一家具有国际影响力的3D打印企业。

  (二)辽宁产业发展现状

  辽宁1999年即开展3D打印技术研究,形成了以中科院金属所(3D打印材料制备)、中科院沈阳自动化研究所(高端3D打印装备及软件)、中航601所(大型航空结构件成形关键工艺、创新设计与工程化验证)、东北大学(3D打印工艺)、沈阳航空航天大学(钛合金激光修复)和新松机器人(激光3D打印装备)等科研院所及企业为主体的研发力量;产生了鞍山中科煜辰(激光3D打印装备)、沈阳大陆激光(激光修复服务)、大连三垒机器股份有限公司(增减材混合制造装备)、抚顺东工冶金材料技术有限公司(电弧增材制造)等一批专业化制造企业。

  为加速产业发展,创新发展机制,省政府于2014年批复成立《辽宁省高性能金属增材结构设计与应用工程技术研究中心》(简称增材工程中心)、2015年批复成立由14家理事单位组成的《辽宁省增材制造产业共性技术创新平台》(简称增材创新平台),致力于打造3D打印“政产学研用”全产业链。总体上,辽宁3D打印产业尚处于起步阶段,呈现以下特点:

  产:主要特点是规模较小。2015年,辽宁3D打印企业年产值2-3亿元,仅占国内市场规模(约70亿元)的3%左右,同期全球3D打印市场规模约50亿美元左右。同时,辽宁尚无一家年产值超2000万元的3D打印企业,国际上如Stratasys和3Dsystem公司2015年营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元,西安铂力等国内企业年销售收入也超过1亿元。

  学:主要特点是基础较牢。目前,国内清华大学、北京航空航天大学等高校在3D打印领域发展迅速,拥有王华明院士等一批专业研究团队,在科研成果和产业化应用方面走在全国前列。辽宁拥有大连理工大学、东北大学两所工科985重点大学,沈阳航空航天大学等专业性较强的工科院校。大连理工大学程耿东院士团队和东北大学闻椿邦院士团队在3D打印设计创新和工艺研究领域成果显著,教研基础扎实。

  研:主要特点是实力雄厚。辽宁拥有中科院金属所、中科院沈阳自动化研究所、中航601所、沈阳黎明航空发动机等国内顶尖研发单位和企业,在材料、工艺等领域处于国内领先水平,中航601所大型航空用钛合金复杂构件等产品处于国际领先水平。

  用:主要特点是产业滞后。优势产品主要应用于航空航天等领域,军转民步伐缓慢,市场应用范围较窄。陕西恒通等国内3D打印设备制造商已经占据一定国内市场份额,辽宁尚无一家国内知名的3D打印设备企业。同时,抚顺东工冶金材料技术有限公司虽然拥有国内领先的电弧增材制造技术,但受制于发展资金短缺,无力将技术优势及时转化为产业优势。

  三、对策及建议

  辽宁作为制造业大省,传统产业比重较大,经济效益相对较低,受外部经济波动影响明显。在向制造强省转变的过程中,发展战略性新兴产业,优化工业产业结构,对于提高产业效益,增强产业竞争力意义重大。3D打印作为一项战略性新兴产业,对辽宁构建现代工业体系,全面提升制造业核心竞争力,重塑制造业竞争新优势具有重要作用。同时,在3D打印技术实现规模化生产之前,同样可作为传统装备制造等行业的有效补充,助推辽宁传统产业改造升级。笔者认为,应该从以下几个方面加强产业发展。

  (一)将3D打印作为辽宁新兴产业发展方向之一

  发展3D打印产业符合《中国制造2025辽宁行动纲要》指导思想,应将其作为辽宁重点支持的战略性新兴产业,从政策、资金和资源等各方面予以大力支持。在具体产业发展方向选择上,可以考虑多管齐下、重点突破的产业发展路径。

  建议以金属材料3D打印为突破产业,电弧增材制造技术为发展重点,立足辽宁金属材料3D打印制造技术优势,加大产业培植力度,加强市场对接程度,争取实现辽宁3D打印产业发展的弯道超车。

  建议以无机非金属材料和高分子材料3D打印为跟踪产业,坚持市场导向,加强技术储备,探索个性定制领域产业化发展路径,及时跟进国际、国内先进产业发展水平。

  (二)规划发展目标

  争取用5-10年时间,通过三步走战略,总体实现辽宁3D打印产业的发展壮大。

  第一步:2018年前累计投入5亿元,实现行业产值10-20亿元。申请及授权专利100项以上,发展1-2家年产值2亿元以上企业,培育3-5家骨干配套企业,初步完成协同创新平台建设。

  第二步: 2020年前累计投入10亿元,实现行业产值30-50亿元。制定行业技术标准100项以上,发展1-2家年产值10亿元以上的国内行业龙头企业,3-5家年产值5亿元以上骨干企业,实现全产业链协同发展,产业发展处于国内先进水平。

  第三步:到2025年,实现行业产值150-200亿元。发展1-2家在国际上有影响力的3D打印龙头企业,3-5家国内行业领军企业,产业全面跻身国际先进水平。

  (三)整合现有产业资源

  一是搭建协同创新平台。以辽宁科研院所为技术支撑、优势企业为产业支撑,搭建政产学研用产业协同创新平台,协同创新、协同发展。整合辽宁3D打印软件设计、材料及工艺研发、设备制造等企业和科研院所优势资源,鼓励企业运用互联网、物联网、大数据等信息技术,加强研讨交流、推动技术研发、共享产业资源。

  二是建设产业示范基地。以辽宁航空航天、石化、军工、新能源汽车、高铁及装备制造等产业的市场需求为导向,依托省内优势企业,建设产业示范基地,加快产业孵化速度。组建软件设计、材料制备、装备制造三个关键配套领域专业公司,解决创新设计和3D打印一体化等软件难题,材料构件高效成形、热应力控制及组织性能调控等材料难题,装备核心器件和软、硬件协同能力等装备难题,突破技术及装备瓶颈,破除产业发展障碍。积极发掘省内产业发展空间,助推3D打印企业对接传统制造企业,实现首台套/首件产品试制推广,加速科研成果产业化应用。争取发挥示范效应,立足省内,辐射全国,实现我省3D打印企业的跨越式发展。

  三是建立产业服务中心。充分整合辽宁各方面优势资源,建立常态化交流合作机制。围绕3D打印的技术链和产业链,为航空航天、石化、军工、新能源汽车、高铁等行业提供需求调研、趋势分析、产用对接、教育培训、信息咨询、成果转化和孵化等3D打印领域的共性支持和服务。

  (四)加大相关支持力度

  一是加强资金支持。充分利用国家及省政策性金融、开发性金融和商业金融的支持政策,建立健全信息沟通渠道,加大对3D打印的支持力度。以辽宁省产业(创业)投资引导基金直接投资基金为依托,积极引入社会资本参与产业发展,资金向规划中涉及科技含量高、创新能力强、发展前景好的先导性企业和项目,特别是高新技术企业和需要政府扶持的早期创业企业及项目倾斜。

  二是加大政策扶持。省直相关部门联合有关单位,为产业发展提供政策和服务支持,在税收优惠、市场引导等方面实施长期稳定扶持政策,保障3D打印产业长期有序发展。鼓励和支持相关单位积极参与制修订国际、国家和行业标准,以及申报国内外发明专利。

  三是强化人才扶持。加快引进3D打印产业高层次人才,将符合条件的优先纳入省高端人才引进资助计划。支持省内高等院校进一步完善学科和专业设置,将3D打印技术纳入相关学科和专业建设体系,培养我省急需的3D打印技术人才。加强教育培训,促进社会化推广,发挥行业协会等社会组织的作用,有针对性地开展3D打印产业各类应用型人才的培训工作。

  (撰稿人:崔长征、徐文亮)   

  


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