我国3D打印技术发展现状及环境分析

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打印这种神奇的技术能带来“第三次工业革命”[1][2]。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

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

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

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和使用过程中受损的航空发动机叶

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，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3D

打印技术的支持力度。随着党和国家的高度重视，必将带动全社会对3D打印技术的重视，政府和企业对3D打印技术的研发投入也必将大幅增长，为我国3D 打印技术的发展提供良好的条件，吸引越来越多的科技工作者投身于3D打印技术的研究，快速攻克制约3D打印技术发展的技术瓶颈，为我国3D打印技术的发展提供不竭的动力。

(二)我国已具备良好的技术基础，为3D打印技术发展与应用奠定了坚实的基础经过多年的发展，我国的3D打印技术已具备较好的基础。世界上，3D打印技术仍处在技术发展初期，我国与技术先进国家的差距较小，为我国3D打印技术发展提供了难得的历史机遇。从上世纪末开始3D打印技术研究，经过多年的积累，形成了一批稳定的研究机构和专家队伍，突破了一批关键技术，建成了一批重要的研究基地，创建了一批产业公司，我国3D打印技术发展已经具备赶超发达国家的技术基础。航空航天大学、西北工业大学的金属材料激光快速成形技术攻克了长期制约金属材料3D打印的关键技术问题，成功应用于航空领域，技术水平居世界领先地位，为下一步发展奠定了技术基础。航空航天大学、西北工业大学、华中科技大学、交通大学和中航工业航空制造工程研究所等高校和科研结构形成了一批高水平专家队伍，为下一步发展奠定了人才基础。隆源自动成型系统、太尔时代科技，铂力特激光成形技术、华曙高科和滨湖机电技术产业等3D 打印公司形成了自己的产品特色，业务稳步增长，为3D打印技术的产业化发展奠定了产业基础。发达国家3D打印技术仍不成熟，为我国3D打印技术留下了赶超的时间窗口。总体上，3D打印技术仍处于技术积累期，尚有大量核心关键技术待攻克和突破，整体技术水平还有待提升，产业模式还有待拓展，相对传统

高级制造业，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

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