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    我國增材制造產業基礎能力提升方法建議

    我國增材制造產業基礎能力提升方法建議

    • 分類:新聞中心
    • 作者:
    • 來源:
    • 發布時間:2021-08-05 13:38
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    【概要描述】

    我國增材制造產業基礎能力提升方法建議

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        國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要指出,要把新發展理念貫穿發展全過程和各領域,構建新發展格局,切實轉變發展方式,推動質量變革、效率變革、動力變革,實現更高質量、更有效率、更加公平、更可持續、更為安全的發展。作為戰略前沿技術之一的增材制造,是實現制造業轉型升級的重要賦能技術之一,其與信息網絡技術的深度融合,給傳統制造業帶來了重大的變革性影響,是實現制造業轉型升級和高質量發展的有效路徑。

        增材制造(3D打?。┦且詳底帜P蜑榛A,將材料逐層堆積制造出三維實體物品的數字化制造技術,體現了信息網絡技術與先進材料技術、數字制造技術的密切結合,是先進制造業的重要組成部分。我國增材制造技術研究起步較早,經過近四十年的發展,已形成完整、成熟的產業鏈,是高端裝備制造領域中研發水平基本與發達國家同步的幾種技術之一,但產業基礎核心技術及部件對國外依存度仍然較高。

        本文對增材制造產業核心基礎范疇及國內外發展現狀進行對標分析和深入研究,剖析我國增材制造產業現階段基礎能力存在的問題和主要原因,并提出提升路徑、重點任務及政策性建議,對推動增材制造產業基礎高級化和產業鏈自主可控具有重要意義。
     

    01

    增材制造產業基礎及國內外發展現狀

    1.1   產業基礎內涵

        增材制造作為制造體系中重要組成部分,與傳統的等材、減材制造方式相比表現出了更大的創造靈活性與應用寬泛性,為制造業的轉型升級和綠色經濟生態的形成帶來重大的機遇,已成為世界先進國家重點發展的關鍵共性技術之一。

    增材制造技術的規?;瘧弥挥薪⒃诓牧?、工藝、設備、軟件等系列化的標準、規范上,才能形成強基、穩健的產業鏈條和產業集群(圖1)。

     

        增材制造專用材料是指適用于增材制造工藝的特殊材料體系,增材制造與傳統的減材、等材加工不同,其對材料有特定的形態、流動性、黏度等特性的物性要求。因此,在傳統廣泛材料基礎上,根據增材制造技術的應用需求應盡量拓寬打印材料范圍,主要包括與工藝相適應的超強承載、極端耐熱、超高精度、超輕量化和高可靠性材料。

        工藝仿真與過程控制軟件通過工藝仿真與過程控制實現,開展強輕量化和高性能化的工藝過程模擬以及制造過程模擬,實現產品結構/功能優化與設計,預判成形工藝過程缺陷,是發展增材制造技術優勢的重要基礎之一。

        多功能/高精度增材制造專用裝備,是整體增材制造產業發展的應用基礎,是工藝成形的核心手段和硬件保障,是整個行業領域的重中之重,是實現一切功能目標的硬件基礎,也是目前整個產業發展的卡脖子技術之一。

        增材制造標準體系是目前整體產業發展缺失最為嚴重的環節,由于工藝的特殊性,已有的檢測標準體系已經無法滿足實際產業發展應用需求。針對增材制造工藝和裝備的特點形成的檢測標準體系,是產業良性循環的最后關口,具有非常重要的作用。

        綜上所述,增材制造專用材料、工藝仿真與過程控制軟件、多功能/高精度增材制造工藝及裝備、增材制造標準體系是增材制造產業發展的基礎共性關鍵技術,且相關技術并非是獨立,而是高度互聯、交叉的,實施產業基礎再造,推動相關技術的自主可控和高級高質發展是提升增材制造產業鏈自主可控的重要保障。

    1.2   國內外發展現狀

        從全球來看,增材制造經過多年發展,從源頭上的理論方法創新,到典型應用場景的示范應用,再到不同行業的規模推廣,已經成為一定規模的先進制造產業。從國內發展看,近年來我國加大了增材制造領域的投入,成立了國家增材制造研究院和專業化運營企業,力推國家戰略層面和技術源頭創新,形成了技術源頭牽引、局部全球領跑,部分國際并跑的格局。
     

    02

    增材制造產業基礎存在問題與原因分析

    2.1   存在的問題

        目前,國內增材制造產業總體技術水平接近國外先進水平,但產業基礎核心技術缺失,存在產業基礎低端化、產業鏈條空心化的問題。比如在產業基礎產品的穩定性、一致性、可靠性等方面存在短板,關鍵技術和零部件受制于人、依賴國外,具體問題如下:

        (1)原始創新能力薄弱,基礎理論研究缺乏國家在賦能技術相關產業的基礎研究方面研發投入少、基礎理論研究缺乏、技術積累不足、自主創新能力弱。比如,在增材制造基礎理論、新材料形性設計理論、微納尺度成形技術機理等方面的投入少,許多研究尚處于起步階段;在增材制造微觀機理研究方面僅開展局部研究;在復合材料、智能材料、材料基因創新結構設計、關鍵器件制造、成形過程精細控制和性能預測設計等方面的基礎積累嚴重不足,以跟跑為主。

        (2)自主創新能力不足,關鍵材料、核心器件、基礎軟件依賴進口增材制造產業涉及的關鍵材料、功能化增材制造工藝仿真與過程控制軟件、多功能/高精度增材制造智能裝備等核心產業基礎方面對國外依存度高、不能自主可控。如材料制備工藝及裝備在可靠性、一致性、智能化程度方面與國外先進水平相比還有差距,增材制造裝備的核心元器件主要依靠進口。

        (3)基礎質量驗證缺失,基礎產品短板突出國內增材制造產業基礎產品往往以仿造和模塊化設計為主,沒有從系統性角度開展正向設計、可靠分析及系統驗證;在工藝技術研究方面,國外是基于理論基礎的工藝控制,而我國則更多依賴于經驗和反復的試驗驗證,導致增材制造產業基礎產品仍處于中低端,應用短板突出,如在生物增材制造、非金屬及復合材料制造、微納增材制造等方面標準缺失。

    2.2   主要原因分析

        (1)缺少頂層設計,產業鏈發展不協同國家對增材制造產業基礎發展重視不足,缺少支持產業基礎發展的頂層設計,導致加工產業鏈涉及的整機、裝備與基礎部件等發展脫節、不協同。增材制造整機企業一直處于對國外先進技術消化、吸收的追趕式發展方式,對基礎產業的研發投入不足、研究深度不夠,重顯輕潛、重主機、輕配套等現象,導致產業基礎對外依賴度高。國家支持的高校和科研機構存在重論文、輕研發、輕轉化的現象,導致一部分科研中堅力量不愿去做無法產生高水平論文的偏產業化的技術課題,促使高??萍寂c產業經濟融合程度弱。

        (2)企業創新能力不強,龍頭企業引領示范作用不明顯增材制造產業基礎技術領域具有國際競爭力的大型骨干企業數量少,絕大部分為細分領域的中小企業,規模和實力不夠強大,技術創新能力先天不足,其專業化程度低、裝備水平不高、質量可靠性差等,導致基礎領域陷入低層次競爭。

        (3)研究體系缺失,共性技術研究成果不足技術創新活動一般都遵循基礎研究發明、轉化應用研究、進入市場三個階段,缺一不可。隨著國家科技體制改革,原本承擔產業共性技術研究開發功能的科研機構轉制為企業,倒逼增材制造企業依靠自身力量承擔基礎共性技術研發及轉化研究,使得產業共性技術研究體系缺失,這就進一步加劇了產業基礎共性技術的短板、弱項凸顯。

        (4)人才培養系統性不夠,高水平復合型人才短缺增材制造產業基礎技術復雜程度高、研究難度大,涉及多學科交叉,需掌握計算機、機械、電子、材料、光學等多學科知識,該領域高水平復合人才、領軍人才、高端研發人員均呈現嚴重缺口。此外,由于產業基礎相關企業以中小型企業為主,企業盈利能力有限、經濟實力不強,常常面臨核心人才流失的不利局面。

     

    03

    增材制造產業基礎能力提升的總目標及發展路徑

    3.1   提升的目標

        在我國加快構建以國內大循環為主、國內國際雙循環相互促進的新發展格局形勢下,增材制造產業基礎能力提升的總體目標就是要打造自主可控、安全可靠的增材制造產業鏈、培育增材制造基礎技術策源地,以基礎理論研究、多形性專用材料、高精度工藝體系、精準控制軟件、生物微納特種成形裝備等全鏈條基礎技術突破為抓手,突破多制造技術融合、多制造功能實現的增材制造,并向高性能和智能化方向發展,形成特色增材制造產業集群。按照五年補短、十年固基、十五年強鏈的步驟,相關部門提出了增材制造產業基礎高端化、產業鏈現代化的階段目標。

        (1)到2025年,形成包括通用工程塑料、高性能金屬、增強復合材料在內的多種形態(粉體、顆粒、絲材等)增材制造高端專用材料國產化;實現面向多種增材制造工藝的全流程工藝控制軟件平臺建設;掌握高性能大型復雜整體關鍵構件增材制造變形開裂預防、力學性能控制、大型裝備研發、技術標準建立等關鍵技術,實現其在飛機,航空發動機、導彈、衛星、船舶、軌道交通等重大裝備的工程應用;加強微納增材制造領域研究,把平面微納制造技術變為微納3D直寫技術,建立增材制造技術策源地。

        (2)到2030年,實現包括大功率激光器、高能量電子束、高效率打印噴頭等核心器件的自主研發供給能力;實現等材、減材與增材制造復合的專用裝備自主研發;面向航空航天、軌道交通、醫療等重點領域,實現增材制造在相關領域的批量化、型號化、持續化產業應用;建立面向增材制造的活性組織與器官微觀結構的仿生設計準則;初步建立我國4D打印技術材料與工藝體系,并以工程應用需求為牽引,研究并解決4D打印材料、工藝、裝備和典型應用中的核心科學問題,以及突破相關關鍵技術;突破多尺度、多細胞、多材料、多組織一體化生物增材制造的技術裝備瓶頸,解決復雜活性器官多細胞體系與血管系統的共生融合難題。

        (3)到2035年,建立面向太空、深海、核能等重要極端環境的增材制造全流程平臺,實現在真實環境的典型應用;健全面向賦能共性技術、關鍵技術、系統試驗、裝備能力、檢測方法等標準化體系;實現復合材料增材制造技術突破,成為復合材料制備方法中重要的手段,并實現大范圍規?;瘧?;完善我國智能打印技術材料與工藝體系,實現4D打印技術在環境自適應機構、結構健康監測、柔性機械、自執行系統等領域的大范圍工程化應用,發展精確化、智能化生物增材制造技術;實現細胞、細胞外基質、基因的精確操作調控組織與器官再生微環境,與微納生物傳感、神經元再生相結合,實現增材制造組織的智能化,實現與宿主組織及神經系統相融相生。

    3.2   發展路徑

        在落地總體目標的過程中,要采用突破工程、短板工程、卓越工程三大任務,合理、可行、分步、有序推進重點任務。

    3.2.1   突破工程

        (1)突破具有自主知識產權的生物增材制造軟件開發具有自主知識產權的生物增材制造軟件,提升我國在醫療器械領域的自主研發設計能力,有機的結合我國自主研發的增材制造能力和優勢技術,突破醫療器械長久以來的國外技術和研發壟斷的格局。

        (2)突破面向國家重大工程的特殊增材制造技術及裝備太空打印可以以小設備制造大裝置,可以在太空制造巨型太陽能電站,建立月基發射基地,乃至發展成太空裝備新材料,實現把制造搬到天空去的美好愿望,太空打印是我們走向太空的階梯。我國應大力發展太空打印技術,實現面向極端環境的原創性技術工藝的突破。

        (3)突破組織器官生物增材制造研發面向組織器官增材制造的材料、裝備及工藝,特別是多種制造工藝耦合的復雜功能制造裝備和相應的復雜組織器官結構,例如腦組織等的一體化制備,是生物制造領域亟待提升的重點方向,從而實現機械與生物醫療、生物化學、物理等學科的充分交叉融合發展。

        (4)突破4D打印技術材料與工藝體系研究并解決4D打印材料、工藝、裝備和典型應用中的核心科學問題,以及突破相關關鍵技術,實現4D打印技術在環境自適應機構、結構健康監測、柔性機械、自執行系統等領域的大范圍工程化應用,建立我國4D打印技術材料與工藝體系。

    3.2.2   補短工程

        (1)加強增材制造產業基礎理論體系研究圍繞金屬成形中的強非平衡態凝固學、極端條件下增材制造新機理、梯度材料及結構的增材制造機理、組織器官個性化制造及功能再生原理等方向開展科學研究,建立覆蓋新原理、新方法、控形控性原理與方法、材料設計、結構優化設計、裝備質量與效能提升、質量檢測與標準、復合增材制造等全系統、完整的學科方向。

        (2)大尺寸高性能復合材料工藝及裝備以高性能高分子材料為基體,短纖維和連續纖維為增強材料的復合材料大尺寸快速成形、層間強度強化、多工藝復合等增材制造工藝技術研究,研制多材料、多類型復合制造工藝的專用裝備,特別是超大尺寸、超高效率、超高精度專用裝備的研制。

        (3)智能化、高精密、高效率增材制造工藝及裝備研究增材制造新原理與新方法、工藝數據庫和軟件、成形質量在線檢測與實時反饋系統、智能化控制和自適應工藝調控系統、金屬增材制造后處理集成系統、等材-增材-減材多加工方式的復合智能集成系統等,發展具有自采集、自建模、自診斷、自學習、自決策的高可靠、高性能、高效率、智能化精密金屬增材制造工藝與裝備。

        (4)工藝仿真與過程控制軟件圍繞增材制造工藝離散制造的特點,研制面向不同材料、不同工藝、不同應用環境的工藝仿真軟件,建立面向多尺度、多材料、多功能的性能模擬及結構拓撲優化軟件集;研發基于大數據和智能工藝的工藝過程控制軟件,實現與已有工業控制器、傳感器、數據采集模塊等電氣裝備的集成接口開發。開發基于構件力學性能匹配的空間曲面纖維連續打印路徑規劃算法與軟件。

        (5)高強高導抗燒蝕金屬增材制造工藝及裝備針對電磁能裝備在多場耦合極端沖擊條件下,存在電弧燒蝕、高速刨削等一系列關鍵技術難題,以長壽命服役為目標,開展高強高導抗燒蝕金屬合金增材制造一體化設計、成形與性能調控技術、工藝及裝備。

        (6)增材制造標準體系完善現有增材制造標準體系,形成以材料檢測基礎,工藝評價為指導,性能檢測為衡量的標準聯動檢測體系,建立面向工藝質量控制和生產流程標準化的產業化標準體系,率先實現面向應用、具有鮮明技術特色和優勢的完備評價體系。

    3.2.3   卓越工程

        (1)增材制造高端專用材料圍繞多金屬材料集成、陶瓷等復合材料、創新合金材料、非晶材料的增材制造技術,形成并建立材料基因組性能數據庫;開展增材制造中熔池凝固、組織演變、應力演化等基礎研究,揭示缺陷產生以及組織演變機理;掌握多種類材料增材制造過程中的控形、控性規律,開展功能材料創新制備技術研究,提升成形件的強度、韌性、耐溫等性能,拓寬打印材料范圍。

        (2)可降解醫用金屬的個性化增材制造工藝及裝備針對可降解醫用金屬材料蒸汽壓高,增材成形過程中易揮發、難控制等一系列關鍵技術難題,開展結構材料一體化設計、成形與性能調控研究。

        (3)可顯著提升制造效率的新型金屬增材制造技術與裝備針對航空航天、重型機械、冶金石化等行業復雜金屬構件對制造技術水平不斷提升的要求,開展在確保成形精度的前提下,可顯著提升成形效率的新型增材制造技術與裝備的研究,并在工業領域推廣應用。

     

    04

    相關政策建議

    4.1   重視頂層設計,制定增材制造產業基礎發展戰略

        進一步強化并充分發揮政府的統籌協調作用,加強頂層設計,形成可持續推進機制。針對當前、中期、長期,出臺增材制造產業強基發展戰略及實施綱要,并制定詳細的行動計劃和路線圖,加大力度實施激光產業基礎工程再造,針對產業薄弱環節,做好政策扶持、企業主體、人才培養等工作,推動產業鏈、創新鏈、資金鏈和人才鏈等創新生態的良性循環。

    4.2   重塑轉制院所行業功能,建立共性技術研發機構

        聚焦增材制造產業基礎薄弱環節和關鍵核心問題,依托轉制科研院所開展增材制造共性技術平臺建設,形成增材制造產業基礎原創技術策源地,發揮轉制院所共性技術供給、行業引領帶動等公益功能,保障增材制造產業基礎技術向高端化、可持續、高質量發展。

    4.3   強化企業技術創新主體地位,加強扶持和支持力度

        突出企業在技術創新中的重要作用,研究稅收優惠、研發激勵等政策,培育增材制造產業龍頭企業走創新驅動的發展道路,積極成為增材制造產業鏈鏈主,引領整機、系統、部件等全產業鏈條的整體提升;同時促進龍頭企業與從事基礎研究的高校、共性研究的科研院所密切銜接,建立技術生態系統。

    4.4   重視工藝技術創新研究,提升批量制造能力和水平

        生產工藝創新是工業領域的主要創新活動之一,其發展水平直接決定著工業產品的性能、質量和可靠性,引導增材制造產業基礎配套企業重視生產制造工藝,把工藝創新與技術創新放在同等重要水平,提高研發-轉化-產業化等創新鏈條的協同性、完整性,開展工藝技術軟件化和標準化工作,整體提升工業創新效益。

    4.5   加強基礎人才隊伍建設,夯實產業發展基礎保障

        一方面,通過推進海內外人才集聚工程,面向全球引進一批重點產業基礎研究人才,加快形成一支高素質的專業人才隊伍;另一方面加快基礎人才培養,加大高校、科研院所等機構的基礎學科、交叉學科的建設,形成從初級到高端的基礎人才培養體系;三是健全對基礎人才的激勵機制,加大對基礎研究人才的生活、工作配套支持,用好現有人才,穩住關鍵人才。

    4.6   實施基礎能力提升專項工程,推動技術攻關及成果應用

        實施產業基礎能力提升專項工程,設立專項資金,針對當前國內產業基礎薄弱、關鍵技術受制于人、嚴重依賴進口、制約產業競爭力提升的基礎零部件、基礎工藝、基礎材料和技術基礎進行重點支持,并在典型行業打造應用示范工程,推動工業基礎技術成果應用,引領產業基礎高級化、現代化。

     

    05

    結束語

        本文系統對標分析了增材制造產業基礎技術的發展現狀,剖析了我國現階段增材制造產業基礎存在的問題及主要原因,研究了增材制造產業基礎能力提升的總體目標、主要任務,并從國家層面的頂層設計、制度建設,增材制造產業層面的協同合作、創新機制,到增材制造基礎配套企業的創新驅動、先行先試、人才培養等全方面給出了政策性建議,以期推動我國增材制造產業企業、高校、科研院校等實現自我突破、轉型升級與創新發展,打破對國外進口的依賴,形成新的創新生態,帶動增材制造產業基礎從中低端向中高端邁進。

       者:高   燕,葉   敏,吳   強,張   

       源:《電加工與模具》2021年第3 

       文:《我國增材制造產業基礎能力提升方法建議》

     

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