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我国增材制造发展的五个问题与建议

增材制造作为先进制造业的典型代表,被各国广泛关注。我国通过建立国家增材制造创新中心、在工业强基“一条龙”应用计划中列入增材制造等举措,不断发掘产业创新能力,夯实增材制造基础。
发布时间:2020-08-07 11:04        来源:赛迪智库        作者:张昕嫱 王海龙 谢振忠 曹茜芮 朱杰

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增材制造作为先进制造业的典型代表,被各国广泛关注。我国通过建立国家增材制造创新中心、在工业强基“一条龙”应用计划中列入增材制造等举措,不断发掘产业创新能力,夯实增材制造基础。总体而言,目前我国增材制造能力有所提升,但仍存在五个亟待解决的问题:基础研究对产业发展支撑不足,软件和关键零部件受制于人,上下游企业缺乏有效互动渠道,应用范围和用户数量有待扩展,资金和人才等支撑体系亟待完善。 

一、增材制造发展存在的五个问题

基础研究对产业发展支撑不足。我国对增材制造技术的研究起步较早,从1988年开始研究激光成形技术、SLS设备等。但随着产业的快速发展,基础理论研究滞后于技术发展需求的矛盾日益突出。

一是材料组织形貌表征及控制的研究工作不完善。对增材制造过程中材料微观组织的观察缺失,导致微观结构难以控制,加工性能不可控,进而影响成品质量。

二是模拟能力不足。增材制造是一个复杂过程,在对晶体等微观组织的仿真分析方面仍面临较大挑战。

三是工艺原始创新缺乏。目前我国的增材制造创新集中在部分工艺改进和具体应用领域,实质性、原始性的工艺创新较少。

软件和关键零部件受制于人。从软件看,3D建模软件、扫描软件等领域基本被国外公司垄断,比如,美国PTC公司的Pro/E软件、德国A&D公司的UG软件,以及3D模型扫描领域的加拿大Creaform公司和美国3D Digital公司等,由于先发优势形成市场垄断,我国企业只能通过为这些软件平台开发插件以求生存。

从关键核心部件看,激光器、扫描振镜、喷头、精密光学器件等关键零部件严重依赖进口。激光器约占增材制造设备平均成本的19%,市场份额大部分被SPI、IPG、AOC和DPSS等国外企业占据,扫描振镜约占增材制造设备平均成本的6%,市场份额主要被德国Scanlab公司占据。此外,目前国外已在多激光多振镜领域攻克技术性难题,我国的差距进一步被拉大。

产业上下游未形成良性互动。我国增材设备制造企业数量多,但设备开发商与上游原材料供应商、下游应用商并未形成良性互动。

一方面,由于设备开发商与原材料供应商缺乏联合,打印材料种类单一,应用商只能使用设备开发商提供的材料进行打印。

另一方面,数据建模、创意造型等软件应用服务未得到足够重视,服务商难以与设备商形成良性互动。

在美国,设备商、软件制造商和原材料供应商之间合作密切。比如,增材制造和精密加工两大龙头企业3D Systems和GF Machining Solutions联合开发了可扩展的制造平台DMP Factory 500,可通过简化工作流转换金属制造,提升联合创新能力。

应用范围和用户数量有待扩展。随着增材制造的普及,应用相关技术的领域不断增加,但实际应用产品种类较少。

增材制造成本较高,且受到打印尺寸、材料种类等方面的限制,大多应用在高附加值产品或模型件上,比如,航空航天领域的复杂构件、医用植入物、铸造蜡模等,应用范围并不广泛。

此外,企业应用多、个人应用少。IDC研究显示,我国工业级3D设备占到整体市场销售额的近70%,桌面级3D设备贡献了超过90%的出货量。

资金、人才等支撑体系亟待完善。从资金维度看,由于研发投入比例非常高,大部分增材制造企业处境尴尬:毛利率高,净利润低甚至为负,生存基本依赖政府补贴。

以行业龙头企业铂力特为例,2018年公司净利润为5799.39万元,但计入当期损益的政府补贴高达2455.64万元,同时还享受其他补助和税收优惠,政府补贴补助和税收优惠占净利润的比重过半。

从人才维度看,国内增材制造专业人才缺失。我国拥有增材制造相关专业的院校有70余所,但据国家制造业信息化培训中心预测,未来增材制造人才需求缺口达800万人。此外,国外增材制造人才大多属于既懂专业技术又懂软件编程的复合型人才,我国这类人才则非常缺乏。

二、对策建议

重视基础创新能力。强化增材制造的基础理论研究,围绕金属材料、非金属材料和高分子材料在增材制造过程中的微观组织、力学性能变化,研究优化工艺流程,提升增材制造产品的综合性能。依托国家增材制造创新中心,完善计量体系,开发增材制造计量测试平台,更加精准地监控制造流程。支持跨领域合作,鼓励增材制造专业与计算机、材料、数学、光学等基础学科,以及航天航空、机械、生物等应用学科加强合作,强化科学技术与创新的“双向互动”,密切基础与应用生产对接,围绕国防、民生领域的重大项目和重大工程,定向匹配基础研究任务。

提升正向设计能力。从航天航空、汽车、生物医疗等领域用户的需求出发,自上而下分解增材制造产品、工艺、材料、软件的解决方案,实现覆盖产品系统全生命周期的设计制造一体化,提升增材制造的正向设计能力。加快建模软件、扫描软件、控制软件的核心引擎研发,推动行业和领域专用设计及仿真软件应用。支持汇集技术规范、操作规范、国家标准、经验公式、模型算法等软件核心内容,以及解决工具的行业知识库、模型库和算法库建设。鼓励国内激光器、扫描振镜企业加强与美国、加拿大等国知名企业、科研机构合作,针对技术链条中的薄弱环节加强技术研发,解决实际问题。

建立有效对接渠道。加强原材料供给,形成与装备和工艺软件相适应的原材料体系,向高性能、产品种类多元化、工艺成熟化和低成本化发展。加强增材制造技术与传统制造业的融合,鼓励传统制造业企业应用增材制造技术,为传统工艺提供轻量化、多件融合、分布式生产、按需生产、个性化等服务,降低制造成本、优化开发、改善生产流程和质量。建设跨行业、跨领域的工业互联网平台,支持由大型企业跨界介入、各领域制造业企业共同参与,进而把增材制造应用到各行各业。推广在线设计平台和在线工厂等新业态、新模式,打造增材制造领域APP和用户双向迭代的双边市场,支持增材制造厂商建设全球伙伴关系。

推广技术示范应用。在西安、杭州等增材制造产业较为发达的城市开展示范应用。以直接制造为主要战略取向,兼顾原型设计和模具开发应用,拓宽增材制造在工业产品研发设计中的应用范围,推动其在传统制造业、高端装备制造、医疗、文化创意、创新教育等领域的规模化应用。利用增材制造云平台等新模式,打通线上线下在社会、企业、家庭中的应用路径。实施增材制造设计与工艺、服务的完整解决方案,面向结构拓扑优化、设计与模型处理、设计评估与参数优化、工艺模拟与工业优化、增材制造设备与质量检测等全流程,寻求实现性能、经济性和工艺可实现性之间的平衡。

完善产业发展支撑体系。促进增材制造扶持资金精准化。加强对技术研发的补贴,采取事前资助、事后补助并举的方式,支持工艺、材料的基础研究、应用研究等,完善资金管理和监督制度。推动增材制造人才专业化。将增材制造技术纳入学科建设体系,开展以学科专业集群为基本单元知识和能力体系的教育,基于真实项目实训、面向交叉学科集群开展人才培育,推动增材制造人才培养模式变革。加强完善增材制造标准体系。在材料工艺研发与验证流程、零件修理工艺研发流程、零件修理工艺验证流程等领域开展标准制定,规范增材制造流程。加强与ASTM、ISO、美国SAE、德国DIN、VDI等标准化协会和组织的合作,力争融入国际增材制造标准体系。

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