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中心主任盧秉恒院士:增材制造技術——現狀與未來
  TIME:2020-04-14 14:29:55   瀏覽次數:3481次

盧秉恒,男,1945年生,中國工程院院士,西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室教授、博士研究生導師,快速制造國家工程研究中心主任、《中國機械工程》第五屆編委會主任。研究方向為先進制造技術。

引言

增材制造(additive manufacturing,AM)技術(也稱為3D打印技術)是20世紀80年代后期發展起來的新型制造技術。2013年美國麥肯錫咨詢公司發布的“展望2025”報告中,將增材制造技術列入決定未來經濟的十二大顛覆技術之一。目前,增材制造成形材料包含了金屬、非金屬、復合材料、生物材料甚至是生命材料,成形工藝能量源包括激光、電子束、特殊波長光源、電弧以及以上能量源的組合,成形尺寸從微納米元器件到10 m以上大型航空結構件,為現代制造業的發展以及傳統制造業的轉型升級提供了巨大契機。增材制造以其強大的個性化制造能力充分滿足未來社會大規模個性化定制的需求,以其對設計創新的強力支撐顛覆高端裝備的傳統設計和制造途徑,形成前所未有的全新解決方案,使大量的產品概念發生革命性變化,成為支撐我國制造業從轉型到創新驅動發展模式的轉換。

增材制造已經從開始的原型制造逐漸發展為直接制造、批量制造;從3D打印,到隨時間或外場可變的4D打??;從以形狀控制為主要目的的模型、模具制造,到形性兼具的結構功能一體化的部件、組件制造;從一次性成形的構件的制造,到具有生命力活體的打??;從微納米尺度的功能元器件制造到數十米大小的民用建筑物打印,等等,增材制造作為一項顛覆性的制造技術,其應用領域不斷擴展。

經過近40年的發展,增材制造技術面向航空航天、軌道交通、新能源、新材料、醫療儀器等戰略新興產業領域已經展示了重大價值和廣闊的應用前景,是先進制造的重要發展方向,是智能制造不可分割的重要組成部分。增材制造技術是滿足國家重大需求、支撐國民經濟發展的“國之重器”,已成為世界先進制造領域發展最快、技術研究最活躍、關注度最高的學科方向之一。發展自主創新的增材制造技術是我國由“制造大國”向“制造強國”跨越的必由之路,對建設創新型國家、發展國民經濟、維護國家安全、實現社會主義現代化具有重要的意義。

1 、發展現狀

2018年,全球增材制造產業產值達到 97.95 億美元,較2017年增加24.59億美元,同比增長33.5%;全球工業級增材制造裝備的銷量近20 000臺,同比增長17.8%,其中金屬增材制造裝備銷量近2 300臺,同比增長29.9%,銷售額達9.49億美元,均價41.3萬美元。以美國 GE公司為代表的航空應用企業開始采用增材制造技術批量化生產飛機發動機配件,嘗試整機制造,并計劃2021年啟用一萬臺金屬打印機,顯示了增材制造技術的顛覆性意義。相應地,歐洲及日本等發達地區和國家也逐漸把增材制造技術納入未來制造技術的發展規劃中,比如歐盟規模最大的研發創新計劃“地平線2020”,計劃7年內(2014—2020)投資800億歐元,其中選擇10個增材制造項目,總投資2300萬歐元;2019年,德國經濟和能源部發布《國家工業戰略2030》草案中,將增材制造列為十個工業領域 “關鍵工業部門”之一;2014年日本發布的《日本制造業白皮書》中,將機器人、下一代清潔能源汽車、再生醫療以及3D打印技術作為重點發展領域;2016年,日本將3D打印器官模型的費用納入保險支付范圍。

我國增材制造技術和產業發展速度快,規模穩步增長,技術體系和產業鏈條不斷完善,產業格局初步形成,支撐體系逐漸健全,已逐步建立起較為完善的增材制造產業生態體系。根據中國增材制造產業聯盟的統計,在2015—2017年三年間,我國增材制造產業規模年均增速超過30%,增速高于世界平均水平;我國本土企業實現快速成長,涌現出先臨三維、鉑力特、華曙高科等一批龍頭企業,產業發展速度加快。

1.1 創造能力在不斷提升

增材制造在相關國家科技計劃的持續支持下,已為我國航空航天、動力能源領域高端裝備的飛躍發展和品質提升作出了重要貢獻。目前我國已初步建立了涵蓋3D打印金屬材料、工藝、裝備技術到重大工程型號應用的全鏈條增材制造的技術創新體系,整體技術達到國際先進水平,并在部分領域處于國際領先水平,如我國采用激光熔覆沉積技術實現了世界上最大、投影面積達16 m2的飛機鈦合金整體承力框的增材制造;制造出了長達1.2 m的世界最大單方向尺寸的激光選區熔化鈦合金制件,解決了傳統方法難以實現的極端復雜結構的多結構、功能集成整體制造難題。同時,我國在增材制造技術的研究和產業發展方面已經形成一定的規模,從增材制造前處理模塊產業到中游的設備制造和材料生產產業,再到下游的技術服務商和客戶群體,已形成小規模的產業鏈。

我國于2016年底建立了支撐增材制造技術發展的研發機構——國家增材制造創新中心,旨在開發創新型增材制造工藝裝備,專注于服務產業的共性技術研究,推進增材制造在各領域的創新應用,聚焦技術成熟度介于4—7級的產業化技術的孵化與開發,為我國增材制造領域提供創新技術、共性技術以及信息化、檢測檢驗、標準研究等服務。同時一批省級增材制造創新中心也相繼成立或宣布籌建,形成了國家級、省級增材制造創新中心協同布局的發展格局,逐漸形成以企業為主體、市場為導向、政產學研用協同的“1+N”增材制造創新體系。

1.2 產業規??焖僭鲩L

我國增材制造產業仍處于快速發展階段,產業規模逐步增長。2018年,中國增材制造產業產值約為130億元,相較于2017年的100億元,同比增長30%。根據中國增材制造產業聯盟對40家重點聯系企業的統計結果顯示,2018年,這些企業的總產值達40.63億元,比2017年的32.83億元增加7.8億元,同比增長23.8%。2018年,中國增材制造裝備保有量占全球裝備保有量的10.6%,僅次于美國(美國的該參數為35.3%),位居全球第二。

我國增材制造產業已初步形成了以環渤海地區、長三角地區、珠三角地區為核心,中西部地區為紐帶的產業空間發展格局。其中,環渤海地區是我國增材制造人才培養中心、技術研發中心和成果轉化基地。長江三角洲地區具備良好經濟發展優勢、區位條件和較強的工業基礎,已初步形成了包括增材制造材料制備、裝備生產、軟件開發、應用服務及相關配套服務完整的增材制造產業鏈。珠三角地區,隨著粵港澳大灣區建設的推進,增材制造產業將得到進一步集聚。中西部地區,陜西、廣東、湖北、山東、湖南等省份是我國增材制造技術中心和產業化發展的重點區域,集聚了一批龍頭企業和重點園區。

1.3 應用領域持續拓展

增材制造技術應用已從簡單的概念模型、功能型原型制作向功能部件直接制造方向發展,各領域應用持續拓展,尤其在航空、航天、醫療等領域的應用更為深入。以北京航空航天大學、西北工業大學、北京煜鼎增材制造研究院有限公司、西安鉑力特增材技術股份有限公司為代表的金屬增材制造產學研鏈條高校和企業,已初步建立了涵蓋3D打印金屬材料、工藝、裝備技術到重大工程型號應用的全鏈條增材制造的技術創新體系,整體技術達到了國際先進水平,并在部分領域居于國際領先水平。除此之外,在航空航天領域,中國航空發動機集團成立了增材制造技術創新中心,旨在推動增材制造燃油噴嘴等零部件逐步走向規?;瘧?;2018年發射的嫦娥四號中繼衛星搭載了多個采用增材制造技術研制的復雜形狀鋁合金結構件。在醫療領域,目前已有5個3D打印醫療器械獲得CFDA(中國食品藥品監督管理總局)批準上市,尤其是2019年初,第二類醫療器械定制式增材制造膝關節矯形器獲批上市,標志著CFDA認證的增材制造醫療器械正從標準化走向個性化。在消費領域,先臨三維科技股份有限公司量產3D打印鞋的數量已超過一萬雙,顯示了3D打印技術在制鞋行業中的應用前景。

2、問題與挑戰

從總體研究和產業發展來看,與大多數“一帶一路”新興國家相比,我國增材制造技術處于絕對領先地位,但與歐洲、美國、日本等發達地區和國家相比,我國在基礎理論、關鍵工藝技術以及高端裝備等方面仍存在較大的差距。在高端增材制造裝備商業化銷售市場,美國和德國還占據著絕對優勢;我國高端增材制造裝備的核心元器件和商用軟件還依賴進口;系統級創新設計引領的規?;I應用還主要在美歐國家。歐美日等發達地區和國家借助資金、人才、技術和市場的優勢,在增材制造與激光制造基礎理論、核心器件、工藝和裝備、產業應用等方面均處于領跑水平。我國增材制造研究及產業發展面臨的問題和挑戰主要包括以下幾個方面。

2.1 原始創新和變革性技術不足

近些年增材制造具有變革性的技術均來源于國外,一些顯著影響增材制造全局的重大技術進步都來自于美歐國家,如德國的電子束高效增材制造裝備、MIT和惠普的金屬粉末床黏結劑噴射打印技術、空客公司的增材制造專用鋁合金Scalmalloy等。國內相關技術仍然處于跟跑位置,原始創新能力有待加強和引導。

2.2 自主創新和標準的體系尚待完善

從技術創新層面看,知識產權和專利技術一直是各國搶占戰略制高點的主要戰場。目前以歐、美、日等發達國家和地區構建的專業技術壁壘對我國企業在增材制造和激光制造領域的布局和研究產生了較大程度的沖擊。為打破國外技術壁壘和封鎖,擁有一套核心自主知識產權體系是我國發展增材制造產業的重中之重。標準層面來看,技術標準研究往往引領產業發展,如何推行完善的行業準則,使增材制造和激光制造的產品符合商業化的應用是我國增材制造和激光制造標準化發展的瓶頸。因此,建立完善的專用材料、工藝和設備,以及產品的檢測和評價規范與標準也是未來所面臨的挑戰之一。

2.3 增材制造形性主動控制難度大

控形與控性是增材制造工藝的兩個重要考察指標。但是,增材制造過程中材料往往存在強烈的物理、化學變化以及復雜的物理冶金過程,同時伴隨著復雜的形變過程,以上過程影響因素眾多,涉及材料、結構設計、工藝過程、后處理等諸多因素,這也使得增材制造過程的材料—工藝—組織—性能關系往往難以準確把握,形性的主動、有效調控較難實現。因此,基于人工智能技術,發展形性可控的智能化增材制造技術和裝備、構建完備的工藝質量體系是未來增材制造面臨的挑戰之一。

2.4 生物增材制造器官功能化困難

生物制造是未來的重點發展方向?,F有生物墨水體系仿生度低、可打印性差、種類少,打印工藝穩定性及效率低、與生物墨水匹配性差,打印組織結構存在營養物質輸送局限,因而無法實現真正功能化。未來需要攻關的關鍵核心技術包括:高精度微觀仿生設計及單細胞微納跨尺度建模與組裝;多尺度、多組織的生物3D打印高效調控技術;血管自組裝與網絡建立;保證打印大體積組織的維持、存活的生物反應器的制造。隨著生物醫用材料從“非活體”修復到“活體”修復的趨勢轉變,生物制造面臨的戰略性前瞻性重大科學問題包括:如何實現生物醫用材料的活性化、功能化構建,甚至構建功能性組織器官,滿足組織器官短缺、個性化新藥研發等重大需求。

3、方向發展

過去五年,增材制造實現了爆發式發展,從一個個的研究點發展為一個熱點的科學技術領域。目前增材制造研究覆蓋了增材制造新原理、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,成為較為完整的學科方向。我國增材制造的發展要基于科學基礎的研究,面向國家戰略性產品和戰略性領域的重大需求,瞄準世界先進制造技術與產業發展的制高點,抓住我國“換道超車”的歷史性發展機遇,從而為我國2035年成為世界制造強國的重大戰略目標提供支撐。為此,要以增材制造的多學科融合為核心,通過多制造技術融合、多制造功能融合,向制造的智能化、極端化和高性能化發展,必須通過自主創新重點掌握如下制造技術與裝備。

3.1 加強基礎科學問題研究

由于增材制造技術的發展歷史較短,隨著技術的發展,很多傳統的機理研究理論無法應用于增材制造的物理環境和成形機制。從基礎科學入手加強增材制造新問題的研究是首先需要面對的科研方向。在近期內需要解決的科學問題主要有:

(1)金屬成形中的強非平衡態凝固學。由于增材制造過程中的材料與能量源交互作用時間極短,瞬間實現熔化—凝固的循環過程,尤其是對于金屬材料來說,這樣的強非平衡態凝固學機理是傳統平衡凝固學理論無法完全解釋的,因此建立強非平衡態下的金屬凝固學理論是增材制造領域需要解決的一個重要的科學問題。

(2)極端條件下增材制造新機理。隨著人類越來越迫切的探索外太空的需求,增材制造技術被更多地應用于太空探索領域,人們甚至希望直接在外太空實現原位增材制造,這種情況及類似極端條件下的增材制造機理以及增材制造制件在這種服役環境下的壽命和失效機理的研究將是相關研究人員關注的問題。

(3)梯度材料、結構的增材制造機理。增材制造是結構功能一體化實現的制造技術,甚至可以實現在同一構件中材料組成梯度連續變化、多種結構有機結合,實現這樣的設計對材料力學和結構力學提出了挑戰。

(4)組織器官個性化制造及功能再生原理。具有生命活力的活體及器官個性化打印是增材制造在生物醫療領域中最重要的應用之一,但無論是制造過程的生命體活力的保持,還是在使用過程中器官功能再創機理的研究,都還處于初期階段,需要多個學科和領域的專家學者共同努力。

3.2 解決形性可控的智能化技術與裝備

增材制造過程是涉及材料、結構、多種物理場和化學場的多因素、多層次和跨尺度耦合的極端復雜系統,在此條件下,“完全按照設計要求實現一致的、可重復的產品精度和性能”以及“使以往不能制造的全新結構和功能器件變為可能”是增材制造發展的核心目標。結合大數據和人工智能技術來研究這一極端復雜系統,在增材制造的多功能集成優化設計原理和方法上實現突破,發展形性主動可控的智能化增材制造技術,將為增材制造技術的材料、工藝、結構設計、產品質量和服役效能的跨越式提升奠定充分的科學和技術基礎。在此基礎上,發展具有自采集、自建模、自診斷、自學習、自決策的智能化增材制造裝備也是未來增材制造技術實現大規模應用的重要基礎。同時,重視與材料、軟件、人工智能、生命與醫學的學科交叉研究,開展重大技術原始創新研究,注重在航空航天航海、核電等新能源、醫療、建筑、文化創意等領域拓展增材制造技術的應用,是我國增材制造技術可望引領世界的關鍵之所在。形性主動可控的智能化增材制造技術和裝備的發展將有望帶動未來增材制造技術的前沿發展,從而提升增材制造技術應用的可靠性,創造出顛覆性新結構和新功能器件,更好地支撐國家及國防制造能力的提升。

3.3 突破制造過程跨尺度建模仿真及材料物性變化的時空調控技術

增材制造過程中材料的物性變化、形態演化以及組織轉化極大地影響了成形的質量和性能,是增材制造實現從“結構”可控成形到“功能”可控形成的基礎和關鍵核心。開展增材制造熔池強非平衡態凝固動力學理論研究、“制造過程的納觀-微觀-宏觀跨尺度建模仿真”技術研究,以及“微米-微秒介觀時空尺度上材料物性變化的時空調控”研究,是提高我國增材制造領域競爭力、突破技術瓶頸的重要基礎。

以功能需求為導向,主要研究針對高分子、陶瓷等有機/無機非金屬材料,甚至細胞、因子、蛋白等生物活性材料的增材制造工藝,進行兼具成形性能和功能要求的制造過程納觀-微觀-宏觀跨尺度建模仿真,以及微米-微秒介觀時空尺度上的原位和透視觀測技術與裝置的研究與開發,建立相應的多尺度、多場計算模擬模型,在高時空分辨率下,研究和揭示非金屬、生物材料、細胞等在擠出、噴射、光固化等典型增材制造過程中的物性變化、形態演化、組織轉化甚至細胞的基因轉入等細節過程及其影響因素,掌握工藝現象的本質原理和成形缺陷的形成機制,為改進和提高現有工藝水平、提升制件質量、突破技術瓶頸奠定理論基礎。在此基礎之上,與人工智能、大數據和深度學習等技術結合,突破先進智能材料、柔性材料、響應性材料、生物活性墨水的增材制造關鍵技術工藝,研究打印過程中以及打印后材料物性變化規律和調控規律。

3.4 注重發展未來顛覆性技術

太空打印、生物打印(生物增材制造)是增材制造兩個具有顛覆性引領性質的重大研究方向,它們既關系到我們的空天科技及生命科學前沿,又直接關系到我們的國防安全及健康生活。

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。

生物打印已經在人工心肺制造方面顯示了良好的開端,我國應大力發展生物打印技術,實現新一代智能型醫療器械、生物機械裝置及體外生命系統等的原創性技術工藝的突破,從而占領基礎研究和產業應用的制高點,實現我國新型生物醫療器械領域的自主創新及轉型升級。

4、發展思路

增材制造是我國實體經濟轉型升級的利器。圍繞國家制造業強國戰略,針對國民經濟和國防安全的需求,增材制造應開展新材料、新結構、智能控制、組織和性能調控、精度調控等研究,為增材制造主動形性調控和智能化發展奠定基礎。我國在增材制造領域正處在高速發展期,但是與歐、美、日等發達國家和地區相比,我國增材制造技術及設備還處于劣勢,所以推進增材制造技術和裝備的升級和革新顯得尤為重要,這也是我國搶占戰略制高點的重要環節。為此要推動高可靠、高性能、高精密增材制造工藝與裝備及其配套技術的創新性發展。在生物增材制造領域,聚焦組織器官重建,重點圍繞細胞/組織/器官芯片打印等進行生物增材制造核心技術、工藝及裝備開發的研究,以攻克組織器官再造技術瓶頸,盡快實現皮膚等軟組織修復產品、血管、軟骨、膀胱等簡單結構組織器官及腫瘤等病理模型的制造,在臨床、個性化藥物篩選與病理研究、組織再生醫療和細胞治療等領域初步應用,以期提升我國生物制造核心技術水平,使之實現國際 “并跑”甚至“領跑”。

增材制造的發展將遵循“應用發展為先導,技術創新為驅動,產業發展為目標”的原則。應用方面需結合增材制造工藝特點進行產品設計和優化、創新型應用的開發、個性化定制生產等,以拓展增材制造的應用領域;利用增材制造云平臺等新模式拓展增材制造的應用路徑;結合增材制造設備和技術的高精高效發展特點,應提高增材制造批量化生產能力,拓展領域規?;瘧?;結合增材制造設備的多樣化生產特點,可推廣增材制造產品在社會各行各業的應用。同時,產業可持續發展方面,力求建立健全的增材制造產業標準體系,結合云制造、大數據、物聯網等新興技術及其他基于工業4.0的智能集成系統,促進增材制造設備和技術的全面革新,培育一批具有國際競爭力的尖端科技和制造企業,最終實現增材制造產業的快速可持續發展。生物增材制造需有效促進先進技術轉化應用落地,構筑總產值達千億元的生物增材制造創新產業體系,培育生物增材制造產業國際性領軍企業,帶動我國再生醫學、生物材料、醫學工程等多個相關產業快速發展。


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