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        粉末冶金 >> 新聞中心 >> 技術分享

        增材制造技術和粉末冶金的現狀與未來

        作者:翔宇粉末冶金制品

        發布時間:2020-04-17

        來源:本站 閱讀數量:62次 點贊數量:24次

        導讀:此欄目為您提供粉末冶金行業新聞,翔宇-15年專注粉末冶金加工定制,交期短,高質量且穩定。

        粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料,經過成形和燒結,制造金屬材料、復合材料以及各種類型制品的工藝技術。粉末冶金法與生產陶瓷有相似的地方,均屬于粉末燒結技術,因此,一系列粉末冶金新技術也可用于陶瓷材料的制備。由于粉末冶金技術的優點,它已成為解決新材料問題的鑰匙,在新材料的發展中起著舉足輕重的作用。

        增材制造)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10m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

        ? 1.1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16m2的飛機鈦合金整體承力框的增材制造;制造出了長達1.2m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。

        二、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。

        三、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。

        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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