增材制造（3D打印）技術(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用

制造業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，是實(shí)體經(jīng)濟(jì)的主體，是技術(shù)創(chuàng)新的主戰(zhàn)場(chǎng)，也是供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要領(lǐng)域，中國(guó)經(jīng)濟(jì)要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，必須有高質(zhì)量的制造業(yè)作為支撐。高質(zhì)量發(fā)展是以質(zhì)量*、效益優(yōu)先為原則的，而先進(jìn)制造業(yè)是制造業(yè)中創(chuàng)新*活躍、成果*豐富的領(lǐng)域，也是價(jià)值鏈上高利潤(rùn)、高附加值的領(lǐng)域，代表著高質(zhì)量發(fā)展的方向，對(duì)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展有著至關(guān)重要的作用。黨的十九大報(bào)告提出，“加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)”。在中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出的2019年重點(diǎn)工作任務(wù)中，“推動(dòng)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展”位列*。

在制造業(yè)大變革的環(huán)境下，增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已經(jīng)上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，《中國(guó)制造2025》、《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》等文件、通知相繼發(fā)布。《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展指南（2021-2023年）》于今年正在編制中，增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，在科研、應(yīng)用等方面取得了很多重要成果。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，又以航空、模具行業(yè)的應(yīng)用更為成熟。在此背景下，我們將深入探討增材制造技術(shù)在模具行業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀以及未來(lái)的發(fā)展方向，讓更多的技術(shù)人更好地掌握和使用增材技術(shù)。

一、行業(yè)現(xiàn)狀

中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)快速擴(kuò)張。2017年中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值16.7億美元，比2016年同比增長(zhǎng)40.33%。2015-2017年，中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)了翻倍增長(zhǎng)，年均增速超過(guò)30%。2018年中國(guó)增材制造領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)超過(guò)500家，產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)100億元，增速略微放緩至25%左右，但仍高于全球4個(gè)百分點(diǎn)。2020年1-12月，全國(guó)規(guī)模以上增材制造裝備制造企業(yè)營(yíng)業(yè)收入105.2億元，同比增長(zhǎng)14.6%，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)總額9.7億元，同比增長(zhǎng)142.5%。

我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)已初步形成了以環(huán)渤海地區(qū)、長(zhǎng)三角地區(qū)、珠三角地區(qū)為核心，中西部地區(qū)為紐帶的產(chǎn)業(yè)空間發(fā)展格局。環(huán)渤海地區(qū)，增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于國(guó)內(nèi)*地位，形成了以北京為核心，多地協(xié)同發(fā)展，各具特色的產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，具備良好經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)勢(shì)、區(qū)位條件和較強(qiáng)的工業(yè)基礎(chǔ)，已初步形成了包括增材制造設(shè)備研究開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用服務(wù)及相關(guān)配套設(shè)備的增材制造產(chǎn)業(yè)鏈。珠三角地區(qū)，增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展側(cè)重于應(yīng)用服務(wù)，主要分布在廣州、深圳、珠海和東莞等地。此外，陜西、湖北、湖南等省份是我國(guó)增材制造技術(shù)中心和產(chǎn)業(yè)化重鎮(zhèn)，集聚了一批龍頭企業(yè)。安徽省也是增材制造產(chǎn)業(yè)的重要集聚區(qū)，蕪湖市繁昌縣的春谷3D打印智能設(shè)備產(chǎn)業(yè)園已成為華東地區(qū)*大的增材制造產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。

增材制造已經(jīng)成為航空航天等高端設(shè)備制造及修復(fù)領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，初步成為產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新創(chuàng)意及個(gè)性化產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)手段以及新藥研發(fā)、臨床診斷與治療的工具，并且應(yīng)用范圍不斷向醫(yī)療、建筑、服裝、食品等行業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展。西安鉑力特激光成形技術(shù)有限公司針對(duì)航空航天極端復(fù)雜的精密構(gòu)件加工制造問(wèn)題，利用SLM技術(shù)解決了隨形內(nèi)流道、復(fù)雜薄壁、鏤空減重、復(fù)雜內(nèi)腔、多部件集成等復(fù)雜結(jié)構(gòu)問(wèn)題，每年可提供復(fù)雜精密結(jié)構(gòu)件8000余件；上海電氣集團(tuán)股份有限公司依托“3D打印打印燃?xì)廨啓C(jī)軸向旋流器工業(yè)化應(yīng)用探索”項(xiàng)目，成功制備出符合性能要求的部件，可協(xié)助完成重型燃?xì)廨啓C(jī)關(guān)鍵零部件的原型設(shè)計(jì)與優(yōu)化；在核工業(yè)領(lǐng)域，中廣核集團(tuán)“金屬3D打印應(yīng)用于核電領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)研究”取得重大成果，利用激光選區(qū)熔化（SLM）技術(shù)制造核電站復(fù)雜流道儀表閥閥體，該閥體的材料化學(xué)成分滿足國(guó)際核電標(biāo)準(zhǔn)RCC-M的要求，相比傳統(tǒng)工藝可有效縮短制造周期，滿足小批量快速生產(chǎn)和降低成本等方面的要求。

二、行業(yè)前景

增材制造產(chǎn)業(yè)正從起步期邁入成長(zhǎng)期，呈現(xiàn)出加速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。據(jù)WohlersAssociates（2017）統(tǒng)計(jì)，1988-2015年的27年中，全球增材制造產(chǎn)業(yè)的年復(fù)合增長(zhǎng)率為26.2%，其中，2012-2014年的CAGR高達(dá)33.8%。按照產(chǎn)業(yè)生命周期理論，預(yù)計(jì)未來(lái)10年，全球增材制造產(chǎn)業(yè)仍將處于高速增長(zhǎng)期，發(fā)展?jié)摿�巨大。�?jù)IDC預(yù)測(cè)，2016-2020年，全球增材制造產(chǎn)業(yè)將保持22.3%的年復(fù)合增長(zhǎng)率。因全球的新冠肺炎疫情仍在持續(xù)，2020年全球增材制造業(yè)增長(zhǎng)了7.5%，達(dá)到近128億美元。麥肯錫預(yù)測(cè)，到2025年全球增材制造產(chǎn)業(yè)可能產(chǎn)生高達(dá)2000-5000億美元的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，根據(jù)前瞻研究院預(yù)測(cè)，中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)將保持38%的年復(fù)合增長(zhǎng)率，遠(yuǎn)超全球增材制造產(chǎn)業(yè)的增速。

在《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》等相關(guān)政策的支持下，我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)雖然取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但整體上還是呈現(xiàn)“小、散、弱”的狀態(tài)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)現(xiàn)有增材制造企業(yè)幾百家，而且大部分都是初創(chuàng)型企業(yè)，缺少規(guī)模大、實(shí)力強(qiáng)、具有全球競(jìng)爭(zhēng)力的龍頭公司，國(guó)內(nèi)規(guī)模*大的增材制造企業(yè)是杭州先臨三維科技股份有限公司，2017年的收入也只有3.63億元，不到全球3D打印龍頭企業(yè)Stratasys的8%。也因此，國(guó)內(nèi)增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間巨大。

從應(yīng)用細(xì)分領(lǐng)域來(lái)看，在工業(yè)領(lǐng)域，增材制造技術(shù)的應(yīng)用已從簡(jiǎn)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(fā)展，并且正滲透到復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)域。同時(shí)，在造型評(píng)審、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、多材料復(fù)合零件、輕量化結(jié)構(gòu)零件、定制專(zhuān)用工裝、表面修復(fù)、個(gè)性換裝件等方面的應(yīng)用也越來(lái)越多。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，依據(jù)患者醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)增材制造的生物模型已經(jīng)成為輔助治療的手段，包括術(shù)前模擬等應(yīng)用，未來(lái)或?qū)�從“非活體”打印逐步進(jìn)階到“活體”打印。

三、增材制造在模具行業(yè)的應(yīng)用成果

目前，應(yīng)用比較廣泛的3D打印成型工藝主要有：選擇性激光燒結(jié)（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）、立體光固化成型（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、分層物體制造（LOM）等，不同類(lèi)型的工藝在不同的領(lǐng)域有著各自的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

按照材料分類(lèi)可以分為砂型打印、蠟?zāi)ご蛴　⒔饘俅蛴『吞沾纱蛴。�其中砂型打印在模具行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，由于3D打印可以直接將CAD、Solidworks模型進(jìn)行分層處理，直接通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件模具的制作。以下是我公司為中國(guó)航發(fā)定制化服務(wù)的一款軍工類(lèi)產(chǎn)品。

砂型3D打印的模具成型之后，我們要進(jìn)行澆注工藝，經(jīng)過(guò)澆注、熱處理、拋丸、鑄件、機(jī)加工、檢測(cè)后得到成品。現(xiàn)階段，汽車(chē)行業(yè)、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、軌道交通、航空航天、軍工工業(yè)包含有大量的金屬材質(zhì)零部件產(chǎn)品，鑄造是其中主要的成型方式之一，如鉤緩、制動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等多采用鑄鋼、鑄鋁、鑄鐵材質(zhì)。在鑄件新品開(kāi)發(fā)和小批量試制過(guò)程中，采用3D打印技術(shù)來(lái)制造鑄型可以有效節(jié)省模具開(kāi)發(fā)時(shí)間和研發(fā)成本，因此獲得了大量的應(yīng)用。

目前，中車(chē)戚墅堰所、中車(chē)齊齊哈爾公司、長(zhǎng)江公司等產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)單位均建立起了相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備，并在深入開(kāi)展產(chǎn)業(yè)化拓展工作。其中，中車(chē)戚墅堰所在技術(shù)儲(chǔ)備的基礎(chǔ)上成立了快速制造工程化示范中心，采用SLS砂型打印技術(shù)、SLA高分子剛性模具打印技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)的組合模式，可以實(shí)現(xiàn)覆膜砂型(芯)、蠟?zāi)！⒛＞叩亩嗥贩N小批量生產(chǎn)能力，常態(tài)服務(wù)于軌道交通鑄件的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)中，并將砂型鏤空設(shè)計(jì)、自體支撐、梯度打印等專(zhuān)有技術(shù)進(jìn)一步深化，已拓展至汽車(chē)零部件等新產(chǎn)業(yè)服務(wù)領(lǐng)域。

四、行業(yè)瓶頸

1.我國(guó)增材制造發(fā)展較晚

盡管前景豐滿，但經(jīng)歷兩年多的熱炒，仍然沒(méi)有大的起色。有賣(mài)方人士直言，國(guó)內(nèi)涉足3D打印的企業(yè)雖多，但仍處于粗放生產(chǎn)設(shè)備的階段，缺少核心龍頭企業(yè)。相比之下，歐美國(guó)家由于行業(yè)起步較早，再加上一些社會(huì)體制與國(guó)家推進(jìn)政策相對(duì)較完善。因此，他們?cè)谠缙诰湍芙ㄔO(shè)起一套貫穿于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的服務(wù)模式。而且，正是由于各種推進(jìn)政策以及文化的開(kāi)放，普通人更加容易接受3D打印技術(shù)，這就為3D打印全民化推開(kāi)了大門(mén)。再者，由于其創(chuàng)新文化氣氛非常高，再經(jīng)過(guò)多年的磨礪與市場(chǎng)化，已相繼誕生了不少覆蓋整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的核心龍頭企業(yè)，這為3D打印技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不明確

目前由于3D打印市場(chǎng)正在起步和高速發(fā)展的階段，其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有明確的規(guī)定，因此在這樣的大環(huán)境下，康碩集團(tuán)作為行業(yè)的龍頭企業(yè)，肩負(fù)著制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的重任。以康碩河南基地為先行者，打造閉環(huán)的生產(chǎn)線、鑄造線、機(jī)加工線、質(zhì)檢線的完整制造體系，并以此作為“康碩河南標(biāo)準(zhǔn)”為國(guó)內(nèi)其他增材制造作出表率作用。

3.材料昂貴

3D打印有著非常高的成本，首先是材料問(wèn)題，由于3D打印技術(shù)目前總體并不成熟，產(chǎn)業(yè)規(guī)模并不大，所以國(guó)內(nèi)生產(chǎn)3D打印材料的企業(yè)極少，很多金屬材料更多的是依賴(lài)進(jìn)口。而在材料性能、數(shù)據(jù)積累上，全世界都屬于非常匱乏的狀態(tài)，且有關(guān)數(shù)據(jù)積累也大多集中在鈦合金等貴金屬材料上，這也在一定程度上推高了3D打印的成本，限制了該技術(shù)的普及。其次，3D打印設(shè)備非常昂貴，我國(guó)增材制造行業(yè)的設(shè)備主要的進(jìn)口，如EXone。以桌面型的3D打印機(jī)為例，國(guó)外的3D打印機(jī)售價(jià)在2萬(wàn)人民幣左右，國(guó)內(nèi)設(shè)備也要6000元一套。因此，作為3D打印行業(yè)，降低設(shè)備成本的首要任務(wù)就是自主開(kāi)發(fā)3D打印設(shè)備。

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