【增材制造产业简报】 2021年第2期

来源: 增材制造产业联盟  

【内容提要】

 本期关注：中国增材制造产业联盟2021 年工作计划
 政策追踪：科技部发布“十四五”重点专项，9 项涉及3D 打印
 技术进展：基于面投影微立体光刻技术的3D 打印
 行业动态：美国防部发布首个增材制造战略报告
 典型应用：3D 打印在汽车行业的应用
 成员展示：北京汇天威科技有限公司
 活动预告：2021 增材制造材料创新发展论坛

中国增材制造产业联盟成立于2016 年10 月19 日，是在工业和信息化部指导下，由增材制造领域的企事业单位、高等院校、科研机构、产业园区等128 家相关单位，按照自愿、平等、互利、合作的原则，共同发起组成的跨行业、开放性、非营利性的社会组织，秘书处设在工业和信息化部装备工业发展中心。现有联盟成员300 余家，是中国增材制造领域层次最高、规模最大的行业组织。

中国增材制造产业联盟坚持开放、创新、合作、共赢的工作原则，立足于为我国增材制造产业搭建合作与促进平台，致力于支撑行业管理、聚拢行业资源、营造创新环境、促进交流合作，助力中国增材制造产业发展壮大。

 本期关注：

中国增材制造产业联盟2021 年工作计划

  政策追踪：

科技部：“十四五”国家重点专项，9 项涉及3D 打印2021 年2 月4 日，科技部发布信息，已将“十四五”国家重点研发计划“氢能技术”重点专项2021 年度项目申报指南（见附件）向社会征求意见和建议。在“先进结构与复合材料”和“高端功能与智能材料”这两个重点专项中出现了关于增材制造（3D 打印）技术的项目，合计有9 个项目。

 技术进展：

基于面投影微立体光刻技术的3D 打印面投影微立体光刻是一种面投影光固化3D 打印技术，适用于制作微尺度的复杂三维结构，具有高分辨率、高精度、跨尺度加工、适用材料广、加工效率高、加工成本低等诸多特点。

△基于PμSL 3D 打印技术制作的复杂三维结构示例

一、成型原理

PμSL 3D 打印技术成形过程首先使用建模软件构建出三维结构模型；接着使用切片软件对三维模型以一定大小的层厚进行切片处理，得到一系列具有特定图案的二维图片；然后采用PμSL 3D 打印系统对切片后的每一层图案进行整面投影曝光；重复上一步骤并层层堆叠最终成形出所需的三维结构。

△PμSL 3D 打印技术成形过程

PμSL 3D 打印技术成形三维结构的关键在于光敏树脂材料在紫外光的作用下发生光聚合反应从而固化，而特定图形的产生则依赖于打印系统中的DMD （ Digital
Micromirror device）芯片所生成的数字动态掩膜。

二、加工特征尺寸

通过控制投影物镜的微缩倍率，PμSL 3D 打印技术可以实现几微米甚至几百纳米的特征尺寸。深圳摩方材料科技有限公司（以下简称“摩方”）基于在这一技术领域的多年沉淀，自主研发出了一系列PμSL 3D 打印系统，已经量产的产品最高光学分辨率可达2μm（这里提到的光学分辨率是指投影光单个像素点的大小）。借助这一高分辨系统，2μm 线宽二维网格线条和8.5μm 杆径三维点阵得以实现。

△摩方3D 打印系统打印的2 μm 线宽二维线条和8.5 μm 杆径三维点阵

三、成形幅面

PμSL 技术采用整面曝光，其中曝光图形由DMD 控制产生。因此，一般情况下，PμSL 3D 打印系统的最大成形幅面取决于光学分辨率大小以及DMD 像素点数量，DMD成像芯片尺寸固定，通过投影镜头只能实现固定的投影幅面。最大成形幅面与系统光学分辨率呈矛盾关系，即当提高系统光学分辨率时，其最大成形幅面相应减小。拼接技术很好地解决了这一矛盾，使得高分辨、大幅面、跨尺度打印得以实现。

 行业动态：

动态（一）：美国防部发布首个增材制造战略报告

隶属于美国防部研究与工程副部长办公室的美国国防制造技术规划办公室发布首个综合性增材制造战略报告，简要分析了制定增材制造战略的目的，明确了增材制造的未来发展愿景、战略目标及发展重点。

一、制定增材制造战略的主要目的

增材制造是一种快速、按需且可定制的制造手段，可有效推动美国2018 年《国防战略报告》（NDS）摘要中所述的后勤保障和运营改革，支持美国的经济和国防领域继续保持全球主导地位。

主要途径包括：（一）利用基于增材制造设计的装备，推进国防系统现代化，增强国防实力；（二）增加增材制造材料储备能力，可进行快速原型制作和直接生产零件，从而降低老旧过时零部件引起的风险；（三）使作战人员能利用增材制造能力在战场上采用创新解决方案。

美国防部制定此战略的目标是，为增材制造技术研发与技术转移提供一套共享的指导原则和框架，以支持美国防部、军事部门和相关机构的现代化发展和战备能力。

二、五大战略目标及其关键发展领域

美国防部认为，虽然增材制造在整个国防工业基础中的应用不断增长，但仍具有很大发展潜力，属于一项新兴技术。基于此，美国防部提出增材制造技术的发展愿景：增材制造将促进建立更敏捷、适应性更强和更统一的国防供应基础，将成为国防部和国防工业基础广泛使用的制造技术，应用于武器系统创新设计，提高武器系统可靠性和作战能力。

针对该发展愿景，美国防部提出五大战略目标及其关键发展领域，具体如下：

战略目标（一）：将增材制造集成到国防部和国防工业基础中

美国防部将通过政策、指导方针和实施计划，整合和促进增材制造在整个国防部运营和工业供应链（从工程、采购到维护）中的应用，推动武器系统现代化，提高装备战备水平，增强作战能力。

关键发展领域包括：
1. 制定政策和指导方针，以在最大范围内切实可行地使用增材制造；
2. 修订国防部增材制造实施计划；
3. 制定成功的指标和度量标准；

4. 在国防部合同管理和武器系统采办管理中开发并共享增材制造业务模型；
5. 采用合理的风险管理措施。

战略目标（二）：协调国防部和外部合作伙伴的增材制造活动

美国防部将通过与其他政府合作伙伴、工业界、学术界合作，调整增材制造相关领导机构、资源、指南和工作流程，以减少采用增材制造的障碍，改善整个武器系统的可维护能力。

关键发展领域包括：

1. 合作活动的支持以及跨军种资源的共享协作；
2. 修订联合路线图并调整资源；
3. 与联邦政府及外部利益相关者合作。

战略目标（三）：推动和促进增材制造的敏捷应用

美国防部将在整个技术和业务流程中，修改增材制造相关政策，增强对增材制造的科学理解、创新设计，推动增材制造设备、材料和技术的融合发展，扩大增材制造在国防部各军种以及工业基础中的采用率，提高增材制造应对战争需求的敏捷性。

关键发展领域包括：
1. 开发并共享新的增材制造资格认证和鉴定方法；
2. 利用先进技术指导设计；

3. 利用数字线索/数字孪生支持增材制造的现场部署和应用。

战略目标（四）：通过学习、实践和分享知识以提高增材制造应用熟练程度

国防部各军种将教育和培训从事增材制造的技术和业务人员，以保障国防工业基础中足够的增材制造劳动力。

关键发展领域包括：
1. 学习流程和最佳实践；
2. 进行零件制造实践；
3. 分享知识。

战略目标（五）：确保增材制造工作流程的安全

美国防部将通过构建数字线索、整合增材制造工作流程、控制权威增材制造数字数据的访问权限等途径，保障整个增材制造工作流程的网络安全。

关键发展领域包括：
1. 保护、控制和管理数据传输和访问；
2. 将增材制造机器直接与安全网络连接；
3. 利用质量保证流程验证零件质量。

动态（二）：爱康医疗金属3D 打印全膝关节系统获NMPA 批准上市

北京爱康宜诚医疗器材有限公司(以下简称“爱康医疗”)收到国家药品监督管理局（NMPA）的书面通知，我国首个金属3D 打印全膝关节系统已经通过审批获得上市许可，实现了3D 打印技术在国内膝关节领域的突破，也预示着国产膝关节金属3D 打印骨科时代已经到来。

作为中国骨科领域的领军企业，爱康医疗始终把产品创新作为企业发展的根本，特别是在3D 打印技术领域。爱康医疗分别于2015 年8 月获得国内首个3D 打印髋关节系统的NMPA 注册证，次年5 月获得3D 打印人工脊柱系统上市许可，开辟了国内脊柱3D 打印应用的历史先河，近日获批的国内首个‘金属3D 打印全膝关节系统’再次填补了国内在膝关节领域的空白。爱康医疗在金属3D 打印方面的一次次突破，不仅确定了在该领域的领先地位，同时也展现了在骨科领域的金属3D 打印植入物的产业布局，再次将金属3D 打印技术在中国的应用引领到世界同等水平。

动态（三）：刘静、彭凡等3D 打印专家被提名2021年院士候选人

中国科学院和中国工程院2021 年院士增选工作于1 月1 日启动。被提名为2021 中国科学院院士候选人的有36人次，被提名为2021 中国工程院院士候选人的有115 人次，总人次为151 人次。其中有两位院士候选人涉及增材制造领域，其中一位是来自清华大学、中国科学院理化技术研究所的刘静教授；另一位是共享装备股份有限公司的董事长彭凡。

动态（四）：Stratasys 收购英国RPS，加码布局SLA工业3D 打印

近日，Stratasys 收购了工业级SLA 3D 打印机供应商—英国RPS 公司。通过本次收购，Stratasys 获得了RPS的全线Neo SLA 系统，加强了公司的技术产品线。Stratasys 预计，到2022 年第一季度，本次收购将对公司的收入和非GAAP 每股收益产生增值。Stratasys 首席执行官Yoav Zeif 表示：“我们的目标是为全球客户提供世界上最好、最完整的聚合物3D 打印产品。我们相信，相对于目前市场上的其他解决方案，Neo 产品更胜一筹。”

 典型应用：

3D 打印在汽车行业的应用

汽车主要由四个主要部分组成：车身、电子附件、内饰和动力部件。在这1 万亿美元的零部件市场中，电动汽车的份额为250 亿美元~500 亿美元之间（占比2.5%-5%），目前正在朝着1600 亿美元的规模增长。3D 打印用于汽车零部件生产的收入预测数据如下，2020 年为26.78 亿美元，2026 年为129.74 亿美元，2030 年达到203.5 亿美元（其中25%是与电动汽车零部件相关的生产）。

一、车身部件3D 打印

除了原型制造之外，3D 打印在车身零部件制造方面也已经展现出了潜力。报告中列举了几个案例，比如宝马集团在宝马MINI 车型当中，为客户定制3D 打印的内饰件。以及宝马为i8 Roadster 车型3D 打印的窗户导轨（使用HPMJF 技术）和顶棚支架（使用金属PBF 技术）。此外，电动汽车公司Local Motors 已经成功3D 打印了整个汽车车身。车身部件3D 打印市场规模预测如下，2020 年为2300万美元，2026 年为3.24 亿美元，2030 年6.5 亿美元。

二、电子辅助部件3D 打印

3D 打印部件生产公司Slant3D 已经证明了3D 打印电子部件的成本效益，在生产定制部件的时候无需开模具。


3D 打印汽车电子部件的市场预测如下，2020 年为4.1 亿美元，2026 年为18.5 亿美元，2030 年为30 亿美元。

三、3D 打印汽车内饰

2018 年，通用汽车和Autodesk 利用创成式设计开发了3D 打印的座椅支架，由不锈钢材料打印而成，从8 个零件简化为1 个零件，重量减轻了40%。HP 使用MJF 技术生产具有复杂晶格结构的3D 打印汽车座椅。2020 年，豪华汽车品牌保时捷为旗下跑车设计了3D 打印的座椅。

四、3D 打印汽车动力部件

布加迪使用3D 打印技术生产了一系列的汽车部件，包括革命性的钛合金3D 打印制动卡钳。保时捷和SLMSolutions 公司合作，利用3D 打印技术为电驱动装置制造外壳。在电动车中，减速机是一种传动装置，其作用是以有效地将电机的动力传递给车轮。该部件是一个相当复杂的金属部件可以用AM 进行优化，快速生产。未来，这可能成为一种可行的生产方式。3D 打印汽车动力部件的市场预测如下，2020 年为9.45 亿美元，2026 年为45 亿美元，2030年为70 亿美元。

五、汽车后市场3D 打印部件

汽车后市场3D 打印部件的市场预测，2020 年为6 亿美元，2026 年为30 亿美元，2030 年为42 亿美元。

成员展示：

北京汇天威科技有限公司

北京汇天威科技有限公司创立于2005 年，是一家专业提供3D 打印创新教育解决方案、企业3D 打印应用方案、3D 打印辅助医疗方案、平台化3D 打印集群控制方案的国家高新技术企业，旗下有知名3D 打印机品牌——弘瑞。

弘瑞3D 打印机拥有数十款型号，近百项专利及核心软件著作权，并荣获产学研合作促进会“创新示范企业”、首批“中国增材制造产业联盟”理事成员、“国家高新技术企业”及“中关村高新技术企业”双重认证、“一带一路暨金砖国家技能发展国际联盟”成员。2020 年，江苏汇天威集团成立，往下辐射北京、廊坊、上海、昆山、徐州、繁昌6 家公司，打造以长三角为核心，京沪经济线一体化，向全国辐射的弘瑞品牌影响力。未来将以“打造中国3D 打印机第一品牌”为目标，构筑全方位的3D 打印产业生态圈。

活动预告：

2021 增材制造材料创新发展论坛

2021 年是国家“十四五”规划开局之年，为了更好地编制实施《国家增材制造产业创新发展指南（2021-2025 年）》，把握全球增材制造产业发展新机遇，引导和促进我国增材制造技术创新突破，促进增材制造材料、设备、应用及服务等行业上下游交流合作，探索增材制造技术赋能行业发展的新模式、新业态，推动长三角地区乃至全国新材料及增材制造产业高质量发展。由中国增材制造产业联盟与国家增材制造创新中心指导，徐州空港开发区管委会主办的2021 增材制造材料创新发展论坛将于3 月在徐州召开。

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