增材制造（3D打印）技術在模具行業中的應用

制造業是我國國民經濟的主導產業，是實體經濟的主體，是技術創新的主戰場，也是供給側結構性改革的重要領域，中國經濟要實現高質量發展，必須有高質量的制造業作為支撐。高質量發展是以質量*、效益優先為原則的，而先進制造業是制造業中創新*活躍、成果*豐富的領域，也是價值鏈上高利潤、高附加值的領域，代表著高質量發展的方向，對經濟高質量發展有著至關重要的作用。黨的十九大報告提出，“加快建設制造強國，加快發展先進制造業”。在中央經濟工作會議提出的2019年重點工作任務中，“推動制造業高質量發展”位列*。

在制造業大變革的環境下，增材制造產業的發展已經上升到國家戰略層面，《中國制造2025》、《國家增材制造產業發展行動計劃（2017-2020年）》等文件、通知相繼發布。《國家增材制造產業創新發展指南（2021-2023年）》于今年正在編制中，增材制造產業發展迅速，在科研、應用等方面取得了很多重要成果。在工業應用領域，又以航空、模具行業的應用更為成熟。在此背景下，我們將深入探討增材制造技術在模具行業中的應用現狀以及未來的發展方向，讓更多的技術人更好地掌握和使用增材技術。

一、行業現狀

中國增材制造產業經過二十多年的發展，產業規模實現快速擴張。2017年中國增材制造產業產值16.7億美元，比2016年同比增長40.33%。2015-2017年，中國增材制造產業規模實現了翻倍增長，年均增速超過30%。2018年中國增材制造領域相關企業超過500家，產業規模已達100億元，增速略微放緩至25%左右，但仍高于全球4個百分點。2020年1-12月，全國規模以上增材制造裝備制造企業營業收入105.2億元，同比增長14.6%，實現利潤總額9.7億元，同比增長142.5%。

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。環渤海地區，增材制造產業發展處于國內*地位，形成了以北京為核心，多地協同發展，各具特色的產業發展格局。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設備研究開發、生產、應用服務及相關配套設備的增材制造產業鏈。珠三角地區，增材制造產業發展側重于應用服務，主要分布在廣州、深圳、珠海和東莞等地。此外，陜西、湖北、湖南等省份是我國增材制造技術中心和產業化重鎮，集聚了一批龍頭企業。安徽省也是增材制造產業的重要集聚區，蕪湖市繁昌縣的春谷3D打印智能設備產業園已成為華東地區*大的增材制造產業集聚區。

增材制造已經成為航空航天等高端設備制造及修復領域的重要技術手段，初步成為產品研發設計、創新創意及個性化產品的實現手段以及新藥研發、臨床診斷與治療的工具，并且應用范圍不斷向醫療、建筑、服裝、食品等行業領域擴展。西安鉑力特激光成形技術有限公司針對航空航天極端復雜的精密構件加工制造問題，利用SLM技術解決了隨形內流道、復雜薄壁、鏤空減重、復雜內腔、多部件集成等復雜結構問題，每年可提供復雜精密結構件8000余件；上海電氣集團股份有限公司依托“3D打印打印燃氣輪機軸向旋流器工業化應用探索”項目，成功制備出符合性能要求的部件，可協助完成重型燃氣輪機關鍵零部件的原型設計與優化；在核工業領域，中廣核集團“金屬3D打印應用于核電領域的關鍵技術研究”取得重大成果，利用激光選區熔化（SLM）技術制造核電站復雜流道儀表閥閥體，該閥體的材料化學成分滿足國際核電標準RCC-M的要求，相比傳統工藝可有效縮短制造周期，滿足小批量快速生產和降低成本等方面的要求。

二、行業前景

增材制造產業正從起步期邁入成長期，呈現出加速增長的態勢。據WohlersAssociates（2017）統計，1988-2015年的27年中，全球增材制造產業的年復合增長率為26.2%，其中，2012-2014年的CAGR高達33.8%。按照產業生命周期理論，預計未來10年，全球增材制造產業仍將處于高速增長期，發展潛力巨大。據IDC預測，2016-2020年，全球增材制造產業將保持22.3%的年復合增長率。因全球的新冠肺炎疫情仍在持續，2020年全球增材制造業增長了7.5%，達到近128億美元。麥肯錫預測，到2025年全球增材制造產業可能產生高達2000-5000億美元的經濟效益。同時，根據前瞻研究院預測，中國增材制造產業將保持38%的年復合增長率，遠超全球增材制造產業的增速。

在《增材制造產業發展行動計劃（2017-2020年）》等相關政策的支持下，我國增材制造產業雖然取得了長足進步，但整體上還是呈現“小、散、弱”的狀態。據不完全統計，我國現有增材制造企業幾百家，而且大部分都是初創型企業，缺少規模大、實力強、具有全球競爭力的龍頭公司，國內規模*大的增材制造企業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Stratasys的8%。也因此，國內增材制造產業發展空間巨大。

從應用細分領域來看，在工業領域，增材制造技術的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，并且正滲透到復雜結構件的設計及制造領域。同時，在造型評審、設計驗證、復雜結構零件、多材料復合零件、輕量化結構零件、定制專用工裝、表面修復、個性換裝件等方面的應用也越來越多。在生物醫療領域，依據患者醫學影像數據增材制造的生物模型已經成為輔助治療的手段，包括術前模擬等應用，未來或將從“非活體”打印逐步進階到“活體”打印。

三、增材制造在模具行業的應用成果

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

按照材料分類可以分為砂型打印、蠟膜打印、金屬打印和陶瓷打印，其中砂型打印在模具行業的應用非常廣泛，由于3D打印可以直接將CAD、Solidworks模型進行分層處理，直接通過3D打印技術實現復雜零部件模具的制作。以下是我公司為中國航發定制化服務的一款軍工類產品。

砂型3D打印的模具成型之后，我們要進行澆注工藝，經過澆注、熱處理、拋丸、鑄件、機加工、檢測后得到成品。現階段，汽車行業、發動機零部件、軌道交通、航空航天、軍工工業包含有大量的金屬材質零部件產品，鑄造是其中主要的成型方式之一，如鉤緩、制動、齒輪傳動等多采用鑄鋼、鑄鋁、鑄鐵材質。在鑄件新品開發和小批量試制過程中，采用3D打印技術來制造鑄型可以有效節省模具開發時間和研發成本，因此獲得了大量的應用。

目前，中車戚墅堰所、中車齊齊哈爾公司、長江公司等產品研發和生產單位均建立起了相關技術儲備，并在深入開展產業化拓展工作。其中，中車戚墅堰所在技術儲備的基礎上成立了快速制造工程化示范中心，采用SLS砂型打印技術、SLA高分子剛性模具打印技術和數控加工技術的組合模式，可以實現覆膜砂型(芯)、蠟模、模具的多品種小批量生產能力，常態服務于軌道交通鑄件的開發和生產中，并將砂型鏤空設計、自體支撐、梯度打印等專有技術進一步深化，已拓展至汽車零部件等新產業服務領域。

四、行業瓶頸

1.我國增材制造發展較晚

盡管前景豐滿，但經歷兩年多的熱炒，仍然沒有大的起色。有賣方人士直言，國內涉足3D打印的企業雖多，但仍處于粗放生產設備的階段，缺少核心龍頭企業。相比之下，歐美國家由于行業起步較早，再加上一些社會體制與國家推進政策相對較完善。因此，他們在早期就能建設起一套貫穿于整個產業鏈的服務模式。而且，正是由于各種推進政策以及文化的開放，普通人更加容易接受3D打印技術，這就為3D打印全民化推開了大門。再者，由于其創新文化氣氛非常高，再經過多年的磨礪與市場化，已相繼誕生了不少覆蓋整個產業鏈的核心龍頭企業，這為3D打印技術的發展奠定了堅實的基礎。

2.行業標準不明確

目前由于3D打印市場正在起步和高速發展的階段，其行業標準、質檢標準、服務標準都沒有明確的規定，因此在這樣的大環境下，康碩集團作為行業的龍頭企業，肩負著制定行業標準的重任。以康碩河南基地為先行者，打造閉環的生產線、鑄造線、機加工線、質檢線的完整制造體系，并以此作為“康碩河南標準”為國內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，首先是材料問題，由于3D打印技術目前總體并不成熟，產業規模并不大，所以國內生產3D打印材料的企業極少，很多金屬材料更多的是依賴進口。而在材料性能、數據積累上，全世界都屬于非常匱乏的狀態，且有關數據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，限制了該技術的普及。其次，3D打印設備非常昂貴，我國增材制造行業的設備主要的進口，如EXone。以桌面型的3D打印機為例，國外的3D打印機售價在2萬人民幣左右，國內設備也要6000元一套。因此，作為3D打印行業，降低設備成本的首要任務就是自主開發3D打印設備。

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