增材制造产业自皮书

增材制造产业白皮书 —西门子和深圳国家高技术产业创新中心联合发布 siemens.com.cn 2 目录 序言 4 第一章 增材制造发展概述 5 1.1 增材制造技术定义 5 1.2增材制造技术体系5 1.3增材制造发展趋势7 第二章国内外增材制造产业发展概览9 2.1增材制造的广泛应用9 2.2全球增材制造产业发展概述12 2.3国内增材制造产业发展概述13 2.4国内外产业发展对比14 第三章深圳产业概况及发展建议19 3.1产业概况19 3.2布局方向20 目录3 序言 增材制造，以其创新的生产方式和对传统工艺流程的颠覆性改变，正在全球范围内引领制造业的转型升级。在中国，以增材制造技术为代表的先进技术，已经成为发展新质生产力的关键抓手。随着国家对增材制造技术的高度重视和相关政策战略的深入推进，这一被誉为制造业未来的关键技术，已经迈入了全新的发展阶段。 作为改革开放的前沿阵地和创新驱动的核心城市，深圳在增材制造产业的发展上展现了强劲的活力和潜力。深圳市政府积极响应国家战略，以先行示范标准大力推进增材制造技术的研究、应用和产业化，通过政策引导、资金支持和环境营造，吸引培育了一批增材制造领域的领军企业和创新团队，形成了具有深圳特色的产业集群，赋能制造业高端化、智能化、绿色化转型升级。 由西门子(中国)有限公司与深圳国家高技术产业创新中心共同编写的《深圳市增材制造产业发展白皮书》，旨在全面阐述增材制造产业的发展现状、技术趋势和未来前景，深入分析增材制造产业面临的机遇挑战，并结合深圳的实践案例，探究增材制造与传统制造的深度融合对深圳乃至全球发展的影响。通过本白皮书，我们希望能够为政府决策者、行业从业者和广大公众提供有价值的信息和深刻的洞见，共同推动中国增材制造产业的繁荣发展。 4序言 1 增材制造发展概述 1.1 增材制造技术定义......................................................................................... 增材制造是具有生产革命意义的新一代制造方式，是工业4.0的核心要件，是决定未来经济发展的12大颠覆技术之一。增材制造（AdditiveManufacturing，简称AM），又称为3D打印，是一种以计算机三维设计模型为蓝本，将三维数字模型按设定的层厚离散为一系列二维截面，通过材料逐层堆积的方式实现成型的制造技术。增材技术相对传统等材及减材制造，在轻量化、一体化、复杂化、定制化、材料利用率等方面存在一定优势，同时在加工精度、加工效率等方面与传统制造存在一定差距，因此更适用于小批量、小尺寸、高价质量、复杂结构零部件的设计及制造。 1.2 增材制造技术体系......................................................................................... 根据ISO/ASTM52900-15标准，增材制造包含7大类工艺：材料挤出（MaterialExtrusion）、光聚合（Photopolymerization）、粉末床熔合（PowderBedFusion）、材料喷射（MaterialJetting）、黏结剂喷射（BinderJetting）、片材层压（SheetLamination）和定向能量沉积（DirectedEnergyDeposition）。金属增材是未来产业化的重要方向，其主流技术路线包括粉末床熔融、定向能量沉积和黏结剂喷射三大类。 1.2.1粉末床熔融 金属粉末床熔融技术基于能量源的不同，主要包括选择性激光熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）和电子束熔化（ElectronBeamMelting，EBM）技术。SLM的核心优势是精度高、表面质量好，适用于复杂结构部件，但受限于成型尺寸、打印速度、材料热变形裂纹等问题，在大规模应用方面存在一定局限性。相比于SLM，由于热源不同，EBM输出功率更高、扫描速度更快，在打印钛合金等熔点较高的金属方面，较SLM更有优势。 1.2.2定向能量沉积 直接能量沉积（DirectEnergyDeposition）技术，是通过高能量光束（例如激光或电子束）高速移动将材料熔化或汽化，在沉积区域产生熔池，材料以粉末、线材或糊状物的形式送入高温熔区，熔化后并冷却固化到基材逐层沉积，实现3D成型。DED较SLM技术成型效率更高，同时对粉末原材料的尺寸要求更低，因此粉材DED除用于直接打印零件外，也常被用于修复磨损或损坏的金属零件。同时，增材制造与CNC减材制造的搭配可将DED技术集成到CNC加工设备中。 增材制造发展概述5 图1.1Gartner增材制造技术成熟度曲线 1.2.3粘结剂喷射技术 粘结剂喷射技术(BinderJetting)在大规模金属零件加工方面成本及效率优势明显。一是BJ对金属粉末要求较低，球形金属粉体尺寸小于38um即可，相比于SLM金属粉末供应链选择更多，成本更低；二是BJ材料利用率较高，SLM和EBM在打印过程中都需要瞬间熔化，在热源加热过程中，会产生烟尘，直接导致粉末利用率不高，而粘结剂喷射技术采用后烧结的方式，可大大提高粉末的利用率。但BJ的主要局限在于打印精度较低、样件材料性能较差，如采用粘结剂喷射技术制作的零件性能与激光打印的零件性能目前也无法匹配，后续烧结成型会引起大约18%的尺寸收缩。因此，BJ适用于成本敏感且对产品质量要求略低的小批量生产。 图1.2不同金属粉末增材制造技术对比分析 6增材制造发展概述 1.3 增材制造发展趋势......................................................................................... 从增材制造技术发展趋势看，高性能、高精度、高效率、低成本、更大的加工尺寸范围和更广泛的材料是金属增材制造未来发展方向。 增材制造的国内外发展趋势主要包括： 1)进一步提高打印效率，降低打印成本“降本增效”是金属增材行业“主旋律”，进一步提高打印效率及降低单位加工成本，是增强增材制造技术竞争力和提高产业化应用渗透率的关键。目前采用的策略包括多激光技术、大层厚扫描、面扫描技术等。 2)增材制造在3C等民用领域加速渗透 随增材设备和打印材料技术成熟及成本降低，增材制造向价格敏感的牙科、鞋模以及3C等民用领域快速渗透，市场空间逐步释放。近年在消费3C领域3D打印钛合金成本已低于传统CNC制造，解决了无法大规模量产的瓶颈问题，市场取得快速突破。未来增材制造将在包括热管理等领域有更加广阔的市场应用前景。 3)面向不同应用场景的专用设备开发 当前增材制造应用领域已经由早期的航空航天领域稳步渗透至牙科、消费电子等领域，不同应用场景对打印工艺、质量和成本等需求不同，需开发相应专业设备以提升产品性价比，如面向航空航天应用需大幅面打印设备，面向牙科和鞋模需特定专机，面向铜、钨等材料需特定材料打印设备。 4)增材制造与传统加工制造的融合 增材制造技术未来并不是要替代等材、减材等传统加工方式，而是在不同工序采用复合加工等方式与传统加工技术相融合，充分发挥不同加工方式的优势，达到理想加工效果。 5)数字孪生一体化设计仿真应用 随着增材制造大规模产业化推广，原有在航空航天等行业成本高昂的试错方式已不能满足产业发展要求，而结合数字孪生的一体化设计，如性能与工艺仿真数字孪生技术，可有效加速产品和工艺的开发、优化和认证流程，并减少因为试错导致的时间和成本消耗，实现降本增效的目的。 6)人工智能在线监测和闭环控制技术 为了进一步提高打印过程的稳定性和最终产品的质量，加速产品的认证流程，需要通过在线监测实现打印过程的可追溯性，通过闭环控制实现实时的工艺优化，进一步提高打印产品的质量。 7)端到端增材制造自动化控制技术 增材制造技术并不是仅仅包含打印设备本身，而应该包含前后处理在内的全流程加工技术。例如目前SLM打印产品后处理过程往往占用整个产品成本的30~40%，所以开发包括前后处理在内的端到端自动化处理技术可以进一步降低产品的生产成本，提高产品的质量和市场竞争力。 增材制造发展概述7 8)增材制造数字化云工厂建设和智能化管理平台 基于增材制造的个性化和客制化等特点，面向增材制造的数字化云工厂和智能化管理平台可以助力实现产品的客户定制化下单、生产工厂优化选择和零库存管理。 9)对打印工艺和质量的要求进一步提升 随着增材制造的产业化应用，目前增材制造已跨越原型件试制阶段，应用领域逐步扩展到批量化生产中，相应的对打印工艺和产品质量提出了更多的要求，如避免打印过程的热变形和局部过热造成的缺陷，实现少支撑和无支撑打印等越来越多的成为行业的普遍要求。 10)结合增材制造技术的可持续发展技术 增材制造作为一种新型绿色制造技术，需要通过产品设计、工艺和管理的优化进一步助力国家的可持续发展战略。 8增材制造发展概述 2 国内外增材制造产业发展概览 2.1 增材制造的广泛应用...................................................................................... 增材制造作为一种革命性的生产技术，广泛应用于各个工业领域。这种技术最初在高附加值的高端制造业中得到应用，如大型通用机械、航空航天以及医疗制造等，如今已经成为这些行业不可或缺的关键生产技术。而随着技术的不断进步和完善，增材制造的应用边界正在迅速扩展，逐步开始在汽车制造和消费电子等新兴领域展现出独特的应用潜力。 2.1.1通用机械领域 在通用机械领域，增材制造技术已经广泛应用于复杂机械部件的生产制造，如燃气轮机的热端部件、换热器和液压系统等。西门子、GE等国际知名企业已经将燃气轮机的增材制造生产技术引入中国，并协助构建了核心零部件的供应商体系，促进了我国燃气轮机产业向高端化的转型升级。 展望未来，预计到2024年中国燃气轮机市场的规模将超过1000亿元人民币，其中增材制造打印的零部件价值将占到总额的5%至10%。随着技术的引进和国产化布局的深入，通用机械领域的增材制造市场前景将更加广阔。 图2.1增材制造技术在工业燃气轮机设备上的应用案例 国内外增材制造产业发展概览9 2.1.2航空航天领域 在航空航天领域，增材制造技术的应用场景十分丰富，已初步进入批量化使用阶段。利用增材制造技术加工的金属部件已经批量应用于各型飞机、无人机、高推比航空发动机、新型卫星等国家重点工程。与传统加工方式相比，增材制造技术能够实现部件的拓扑减重优化并提升性能，同时提高材料使用率，实现复杂部件一体成型，缩短生产周期。 展望未来，随着中国航天事业的快速发展，航空航天行业的增材制造服务市场规模也将稳步增长，预计到2024年可达到26亿元人民币。随着增材制造标准体系的完善和技术的进步，市场规模有望进一步扩大。 2.1.3医疗领域 在医疗领域,增材制造技术的应用正快速增长，覆盖了手术和诊断辅助、植入体和假肢制造、药物研发到生物组织模型制作等多个领域。在手术和诊断方面，增材制造技术提供了立体直观、可触摸的信息，促进了医、工、患之间的交流，缩短了手术时间，降低了费用，并提高了诊疗水平。齿科领域是增材制 造技术较为成熟的应用领域之一，特别是在制备复杂且高度定制化的高价值小型产品方面，如金属牙冠，口腔支架等的制作。 10国内外增材制造产业发展概览 userid:529794,docid:172672,date:2024-08-22,sgpjbg.com 2.1.4汽车领域 在汽车制造领域，增材制造技术已逐步应用于研发设计、夹具制造、直接零件生产等环节。在研发设计方面，增材制造极大地缩短了研发周期并提高了设计效率，包括宝马、奔驰在内的车企已经开始积极尝试增材制造技