《增材制造产业发展简报》2024年第03期（总第055期）

2024年4月2日第03期总第055期 【内容提要】 本期关注：《WohlersReport2024》最新报告：2023年全球增材制造 市场破200亿美元增长11.1% 政策追踪：国务院印发《推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动方案》的通知明确推广增材制造技术 技术进展：增材制造微晶格超材料实现突破性的结构-功能一体化 行业动态：国家统计局：1-2月份3D打印设备产量同比增长49.5% 典型应用：增材制造被用于制造我国探月卫星燃料贮箱 成员展示：贵州森远增材制造科技有限公司 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。联盟现有成员330余家，已设立工作组 7个，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立足于为我国增材制造产业搭建合作与促进平台，着眼于将政府与产业界、顶层设计与企业实践紧密结合起来，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 WohlersReport20242023 20011.1% 4月2日，由ASTMInternational提供支持的WohlersAssociates发布《WohlersReport2024》（沃勒斯报告2024）。整个增材制造行业首次突破200亿美元大关，销售额达到 200.35亿美元，同比增长11.1%。 根据目前该机构主动透露的信息，与金属增材制造相关的市场2023年实现了24.4%的增长，去年,共出货约3793套金属增材制造系统，相比之下，2022年出货量为3049套。 图1金属增材制造系统销售量 《WohlersReport2024》详细探讨了推动增长的因素，包括新材料、资质流程以及行业标准等，特别是在航空航天、国防、医疗技术和能源等领域。分析团队还预计，通 过提高机器精度和后期处理，增材制造（AM）解决方案将变得更加可靠。增材制造比传统制造便宜的成本阈值可能会从数千个单位转变为数十万甚至数百万个单位。 图2《WohlersReport2024》电子版 来自35个国家的100多名专家为该报告做出了贡献。 来自245家制造商、服务提供商和材料生产商的大量数据使该研究成为对增材制造行业状况最全面的评估之一。 政策追踪 近期，国务院印发《推动大规模设备更新和消费品以旧换新行动方案》（以下简称《行动方案》），提及增材制造技术。 图3通知内容 《行动方案》涵盖了五个主要方面：设备更新、消费品以旧换新、回收循环利用、标准提升以及强化政策 保障。在方案第四部分“实施回收循环利用行动”中提出，有序推进再制造和梯次利用。鼓励对具备条件的废旧生产设备实施再制造，再制造产品设备质量特性和安全环保性能应 不低于原型新品。推广应用无损检测、增材制造、柔性加工 等技术工艺，提升再制造加工水平。 18 近日，市场监管总局、国家发展改革委等18部委联合 印发文件，锚定2025年发展目标，明确未来两年重点工作，共涉及8大方面，35项要求。3月18日，市场监管总局会同中央网信办、国家发展改革委、住房城乡建设部等18部门联合印发《贯彻实施〈国家标准化发展纲要〉行动计划 （2024—2025年）》，就2024年至2025年贯彻实施《国家标准化发展纲要》提出具体任务。 图4通知文件 其中，在健全产业基础标准体系中提到“制修订精密减速器、高端轴承、车规级汽车芯片等核心基础零部件（元器件）共性技术标准，推动解决产品高性能、高可靠 性、长寿命等关键问题。强化粉末床熔融等增材制造工艺标 准研制，健全元器件封装及固化、新型显示薄膜封装等电子加工基础工艺标准。推动高端金属材料、新型高分子材料和电子专用材料标准制定。加快补齐研发设计、生产制造等工业软件标准短板。制修订一批工业基础标准，助推产业基础高级化。〔工业和信息化部、市场监管总局（国家标准委）牵头，各有关部门和单位按职责分工负责〕”。 3月25日，东莞市印发《东莞市加快推动模具产业高质量发展的若干措施》（以下简称《措施》）。《措施》提出，要聚焦东莞模具这一优势产业，旨在加快推动模具产业发展，夯实东莞市模具产业基础配套能力，支撑东莞市制造业高质量发展。《措施》中明确提出，为了促进企业引进和培育，落实省级政策以加速先进制造业项目的投资和建设，对符合条件的模具项目按照新建工业厂房和新购置生产设备投入金额对企业予以奖励。同时推动东莞市模具产业向新能源汽 车、增材制造等领域扩展，重点支持引进激光制造、增材制 造、一体化压铸等先进方向模具制造项目。 图5通知文件 在产品研发和创新领域，该措施提出，东莞市将在关键核心技术攻关领域提供支持，针对模具设计制造技 术、模具材料热处理、模具成形工艺、增材制造随性冷却水 路设计与加工技术等关键技术与工艺等重点领域开展关键技术攻关，开展成型复合材料的大型、精密、复杂模压模具关键技术、微米级精密注塑模具技术的前沿攻关，研发项目符合《东莞市重大科技项目实施办法（试行）》规定的，根据相关项目标准给予资助。 技术进展 - 增材制造技术的重要作用之一，是制造那些能够提高传统工业设备工作效率的相关部件。近年来，关于具有非常规特性的超材料的研究越发广泛，可以从微观尺度到宏观尺度通过灵活设计来改变物理性质，对工业领域显示出强大的吸引力。得益于增材制造技术的发展，高度复杂的微晶格超材料的制造得以实现。微晶格超材料的几何基础源自对原子晶格的研究，这些原子晶格由具有连接支柱和定制孔的互连单元周期性排列。在微晶格超材料中，支柱决定机械强度，而孔径分布影响流体/气体传输。因此，它们广泛应用于需要稳定和高通量运输调节的机械工程和生物/化学/环境领域。微晶格超材料已应用于人体植入物的设计，以模拟人体骨骼的刚度和物质结构，同时支持人体运动、营养运输和新陈代谢。此外，微晶格合理的孔隙分布设计可以调节热传输，使其可以用作高效的隔热装置。微晶格超材料的多物理特性（如机械和传输特性）的可控性允许功能集成、灵活的设计和特性可调性。因此，其可用于抵抗复杂负载环境，也可用于高流量水净化系统。然而，传统周期性微晶格的几何特征是高度耦合和相互约束的， 这限制了其物理性质的可调性。高机械强度通常对应于较少的孔隙分布，因此限制了传输，从而抑制了可能的设计和可调范围。如今，仿生学允许微晶格超材料通过模仿自然形状、性能和功能来实现卓越的物理特性。例如，将竹子状空心支柱元素引入微晶格可以大大提高比刚度和比强度，以接近设计极限；设计多孔莲藕状微晶格可以提供优异的骨再生和修复能力，满足种植体的强度和运输要求。 华中科技大学史玉升教授团队和香港城市大学吕坚院士等团队联合，提出了一种受花旗松启发的创新超材料设计。花旗松可以长到100m高，但直径仅约1.5m，这种超高但并不粗壮的树需要相当大的强度来抵御强风，以及具有允许水分和养分从根部到达最顶端的养料传输机制。微观结构分析表明，支持树木强劲生长的关键因素在于源自导管和纤维的交错/双峰孔隙分布模式。棋盘孔有利于利用有限的体积空间进行物质传输，而交错模式类似于三明治结构以提高强度，从而解耦机械传输性能，并实现机械传输性能的协同改进和优异组合，这在很大程度上不同于传统周期性微晶格中的规则均匀孔隙。受花旗松树双峰孔径分布的启发，研究团队采用体心立方（BCC）微晶格重叠策略构建双峰孔隙。重叠微晶格结构的特点是大小孔隙区域交错分布。通过叠加微晶格并改变内部孔隙区域的空间形状，这种受木材启发的重叠设计策略可以大大增加超材 料设计的自由度以及机械和传输性能的可调性。研究团队基于此采用SLM工艺打印了316L不锈钢微晶格超材料，来满足污水处理系统对支撑框架的尺寸、精度、强度、传输和催化剂粘附能力的综合要求。相关研究成果，以“Wood-inspiredmetamaterialcatalystforrobustandhigh-throughputwaterpurification”发表在顶尖期刊《NatureCommunications》上。 图6《NatureCommunications》 增材制造过程结束后，研究人员通过电化学沉积工艺在316L不锈钢表面沉积一层钴（Co），从而获得高效的污水处理系统。该系统集成了高效的Co/SS催化剂和受木材启发的结构优势，从而具有优化的稳定性和高流通量。通过进一步的优化，研究人员实现了突破性的结构-功能一体化 ——“超材料催化剂”，其具有新兴超材料概念突破所带来的物理-化学特性。Co/SS基超材料催化剂在机械-传输-催化性能可调性方面具有卓越的性能和更大的自由度。超材料催化 赋予了材料在水净化应用中的机械和传输性能的结构-功能集成，以及高效协同催化性能。为了全面展示木质结构超材料催化剂的高强度和良好的水净化传输能力，研究人员构建了一系列具有不同支柱直径（0.30、0.35和0.40mm）和重叠率（0、30、50和70%）的316L不锈钢微晶格结构。重叠设计策略旨在增加因节点数量增加和支柱内部约束而产生的相对密度，这可以显著提高结构刚度，有效承受流动冲击。同时，木质双峰孔旨在延缓废水的流速，从而增加物质输送过程中的液固接触时间，实现高效催化净化。基于木材结构启发的重叠设计增加了单位体积的表面积，从而增加了流动摩擦。 图7受木材启发的超材料催化剂 图8受木材启发的超材料催化剂的稳健性、可设计性和适用性 实验结果证明了仿木超材料催化剂的实用性，受木材启发的超材料催化剂的刚度、传输性能和催化能力是可调的，这表明通过超材料结构设计和增材制造可以轻松实现净水系统的结构功能集成制造。微晶格或多孔结构具有很强的结构可设计性和可打印性，同时在增材制造组件制造中金属基材料也表现出显著的抵抗机械破坏的特性。与微晶格 /多孔结构和合成催化剂相比，金属增材制造和电化学沉积相结合的工艺，通过简单的制备而成，集结构强度和功能催化双重功能于一体，具有较强的可制造性、较高的宏观和微观结构可设计性、较强的几何和性能可控性，更高强度和高通量的净水能力。 （来源：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46337-1） 纳米到微米尺度的颗粒在生物医学设备、药物和疫苗输送、微电子、微流体和能量存储系统领域具有广泛应用。然而传统的制造方式需要在制造速度、可扩展性与粒子形状和均匀性以及粒子性能等多个因素之间进行平衡。 对此，来自斯坦福大学的研究人员介绍了一种更高效的处理技术，借助增材制造，每天可制造多达100万个具有高精度且可定制的微米级颗粒。3月13日，该研究以“Roll-to-roll,high-resolution3Dprintingofshape-specificparticles”为题发表在nature上，这也是本年度第二篇增材nature研究。 图9《nature》发布 传统的颗粒粒子制造方法包括研磨、乳化技术以及光刻等。研磨、乳化、沉淀、成核和生长以及自组装技术，是一种自下而上的制造方法，具有高通量制造的特点，但会导致导致颗粒群体异质，对形状和均匀性的控制有 限。为了解决这些颗粒几何缺陷，人们开发出了直接光刻、单步滚对滚软光刻和多步模具制造等自上而下的制造方法，被证明最高能够实现每天86400个粒子的制造速度，但仍然面临同时实现微米级尺寸、几何复杂性、制造速度、材料选择和可排列性等多维度的同时控制。 总的来说，传统的粒子制造技术需要在多个因素之间进行权衡，制造方法各有优缺点。斯坦福大学的研究人员以该校迪西蒙尼实验室2015年开发的连续液体界面生产（CLIP）技术为基础，开发了一种可扩展、高分辨率的r2rCLIP增材制造技术，使用单数字微米级分辨率的光学与连续胶卷（代替静态平台）相结合，能够快速、可变的制造