增材制造（3D打印）技术在模具行业中的应用

　　制造业是我国国民经济的主导产业，是实体经济的主体，是技术创新的主战场，也是供给侧结构性改革的重要领域，中国经济要实现高质量发展，必须有高质量的制造业作为支撑。高质量发展是以质量*、效益优先为原则的，而先进制造业是制造业中创新*活跃、成果*丰富的领域，也是价值链上高利润、高附加值的领域，代表着高质量发展的方向，对经济高质量发展有着至关重要的作用。党的十九大报告提出，“加快建设制造强国，加快发展先进制造业”。在中央经济工作会议提出的2019年重点工作任务中，“推动制造业高质量发展”位列*。

　　在制造业大变革的环境下，增材制造产业的发展已经上升到国家战略层面，《中国制造2025》、《国家增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）》等文件、通知相继发布。《国家增材制造产业创新发展指南（2021-2023年）》于今年正在编制中，增材制造产业发展迅速，在科研、应用等方面取得了很多重要成果。在工业应用领域，又以航空、模具行业的应用更为成熟。在此背景下，我们将深入探讨增材制造技术在模具行业中的应用现状以及未来的发展方向，让更多的技术人更好地掌握和使用增材技术。

　　中国增材制造产业经过二十多年的发展，产业规模实现快速扩张。2017年中国增材制造产业产值16.7亿美元，比2016年同比增长40.33%。2015-2017年，中国增材制造产业规模实现了翻倍增长，年均增速超过30%。2018年中国增材制造领域相关企业超过500家，产业规模已达100亿元，增速略微放缓至25%左右，但仍高于全球4个百分点。2020年1-12月，全国规模以上增材制造装备制造企业营业收入105.2亿元，同比增长14.6%，实现利润总额9.7亿元，同比增长142.5%。

　　我国增材制造产业已初步形成了以环渤海地区、长三角地区、珠三角地区为核心，中西部地区为纽带的产业空间发展格局。环渤海地区，增材制造产业发展处于国内*地位，形成了以北京为核心，多地协同发展，各具特色的产业发展格局。长江三角洲地区，具备良好经济发展优势、区位条件和较强的工业基础，已初步形成了包括增材制造设备研究开发、生产、应用服务及相关配套设备的增材制造产业链。珠三角地区，增材制造产业发展侧重于应用服务，主要分布在广州、深圳、珠海和东莞等地。此外，陕西、湖北、湖南等省份是我国增材制造技术中心和产业化重镇，集聚了一批龙头企业。安徽省也是增材制造产业的重要集聚区，芜湖市繁昌县的春谷3D打印智能设备产业园已成为华东地区*大的增材制造产业集聚区。

　　增材制造已经成为航空航天等高端设备制造及修复领域的重要技术手段，初步成为产品研发设计、创新创意及个性化产品的实现手段以及新药研发、临床诊断与治疗的工具，并且应用范围不断向医疗、建筑、服装、食品等行业领域扩展。西安铂力特激光成形技术有限公司针对航空航天极端复杂的精密构件加工制造问题，利用SLM技术解决了随形内流道、复杂薄壁、镂空减重、复杂内腔、多部件集成等复杂结构问题，每年可提供复杂精密结构件8000余件；上海电气集团股份有限公司依托“3D打印打印燃气轮机轴向旋流器工业化应用探索”项目，成功制备出符合性能要求的部件，可协助完成重型燃气轮机关键零部件的原型设计与优化；在核工业领域，中广核集团“金属3D打印应用于核电领域的关键技术研究”取得重大成果，利用激光选区熔化（SLM）技术制造核电站复杂流道仪表阀阀体，该阀体的材料化学成分满足国际核电标准RCC-M的要求，相比传统工艺可有效缩短制造周期，满足小批量快速生产和降低成本等方面的要求。

　　增材制造产业正从起步期迈入成长期，呈现出加速增长的态势。据WohlersAssociates（2017）统计，1988-2015年的27年中，全球增材制造产业的年复合增长率为26.2%，其中，2012-2014年的CAGR高达33.8%。按照产业生命周期理论，预计未来10年，全球增材制造产业仍将处于高速增长期，发展潜力巨大。据IDC预测，2016-2020年，全球增材制造产业将保持22.3%的年复合增长率。因全球的新冠肺炎疫情仍在持续，2020年全球增材制造业增长了7.5%，达到近128亿美元。麦肯锡预测，到2025年全球增材制造产业可能产生高达2000-5000亿美元的经济效益。同时，根据前瞻研究院预测，中国增材制造产业将保持38%的年复合增长率，远超全球增材制造产业的增速。

　　在《增材制造产业发展行动计划（2017-2020年）》等相关政策的支持下，我国增材制造产业虽然取得了长足进步，但整体上还是呈现“小、散、弱”的状态。据不完全统计，我国现有增材制造企业几百家，而且大部分都是初创型企业，缺少规模大、实力强、具有全球竞争力的龙头公司，国内规模*大的增材制造企业是杭州先临三维科技股份有限公司，2017年的收入也只有3.63亿元，不到全球3D打印龙头企业Stratasys的8%。也因此，国内增材制造产业发展空间巨大。

　　从应用细分领域来看，在工业领域，增材制造技术的应用已从简单的概念模型、功能型原型制作向功能部件直接制造方向发展，并且正渗透到复杂结构件的设计及制造领域。同时，在造型评审、设计验证、复杂结构零件、多材料复合零件、轻量化结构零件、定制专用工装、表面修复、个性换装件等方面的应用也越来越多。在生物医疗领域，依据患者医学影像数据增材制造的生物模型已经成为辅助治疗的手段，包括术前模拟等应用，未来或将从“非”打印逐步进阶到“”打印。

　　目前，应用比较广泛的3D打印成型工艺主要有：选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、直接金属激光烧结（DMLS）、立体光固化成型（SLA）、熔融沉积成型（FDM）、分层物体制造（LOM）等，不同类型的工艺在不同的领域有着各自的应用优势。

　　按照材料分类可以分为砂型打印、蜡膜打印、金属打印和陶瓷打印，其中砂型打印在模具行业的应用非常广泛，由于3D打印可以直接将CAD、Solidworks模型进行分层处理，直接通过3D打印技术实现复杂零部件模具的制作。以下是我公司为中国航发定制化服务的一款军工类产品。

　　砂型3D打印的模具成型之后，我们要进行浇注工艺，经过浇注、热处理、抛丸、铸件、机加工、检测后得到成品。现阶段，汽车行业、发动机零部件、轨道交通、航空航天、军工工业包含有大量的金属材质零部件产品，铸造是其中主要的成型方式之一，如钩缓、制动、齿轮传动等多采用铸钢、铸铝、铸铁材质。在铸件新品开发和小批量试制过程中，采用3D打印技术来制造铸型可以有效节省模具开发时间和研发成本，因此获得了大量的应用。

　　目前，中车戚墅堰所、中车齐齐哈尔公司、长江公司等产品研发和生产单位均建立起了相关技术储备，并在深入开展产业化拓展工作。其中，中车戚墅堰所在技术储备的基础上成立了快速制造工程化示范中心，采用SLS砂型打印技术、SLA高分子刚性模具打印技术和数控加工技术的组合模式，可以实现覆膜砂型(芯)、蜡模、模具的多品种小批量生产能力，常态服务于轨道交通铸件的开发和生产中，并将砂型镂空设计、自体支撑、梯度打印等专有技术进一步深化，已拓展至汽车零部件等新产业服务领域。

　　尽管前景丰满，但经历两年多的热炒，仍然没有大的起色。有卖方人士直言，国内涉足3D打印的企业虽多，但仍处于粗放生产设备的阶段，缺少核心龙头企业。相比之下，欧美国家由于行业起步较早，再加上一些社会体制与国家推进政策相对较完善。因此，他们在早期就能建设起一套贯穿于整个产业链的服务模式。而且，正是由于各种推进政策以及文化的开放，普通人更加容易接受3D打印技术，这就为3D打印全民化推开了大门。再者，由于其创新文化气氛非常高，再经过多年的磨砺与市场化，已相继诞生了不少覆盖整个产业链的核心龙头企业，这为3D打印技术的发展奠定了坚实的基础。

　　目前由于3D打印市场正在起步和高速发展的阶段，其行业标准、质检标准、服务标准都没有明确的规定，因此在这样的大环境下，康硕集团作为行业的龙头企业，肩负着制定行业标准的重任。以康硕河南基地为先行者，打造闭环的生产线、铸造线、机加工线、质检线的完整制造体系，并以此作为“康硕河南标准”为国内其他增材制造作出表率作用。

　　3D打印有着非常高的成本，首先是材料问题，由于3D打印技术目前总体并不成熟，产业规模并不大，所以国内生产3D打印材料的企业极少，很多金属材料更多的是依赖进口。而在材料性能、数据积累上，全世界都属于非常匮乏的状态，且有关数据积累也大多集中在钛合金等贵金属材料上，这也在一定程度上推高了3D打印的成本，限制了该技术的普及。其次，3D打印设备非常昂贵，我国增材制造行业的设备主要的进口，如EXone。以桌面型的3D打印机为例，国外的3D打印机售价在2万人民币左右，国内设备也要6000元一套。因此，作为3D打印行业，降低设备成本的首要任务就是自主开发3D打印设备。

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