专题调研
2018年第17期:关于推进我省3D打印陶瓷材料增材制造技术发展的对策研究报告
2018年8月22日 点击 [346]


关于推进我省3D打印陶瓷材料

增材制造技术发展的对策研究报告


省科顾委新材料专家组


3D打印增材制造产业与智能机器人、人工智能并称为实现数字化制造的三大关键技术,被誉为将引领第三次工业革命的关键技术之一,得到各国高度重视。我国将3D打印增材制造产业作为《中国制造2025》的发展重点。然而,相较于聚合物和金属的3D打印增材制造技术,陶瓷材料的3D打印增材制造技术及产业发展目前还比较薄弱。省陶瓷材料产业具有强的资源优势和技术力量,具有较完整的产、学、研、用产业链,因而作为全国重要的老工业基地及军工产业基地,在陶瓷材料产业方面具有较大的生产能力和市场需求如何能够选择特色、优势发展方向,采取更积极、更有效的方式吸引投资、吸引人才、加强基础研究与产业开发,鼓励大家投身新材料事业是当前必须思考和亟待解决的问题

一、国内外3D打印陶瓷增材制造产业发展现状

陶瓷是一种传统的无机材料,精美实用,已经有了上千年的历史。硬而脆的特点使陶瓷材料加工成形尤其困难,陶瓷制备一般采用模压烧结、注射成型等工艺,由于工艺方法的限制只能制造简单三维形状的产品,而且成本高、周期长。陶瓷3D打印技术通过计算机设计出结构复杂的模型,再利用自动化装备进行3D打印,使陶瓷材料能够快速成型,后续通过脱脂、烧结和热处理技术可以获得高性能的复杂结构陶瓷材料,3D打印技术的出现颠覆了传统陶瓷的成型方法,是陶瓷材料制造方面的一次革命,无需二次加工、大大减少了制造周期和生产成本。

(一)国外技术发展情况

3D打印陶瓷在国外发展较早,因此在技术和专用材料方面更加先进。早在1993年,美国麻省理工学院就利用掺有粘结剂的陶瓷粉末打印出陶瓷成品。2014年,英国布里斯托的西英格兰大学研制出一种新型陶瓷材料,这种新型材料结合改进型的3D打印陶瓷技术,能打印出个性化的陶瓷餐具。美国Rutgers大学和Argonne实验室利用熔融沉积成形3D技术制备了氧化铝喷嘴座。麻省理工学院利用3D打印成形技术研制了四方氧化锆陶瓷,并制造出热气体陶瓷过滤器。2016年,美国HRL实验室的研究人员发明了一种由硅、氮和氧组成的树脂配方,利用3D打印技术制备出各种形状和大小的零件,所制备出的零件强度比普通陶瓷提高10倍。这种超强、耐高温的陶瓷有望用于制造喷气发动机和超音速飞机上的大型零件、微机电系统内的复杂部件等诸多领域。在国外,3D打印陶瓷已经发展了相当长的一段时间,在工艺技术等方面的研究与产业进展十分迅速。

(二)国内技术发展状况

3D打印陶瓷技术以制造周期短、制备零件形状复杂、节能减材等优势同样吸引着国内许多高校和企业的关注。清华大学是国内较早研发陶瓷增材制造的单位之一,3D成型理论、陶瓷材料和打印技术等方面都有深入研究,开发出一系列的3D打印材料。西安交通大学进行了陶瓷浆料的挤出成形、陶瓷浆料的光固化成形及陶瓷粉末粘结成形等3D打印成形陶瓷材料的研究工作,并使用3D打印技术成功进行了陶瓷零件的制备。华中科技大学对片材、丝材、浆材和粉材等四类陶瓷材料形态均做了研究工作,并取得了一定的实验成果。除了上述各高校,国内专门从事3D打印的企业也逐渐增多,在3D陶瓷材料方面,有北京太尔时代科技有限公司、北京十维科技,武汉滨湖机电技术产业有限公司和飞而康快速制造科技有限公司等。

(三)产业及市场发展概况

知名市场研究公司(MM)近日发布了一份调查报告,认为3D 打印陶瓷市场的全球规模有望从2016年的2780万美元增长至2021 年的1.315亿美元,期间的复合年增长率(CAGR)将高达29.6%3D 印陶瓷市场目前最大的客户群来自航空航天和国防行业,主要需求产品是耐高温陶瓷制品,如用于航天器的隔热瓦等;其次是健康医疗领域,主要需求是具有生物兼容性的陶瓷医疗产品,比如假牙、手术器械、假肢、植入物以及组织工程产品等。

目前,我国3D打印陶瓷产业处于起步阶段,在国际3D打印技术应用的市场份额中所占比例远不及美国、德国、日本等国家。但是,国内的很多企业已经开始认识到这一问题,正在积极研制专用的陶瓷3D打印机和打印专用原料,很多从事精密机械技术的公司和企业已经开始陆续投身到陶瓷3D打印领域中,如利达光电、光韵达、大恒科技、大族激光等。部分企业研制出的产品已经成功进军欧美市场,在国际市场中占有了一席之地。

(四)存在问题

我国虽然已经开始关注并布局3D打印陶瓷产业,但是由于起步较晚,因此,目前还存在以下几个问题:一是缺少核心技术,可实现成果转化的高端陶瓷打印技术及其产品极少。对于陶瓷材料来说,3D打印加工技术难度大,需要克服力学性能差、制作精度低、烧结成品收缩率高等一系列难题。而我国目前对3D打印陶瓷材料的制备技术、基础理论及成形微观机理研究还处于初级阶段;二是产业集中度低,产业布局分散。由于3D打印陶瓷技术的研究开展较晚,企业和研究单位都处于摸索阶段,各自为政,尚未形成区域性产业链条的环境;三是缺乏认知与重视程度。由于缺少对高端3D打印陶瓷技术的重视和研发投入,使得工艺和相关技术一直处于摸索阶段,国内市场几乎没有高精度、高性能的陶瓷打印产品,现在获得广泛应用的主要是以覆膜砂制备模具为代表的低端产品。

二、我省3D打印陶瓷产业发展现状和存在问题

(一)概况

我省3D打印增材制造技术与国内其他研究单位和企业是同时起步,现已成立了省3D打印技术联盟,其成员包括福沃德、黑龙江科技大学、东北林业大学、哈尔滨理工大学等13家企事业单位。省政府高度重视3D打印增材制造技术的发展,于2017年制定了黑龙江省3D打印增材制造技术三年行动计划,重点支持16个创新团队、20个项目,已取得了初步成效,在聚合物和金属材料3D打印技术领域的一些成果实现了产业化。但是,在3D打印陶瓷增材制造技术领域的应用还处于空白,急需大力发展。一方面,省在陶瓷材料产业方面具有较大的市场需求。我省拥有哈尔滨飞机制造有限公司、东安发动机等军工企业,还有三大动力企业等对高端陶瓷产品有着迫切的需求的重要的潜在客户。另一方面,我省在陶瓷材料产业及3D打印增材制造技术领域具有强的资源优势和技术力量,上游的陶瓷粉体加工企业哈尔滨市鑫鑫陶瓷材料厂、索能公司都是在国内具有较强的技术水平和生产规模的企业;3D打印装备制造企业福沃德公司具有较强的产品研发能力;而哈尔滨理工大学在3D打印陶瓷增材制造技术研究方面具有较雄厚的基础,目前取得了3D打印陶瓷制备方法关键技术的突破,拥有多项知识产权。

(二)机遇和优势

《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》及《中国制造2025》明确提出了推动高端制造技术的发展,其中3D打印增材制造技术是重中之中的发展方向。根据省的产业发展现状,推进3D打印陶瓷增材制造技术,对于实现我省十三五产业发展规划,完善我省陶瓷材料上下游产业结构布局具有积极的促进作用。在我省推动3D打印陶瓷材料产业发展具有以下优势:

1、原材料资源优势我省是国家陶瓷粉体材料的制造大省,其中:哈尔滨市鑫鑫陶瓷材料厂和索能电站设备制造公司都拥有大规模制备SiC粉体的技术和生产线,产品性能处于国内领先水平,这些粉体产品作用比较单一,大多作为耐火材料和磨削材料。推进3D打印SiC陶瓷的发展,可以推进SiC粉体加工企业的技术提升和转型发展,延伸SiC粉体领域的产业链,也完善了我省陶瓷粉体材料的产业结构。

2、研究基础和人才优势哈尔滨理工大学在3D打印陶瓷材料的制备基础理论及应用领域具有较强的实力,其研发团队提出的3D打印技术与陶瓷致密化工艺相结合的方法实现了复杂陶瓷构件的快速成型,解决了陶瓷材料复杂构件的加工难、成本高和致密化程度低的难题。目前,国际上采用3D打印增材制造技术制备的陶瓷致密性<60%,机械性能只有传统方法制备陶瓷的20%30%,还无法在工程领域得到应用。而采用哈尔滨理工大学提出的新技术制备的陶瓷致密性>85%,机械性能可以达到传统方法制备陶瓷材料的70%以上。而且,哈尔滨理工大学研发的3D打印技术制备大型陶瓷零部件的技术,可以满足工程领域的需求。目前已完成实验室研发工作,制备出了陶瓷齿轮、传动轴、飞轮、多孔材料等结构件,相关技术正在进行产业化推进。

3、应用和市场优势东安发动机制造公司、哈尔滨飞机制造公司对3D打印陶瓷产品在飞机应用和发动机应用上都具有一定的需求。其中:中航哈尔滨东安发动机有限公司研发的航空涡轮发动机,其涡轮进口温度高达2100-2400K,传统的高温合金材料仅能达到耐温1800K,难以满足产品要求,迫切需要寻求耐高温的热端部件材料。陶瓷材料是最好的替代材料,其复杂的结构仅有3D打印方式才能解决,其材料需求具有10亿元以上的市场规模。航天三院风华机械公司近年一直从事高温发动机陶瓷叶轮加工,材料采用SiC,制造周期为2个月,单个陶瓷叶轮成本近30万元,每年具有亿元的市场需求,采用3D打印的陶瓷加工方式,可以大大降低材料成本和生产周期。此外陶瓷材料燃烧室火焰筒、加力燃烧室内锥体、火焰稳定器、外调节片和密封片低压涡轮导向叶片、陶瓷材料环形燃烧衬套涡轮转子等航空特种陶瓷材料及其延伸的产业链覆盖面广,涉及机械、材料、电子、信息等诸多行业。用3D打印成型工艺可以替代现有的陶瓷材料加工方式,有效降低产品成本和制作周期,是新材料领域一项颠覆性的新技术,是未来高性能材料的发展方向。这项技术对我省陶瓷材料产业链的转型升级、提升企业经济效益,促进我省经济发展具有重要意义。

(三)面临的困难和问题

虽然我省从高度重视3D打印增材制造技术发展的角度已制定出相关的规划和政策,但是3D打印陶瓷制造技术及产业发展还处于初期阶段。面临诸多问题和困难。

1、政策体系不健全支持3D打印陶瓷产业的政策体系还没有形成。虽然我省于2017年制定了黑龙江省3D打印增材制造技术三年行动计划,但相关政策还没有完全落实。目前,我省还没有形成综合运用财政投入、财税政策引导等扶持政策体系,没有建立推动3D打印陶瓷产业发展的有效运行机制。尤其是我省3D打印产业处于起步阶段,近期内的发展不可能单纯依靠市场拉动,政策扶持是最主要的驱动力,在这个阶段政府的政策导向将决定产业的发展水准和市场需求。

2、市场应用体系不完善我省具备应用3D打印陶瓷的资源优势和广阔市场空间,可以消化吸收我省陶瓷材料的产能,从而进一步带动我省3D打印产业的良性循环和快速发展。但是,我省推广应用3D打印陶瓷市场培育政策体系和激励机制尚未形成,导致省内市场对3D打印产业的拉动作用不突出。

3、原材料体系单一我省3D成型陶瓷技术基础研究仅仅在少数几种陶瓷材料方面取得了突破性进展,而其他功能性陶瓷材料和结构陶瓷材料由于后续致密化工艺没有突破,因此限制了3D打印陶瓷材料在我省的整体发展进程。

4认识不足,企业积极性不高我省既有高端陶瓷产品的企业需求,也有生产陶瓷产品的国内领先企业。但由于企业信息对接不畅,缺乏有效沟通及充分信任的基础,因此,上下游企业对共同研发3D打印陶瓷产品的认识不足,积极性不高。

三、推动我省3D成型陶瓷材料产业发展的策建议

目前,我省3D打印陶瓷产业发展较之发达省份存在一定差距,同时,也具备后来居上的发展基础。因而,针对我省3D打印陶瓷产业发展面临的困难和主要问题,如何进一步加大政府扶持力度、产业规划、政策引领,为我省先进材料产业发展创造条件、注入动力、赢得先机,特提出如下对策建议

(一)科学规划,整合资源,促进我省陶瓷产业结构优化和升级我省现有陶瓷产业研发、生产、销售的企业多达200余家,其中3D打印陶瓷研发方面主要有哈尔滨理工大学等单位。长期以来我省陶瓷产业结构集中度不高,由于各个企业产品特点不同、技术衔接性差、信息不对称、成本等多方面问题,陶瓷产业在产、学、研、各方面严重脱钩,因此急需以一条主线对多方资源和产业进行整合升级。3D打印技术的出现是一个非常好的契机。该技术从陶瓷产品设计、材料选择、设备制造、打印生产成型,在我省内部已经可以形成一个完整闭合的产业链条,现在只需对整体的上下游产业结构进行梳理,减少资源浪费,确定3D打印陶瓷发展的主要方向,实现企业、研究机构之间的优势互补就有望推动我省陶瓷产业整体水平进一步发展。建议:以3D打印为主线,以东安公司和哈飞公司对新一代高性能陶瓷材料的需求为市场导向,加强企业与省内高校、科研院所合作,整合人才和资源,建立产学研用协同创新体系,促进机构之间技术交流和转移,加快科研成果转化,充分调动企业参与的积极性,加快企业创新发展、转型升级,为我省经济发展做出更大新贡献。

(二)政策引导,资金扶持,促进3D打印陶瓷增材制造技术研发及产业化发展一要由政府主导制定产业扶持发展政策,明确研发和产业发展方向。着力开展氧化铝、氮化硅、氧化锆、羟基磷灰石等多体系的3D打印陶瓷材料的研发。进一步开展数字光固化技术、新型无压烧结技术、立体光雕刻技术及相关设备的研发。逐步完善我省3D打印陶瓷材料的材料体系,从而带动行业的全面发展。二要设立专项资金,扶持引导3D成型陶瓷材料的技术研发及产业发展。建议:由省科技厅设立3D成型陶瓷材料的技术研发的专项基金,支持高校和科研院所开展相关的基础研究;由省发改委设立3D成型陶瓷材料产业化专项基金,支持3D打印陶瓷材料企业招商引资、开展项目实施及技术引进等。财政方面,应支持相关企业采取借款、贴息、无偿资助等方式,连续3-5年每年由省政府拿出一定的资金,支持我省重点3D打印高新技术企业的发展。三要建立军民融合产业平台,改造老企业,创立新产业。我省的老企业虽然在商品经济的大潮中屡受冲击,但多年积累起来的雄厚技术基础为满足军企产品的高精技术要求提供了技术保障。建议:由政府引导建立军民融合产业平台,并以此平台为基础,实现老企业的改造升级,同时催生出新兴产业。

(三)优化用人环境,培养技术人才,善用善待人才一要对企业引进的高端人才,可提供房补或解决住房等方式,吸引和稳定高端人才或优秀毕业生到我省立业、发展,以增强我省3D打印增材制造产业发展的后劲对拥有3D打印陶瓷科研技术的个人或团队应该进行考察、引进,给予科研项目和科研环境支持,在我省建立较好的科研环境和氛围。二要自上而下培养各级3D打印陶瓷人才。除了努力引进、培养科研人才,也要大力培养技术产业工人,特别是一线高级蓝领技工,弘扬工匠精神,恢复并完善技工等级评定体系,使高级技术工人的薪级待遇至少不低于中级或副高级技术人员的水平,为培养出大国工匠奠定基础。

(四)鼓励创新、保护原创性成果,让成果在龙江大地生根开花。对能够转化的创新性研究成果要在产业化过程中予以资金上的大力资助,对于相关方面的专利申请给予减免费用、对有价值可授权的专利给予奖励,对可产业化的技术采用引资、风投、自投等方式,提供加快产业化进程的服务。建议:我省在借鉴国家对原创性成果的扶持政策基础上,制定省对原创性成果的扶持政策力争让好的原创性成果在龙江大地上生根、开花,长成参天大树!

 

作者:曾   哈尔滨理工大学建筑学院院长、教授

      成  夙 哈尔滨理工大学建筑学院副教授

      张晓红 哈尔滨理工大学电气学院教授

 

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