中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在哪些挑戰(zhàn)？

增材制造作為先進(jìn)制造業(yè)的典型代表，被各國廣泛關(guān)注。我國通過建立國家增材制造創(chuàng)新中心、在工業(yè)強(qiáng)基“一條龍”應(yīng)用計(jì)劃中列入增材制造等舉措，不斷發(fā)掘產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力，夯實(shí)增材制造基礎(chǔ)?？傮w而言，目前我國增材制造能力有所提升，但仍存在五個(gè)亟待解決的問題：基礎(chǔ)研究對產(chǎn)業(yè)發(fā)展支撐不足，軟件和關(guān)鍵零部件受制于人，上下游企業(yè)缺乏有效互動(dòng)渠道，應(yīng)用范圍和用戶數(shù)量有待擴(kuò)展，資金和人才等支撐體系亟待完善。

一、增材制造發(fā)展存在的五個(gè)問題

基礎(chǔ)研究對產(chǎn)業(yè)發(fā)展支撐不足。我國對增材制造技術(shù)的研究起步較早，從1988年開始研究激光成形技術(shù)、SLS設(shè)備等。但隨著產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，基礎(chǔ)理論研究滯后于技術(shù)發(fā)展需求的矛盾日益突出。

一是材料組織形貌表征及控制的研究工作不完善。對增材制造過程中材料微觀組織的觀察缺失，導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)難以控制，加工性能不可控，進(jìn)而影響成品質(zhì)量。

二是模擬能力不足。增材制造是一個(gè)復(fù)雜過程，在對晶體等微觀組織的仿真分析方面仍面臨較大挑戰(zhàn)。

三是工藝原始創(chuàng)新缺乏。目前我國的增材制造創(chuàng)新集中在部分工藝改進(jìn)和具體應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)質(zhì)性、原始性的工藝創(chuàng)新較少。

軟件和關(guān)鍵零部件受制于人。從軟件看，3D建模軟件、掃描軟件等領(lǐng)域基本被國外公司壟斷，比如，美國PTC公司的Pro/E軟件、德國A&D公司的UG軟件，以及3D模型掃描領(lǐng)域的加拿大Creaform公司和美國3D Digital公司等，由于先發(fā)優(yōu)勢形成市場壟斷，我國企業(yè)只能通過為這些軟件平臺(tái)開發(fā)插件以求生存。

從關(guān)鍵核心部件看，激光器、掃描振鏡、噴頭、精密光學(xué)器件等關(guān)鍵零部件嚴(yán)重依賴進(jìn)口。激光器約占增材制造設(shè)備平均成本的19%，市場份額大部分被SPI、IPG、AOC和DPSS等國外企業(yè)占據(jù)，掃描振鏡約占增材制造設(shè)備平均成本的6%，市場份額主要被德國Scanlab公司占據(jù)。此外，目前國外已在多激光多振鏡領(lǐng)域攻克技術(shù)性難題，我國的差距進(jìn)一步被拉大。

產(chǎn)業(yè)上下游未形成良性互動(dòng)。我國增材設(shè)備制造企業(yè)數(shù)量多，但設(shè)備開發(fā)商與上游原材料供應(yīng)商、下游應(yīng)用商并未形成良性互動(dòng)。

一方面，由于設(shè)備開發(fā)商與原材料供應(yīng)商缺乏聯(lián)合，打印材料種類單一，應(yīng)用商只能使用設(shè)備開發(fā)商提供的材料進(jìn)行打印。

另一方面，數(shù)據(jù)建模、創(chuàng)意造型等軟件應(yīng)用服務(wù)未得到足夠重視，服務(wù)商難以與設(shè)備商形成良性互動(dòng)。

在美國，設(shè)備商、軟件制造商和原材料供應(yīng)商之間合作密切。比如，增材制造和精密加工兩大龍頭企業(yè)3D Systems和GF Machining Solutions聯(lián)合開發(fā)了可擴(kuò)展的制造平臺(tái)DMP Factory 500，可通過簡化工作流轉(zhuǎn)換金屬制造，提升聯(lián)合創(chuàng)新能力。

應(yīng)用范圍和用戶數(shù)量有待擴(kuò)展。隨著增材制造的普及，應(yīng)用相關(guān)技術(shù)的領(lǐng)域不斷增加，但實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品種類較少。

增材制造成本較高，且受到打印尺寸、材料種類等方面的限制，大多應(yīng)用在高附加值產(chǎn)品或模型件上，比如，航空航天領(lǐng)域的復(fù)雜構(gòu)件、醫(yī)用植入物、鑄造蠟?zāi)５龋瑧?yīng)用范圍并不廣泛。

此外，企業(yè)應(yīng)用多、個(gè)人應(yīng)用少。IDC研究顯示，我國工業(yè)級3D設(shè)備占到整體市場銷售額的近70%，桌面級3D設(shè)備貢獻(xiàn)了超過90%的出貨量。

資金、人才等支撐體系亟待完善。從資金維度看，由于研發(fā)投入比例非常高，大部分增材制造企業(yè)處境尷尬：毛利率高，凈利潤低甚至為負(fù)，生存基本依賴政府補(bǔ)貼。

以行業(yè)龍頭企業(yè)鉑力特為例，2018年公司凈利潤為5799.39萬元，但計(jì)入當(dāng)期損益的政府補(bǔ)貼高達(dá)2455.64萬元，同時(shí)還享受其他補(bǔ)助和稅收優(yōu)惠，政府補(bǔ)貼補(bǔ)助和稅收優(yōu)惠占凈利潤的比重過半。

從人才維度看，國內(nèi)增材制造專業(yè)人才缺失。我國擁有增材制造相關(guān)專業(yè)的院校有70余所，但據(jù)國家制造業(yè)信息化培訓(xùn)中心預(yù)測，未來增材制造人才需求缺口達(dá)800萬人。此外，國外增材制造人才大多屬于既懂專業(yè)技術(shù)又懂軟件編程的復(fù)合型人才，我國這類人才則非常缺乏。

二、對策建議

重視基礎(chǔ)創(chuàng)新能力。強(qiáng)化增材制造的基礎(chǔ)理論研究，圍繞金屬材料、非金屬材料和高分子材料在增材制造過程中的微觀組織、力學(xué)性能變化，研究優(yōu)化工藝流程，提升增材制造產(chǎn)品的綜合性能。依托國家增材制造創(chuàng)新中心，完善計(jì)量體系，開發(fā)增材制造計(jì)量測試平臺(tái)，更加精準(zhǔn)地監(jiān)控制造流程。支持跨領(lǐng)域合作，鼓勵(lì)增材制造專業(yè)與計(jì)算機(jī)、材料、數(shù)學(xué)、光學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科，以及航天航空、機(jī)械、生物等應(yīng)用學(xué)科加強(qiáng)合作，強(qiáng)化科學(xué)技術(shù)與創(chuàng)新的“雙向互動(dòng)”，密切基礎(chǔ)與應(yīng)用生產(chǎn)對接，圍繞國防、民生領(lǐng)域的重大項(xiàng)目和重大工程，定向匹配基礎(chǔ)研究任務(wù)。

提升正向設(shè)計(jì)能力。從航天航空、汽車、生物醫(yī)療等領(lǐng)域用戶的需求出發(fā)，自上而下分解增材制造產(chǎn)品、工藝、材料、軟件的解決方案，實(shí)現(xiàn)覆蓋產(chǎn)品系統(tǒng)全生命周期的設(shè)計(jì)制造一體化，提升增材制造的正向設(shè)計(jì)能力。加快建模軟件、掃描軟件、控制軟件的核心引擎研發(fā)，推動(dòng)行業(yè)和領(lǐng)域?qū)Ｓ迷O(shè)計(jì)及仿真軟件應(yīng)用。支持匯集技術(shù)規(guī)范、操作規(guī)范、國家標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)公式、模型算法等軟件核心內(nèi)容，以及解決工具的行業(yè)知識(shí)庫、模型庫和算法庫建設(shè)。鼓勵(lì)國內(nèi)激光器、掃描振鏡企業(yè)加強(qiáng)與美國、加拿大等國知名企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)合作，針對技術(shù)鏈條中的薄弱環(huán)節(jié)加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，解決實(shí)際問題。

建立有效對接渠道。加強(qiáng)原材料供給，形成與裝備和工藝軟件相適應(yīng)的原材料體系，向高性能、產(chǎn)品種類多元化、工藝成熟化和低成本化發(fā)展。加強(qiáng)增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)的融合，鼓勵(lì)傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)應(yīng)用增材制造技術(shù)，為傳統(tǒng)工藝提供輕量化、多件融合、分布式生產(chǎn)、按需生產(chǎn)、個(gè)性化等服務(wù)，降低制造成本、優(yōu)化開發(fā)、改善生產(chǎn)流程和質(zhì)量。建設(shè)跨行業(yè)、跨領(lǐng)域的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，支持由大型企業(yè)跨界介入、各領(lǐng)域制造業(yè)企業(yè)共同參與，進(jìn)而把增材制造應(yīng)用到各行各業(yè)。推廣在線設(shè)計(jì)平臺(tái)和在線工廠等新業(yè)態(tài)、新模式，打造增材制造領(lǐng)域APP和用戶雙向迭代的雙邊市場，支持增材制造廠商建設(shè)全球伙伴關(guān)系。

推廣技術(shù)示范應(yīng)用。在西安、杭州等增材制造產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)的城市開展示范應(yīng)用。以直接制造為主要戰(zhàn)略取向，兼顧原型設(shè)計(jì)和模具開發(fā)應(yīng)用，拓寬增材制造在工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用范圍，推動(dòng)其在傳統(tǒng)制造業(yè)、高端裝備制造、醫(yī)療、文化創(chuàng)意、創(chuàng)新教育等領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用。利用增材制造云平臺(tái)等新模式，打通線上線下在社會(huì)、企業(yè)、家庭中的應(yīng)用路徑。實(shí)施增材制造設(shè)計(jì)與工藝、服務(wù)的完整解決方案，面向結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化、設(shè)計(jì)與模型處理、設(shè)計(jì)評估與參數(shù)優(yōu)化、工藝模擬與工業(yè)優(yōu)化、增材制造設(shè)備與質(zhì)量檢測等全流程，尋求實(shí)現(xiàn)性能、經(jīng)濟(jì)性和工藝可實(shí)現(xiàn)性之間的平衡。

完善產(chǎn)業(yè)發(fā)展支撐體系。促進(jìn)增材制造扶持資金精準(zhǔn)化。加強(qiáng)對技術(shù)研發(fā)的補(bǔ)貼，采取事前資助、事后補(bǔ)助并舉的方式，支持工藝、材料的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究等，完善資金管理和監(jiān)督制度。推動(dòng)增材制造人才專業(yè)化。將增材制造技術(shù)納入學(xué)科建設(shè)體系，開展以學(xué)科專業(yè)集群為基本單元知識(shí)和能力體系的教育，基于真實(shí)項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)、面向交叉學(xué)科集群開展人才培育，推動(dòng)增材制造人才培養(yǎng)模式變革。加強(qiáng)完善增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系。在材料工藝研發(fā)與驗(yàn)證流程、零件修理工藝研發(fā)流程、零件修理工藝驗(yàn)證流程等領(lǐng)域開展標(biāo)準(zhǔn)制定，規(guī)范增材制造流程。加強(qiáng)與ASTM、ISO、美國SAE、德國DIN、VDI等標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)和組織的合作，力爭融入國際增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系。
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