我国增材制造产业基础能力提升方法建议

高 燕，叶 敏，吴 强，张 波

（1．广州机械科学研究院有限公司，广东广州510530；2.国机智能科技有限公司，广东广州510700；3.苏州电加工机床研究所有限公司，江苏苏州215011）

国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要[1]指出，要把新发展理念贯穿发展全过程和各领域，构建新发展格局，切实转变发展方式，推动质量变革、效率变革、动力变革，实现更高质量、更有效率、更加公平、更可持续、更为安全的发展。作为战略前沿技术之一的增材制造[2]，是实现制造业转型升级的重要赋能技术之一，其与信息网络技术的深度融合，给传统制造业带来了重大的变革性影响，是实现制造业转型升级和高质量发展的有效路径[3]。

增材制造（3D打印）是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出三维实体物品的数字化制造技术，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，是先进制造业的重要组成部分。我国增材制造技术研究起步较早，经过近四十年的发展，已形成完整、成熟的产业链，是高端装备制造领域中研发水平基本与发达国家同步的几种技术之一，但产业基础核心技术及部件对国外依存度仍然较高[4-5]。

本文对增材制造产业核心基础范畴及国内外发展现状进行对标分析和深入研究，剖析我国增材制造产业现阶段基础能力存在的问题和主要原因，并提出提升路径、重点任务及政策性建议，对推动增材制造产业基础高级化和产业链自主可控具有重要意义。

1 增材制造产业基础及国内外发展现状

1.1 产业基础内涵

增材制造作为制造体系中重要组成部分，与传统的等材、减材制造方式相比表现出了更大的创造灵活性与应用宽泛性,为制造业的转型升级和绿色经济生态的形成带来重大的机遇，已成为世界先进国家重点发展的关键共性技术之一。

增材制造技术的规模化应用只有建立在材料、工艺、设备、软件等系列化的标准、规范上，才能形成强基、稳健的产业链条和产业集群（图1）。

图1 增材制造产业链全景图

增材制造专用材料是指适用于增材制造工艺的特殊材料体系，增材制造与传统的减材、等材加工不同，其对材料有特定的形态、流动性、黏度等特性的物性要求。因此，在传统广泛材料基础上，根据增材制造技术的应用需求应尽量拓宽打印材料范围，主要包括与工艺相适应的超强承载、极端耐热、超高精度、超轻量化和高可靠性材料。

工艺仿真与过程控制软件通过工艺仿真与过程控制实现，开展强轻量化和高性能化的工艺过程模拟以及制造过程模拟，实现产品结构/功能优化与设计，预判成形工艺过程缺陷，是发展增材制造技术优势的重要基础之一。

多功能/高精度增材制造专用装备，是整体增材制造产业发展的应用基础，是工艺成形的核心手段和硬件保障，是整个行业领域的重中之重，是实现一切功能目标的硬件基础，也是目前整个产业发展的“卡脖子”技术之一。

增材制造标准体系是目前整体产业发展缺失最为严重的环节，由于工艺的特殊性，已有的检测标准体系已经无法满足实际产业发展应用需求。针对增材制造工艺和装备的特点形成的检测标准体系，是产业良性循环的最后关口，具有非常重要的作用。

综上所述，增材制造专用材料、工艺仿真与过程控制软件、多功能/高精度增材制造工艺及装备、增材制造标准体系是增材制造产业发展的基础共性关键技术，且相关技术并非是独立，而是高度互联、交叉的，实施产业基础再造，推动相关技术的自主可控和高级高质发展是提升增材制造产业链自主可控的重要保障。

1.2 国内外发展现状

从全球来看，增材制造经过多年发展，从源头上的理论方法创新，到典型应用场景的示范应用，再到不同行业的规模推广，已经成为一定规模的先进制造产业。从国内发展看，近年来我国加大了增材制造领域的投入，成立了国家增材制造研究院和专业化运营企业，力推国家战略层面和技术源头创新，形成了技术源头牵引、局部全球领跑，部分国际并跑的格局，具体情况见表1。

表1 国内外增材制造产业基础对比分析

2 增材制造产业基础存在问题与原因分析

2.1 存在的问题

目前，国内增材制造产业总体技术水平接近国外先进水平，但产业基础核心技术缺失，存在产业基础低端化、产业链条空心化的问题。比如在产业基础产品的稳定性、一致性、可靠性等方面存在短板，关键技术和零部件受制于人、依赖国外，具体问题如下：

（1）原始创新能力薄弱，基础理论研究缺乏

国家在赋能技术相关产业的基础研究方面研发投入少、基础理论研究缺乏、技术积累不足、自主创新能力弱。比如，在增材制造基础理论、新材料形性设计理论、微纳尺度成形技术机理等方面的投入少，许多研究尚处于起步阶段；在增材制造微观机理研究方面仅开展局部研究；在复合材料、智能材料、材料基因创新结构设计、关键器件制造、成形过程精细控制和性能预测设计等方面的基础积累严重不足，以跟跑为主。

（2）自主创新能力不足，关键材料、核心器件、基础软件依赖进口

增材制造产业涉及的关键材料、功能化增材制造工艺仿真与过程控制软件、多功能/高精度增材制造智能装备等核心产业基础方面对国外依存度高、不能自主可控。如材料制备工艺及装备在可靠性、一致性、智能化程度方面与国外先进水平相比还有差距，增材制造装备的核心元器件主要依靠进口。

（3）基础质量验证缺失，基础产品短板突出

国内增材制造产业基础产品往往以仿造和模块化设计为主，没有从系统性角度开展正向设计、可靠分析及系统验证；在工艺技术研究方面，国外是基于理论基础的工艺控制，而我国则更多依赖于经验和反复的试验验证，导致增材制造产业基础产品仍处于中低端，应用短板突出，如在生物增材制造、非金属及复合材料制造、微纳增材制造等方面标准缺失。

2.2 主要原因分析

（1）缺少顶层设计，产业链发展不协同

国家对增材制造产业基础发展重视不足，缺少支持产业基础发展的顶层设计，导致加工产业链涉及的整机、装备与基础部件等发展脱节、不协同。增材制造整机企业一直处于对国外先进技术消化、吸收的追赶式发展方式，对基础产业的研发投入不足、研究深度不够，“重显轻潜”、“重主机、轻配套”等现象，导致产业基础对外依赖度高。国家支持的高校和科研机构存在“重论文、轻研发、轻转化”的现象，导致一部分科研中坚力量不愿去做无法产生高水平论文的偏产业化的技术课题，促使高校科技与产业经济融合程度弱。

（2）企业创新能力不强，龙头企业引领示范作用不明显

增材制造产业基础技术领域具有国际竞争力的大型骨干企业数量少，绝大部分为细分领域的中小企业，规模和实力不够强大，技术创新能力先天不足，其专业化程度低、装备水平不高、质量可靠性差等，导致基础领域陷入低层次竞争。

（3）研究体系缺失，共性技术研究成果不足

技术创新活动一般都遵循基础研究发明、转化应用研究、进入市场三个阶段，缺一不可。随着国家科技体制改革，原本承担产业共性技术研究开发功能的科研机构转制为企业，倒逼增材制造企业依靠自身力量承担基础共性技术研发及转化研究，使得产业共性技术研究体系缺失，这就进一步加剧了产业基础共性技术的“短板”、“弱项”凸显。

（4）人才培养系统性不够，高水平复合型人才短缺

增材制造产业基础技术复杂程度高、研究难度大，涉及多学科交叉，需掌握计算机、机械、电子、材料、光学等多学科知识，该领域高水平复合人才、领军人才、高端研发人员均呈现严重缺口。此外，由于产业基础相关企业以中小型企业为主，企业盈利能力有限、经济实力不强，常常面临核心人才流失的不利局面。

3 增材制造产业基础能力提升的总目标及发展路径

3.1 提升的目标

在我国加快构建以国内大循环为主、国内国际双循环相互促进的新发展格局形势下，增材制造产业基础能力提升的总体目标就是要打造自主可控、安全可靠的增材制造产业链、培育增材制造基础技术策源地，以基础理论研究、多形性专用材料、高精度工艺体系、精准控制软件、生物微纳特种成形装备等全链条基础技术突破为抓手，突破多制造技术融合、多制造功能实现的增材制造，并向高性能和智能化方向发展，形成特色增材制造产业集群。

按照五年补短、十年固基、十五年强链的步骤，相关部门提出了增材制造产业基础高端化、产业链现代化的阶段目标。

（1）到2025年，形成包括通用工程塑料、高性能金属、增强复合材料在内的多种形态（粉体、颗粒、丝材等）增材制造高端专用材料国产化；实现面向多种增材制造工艺的全流程工艺控制软件平台建设；掌握高性能大型复杂整体关键构件增材制造变形开裂预防、力学性能控制、大型装备研发、技术标准建立等关键技术，实现其在飞机，航空发动机、导弹、卫星、船舶、轨道交通等重大装备的工程应用；加强微纳增材制造领域研究，把平面微纳制造技术变为微纳3D直写技术，建立增材制造技术策源地。

（2）到2030年，实现包括大功率激光器、高能量电子束、高效率打印喷头等核心器件的自主研发供给能力；实现等材、减材与增材制造复合的专用装备自主研发；面向航空航天、轨道交通、医疗等重点领域，实现增材制造在相关领域的批量化、型号化、持续化产业应用；建立面向增材制造的活性组织与器官微观结构的仿生设计准则；初步建立我国4D打印技术材料与工艺体系，并以工程应用需求为牵引，研究并解决4D打印材料、工艺、装备和典型应用中的核心科学问题，以及突破相关关键技术；突破多尺度、多细胞、多材料、多组织一体化生物增材制造的技术装备瓶颈，解决复杂活性器官多细胞体系与血管系统的共生融合难题。

（3）到2035年，建立面向太空、深海、核能等重要极端环境的增材制造全流程平台，实现在真实环境的典型应用；健全面向赋能共性技术、关键技术、系统试验、装备能力、检测方法等标准化体系；实现复合材料增材制造技术突破，成为复合材料制备方法中重要的手段，并实现大范围规模化应用；完善我国智能打印技术材料与工艺体系，实现4D打印技术在环境自适应机构、结构健康监测、柔性机械、自执行系统等领域的大范围工程化应用，发展精确化、智能化生物增材制造技术；实现细胞、细胞外基质、基因的精确操作调控组织与器官再生微环境，与微纳生物传感、神经元再生相结合，实现增材制造组织的智能化，实现与宿主组织及神经系统相融相生。

3.2 发展路径

在落地总体目标的过程中，要采用“突破工程、短板工程、卓越工程”三大任务，合理、可行、分步、有序推进重点任务。

3.2.1 突破工程

（1）突破具有自主知识产权的生物增材制造软件

开发具有自主知识产权的生物增材制造软件，提升我国在医疗器械领域的自主研发设计能力，有机的结合我国自主研发的增材制造能力和优势技术，突破医疗器械长久以来的国外技术和研发垄断的格局。

（2）突破面向国家重大工程的特殊增材制造技术及装备

太空打印可以以小设备制造大装置，可以在太空制造巨型太阳能电站，建立月基发射基地，乃至发展成太空装备新材料，实现把制造搬到天空去的美好愿望，太空打印是我们走向太空的阶梯。我国应大力发展太空打印技术，实现面向极端环境的原创性技术工艺的突破。

（3）突破组织器官生物增材制造

研发面向组织器官增材制造的材料、装备及工艺，特别是多种制造工艺耦合的复杂功能制造装备和相应的复杂组织器官结构，例如脑组织等的一体化制备，是生物制造领域亟待提升的重点方向，从而实现机械与生物医疗、生物化学、物理等学科的充分交叉融合发展。

（4）突破4D打印技术材料与工艺体系

研究并解决4D打印材料、工艺、装备和典型应用中的核心科学问题，以及突破相关关键技术，实现4D打印技术在环境自适应机构、结构健康监测、柔性机械、自执行系统等领域的大范围工程化应用，建立我国4D打印技术材料与工艺体系。

3.2.2 补短工程

（1）加强增材制造产业基础理论体系研究

围绕金属成形中的强非平衡态凝固学、极端条件下增材制造新机理、梯度材料及结构的增材制造机理、组织器官个性化制造及功能再生原理等方向开展科学研究，建立覆盖新原理、新方法、控形控性原理与方法、材料设计、结构优化设计、装备质量与效能提升、质量检测与标准、复合增材制造等全系统、完整的学科方向。

（2）大尺寸高性能复合材料工艺及装备

以高性能高分子材料为基体，短纤维和连续纤维为增强材料的复合材料大尺寸快速成形、层间强度强化、多工艺复合等增材制造工艺技术研究，研制多材料、多类型复合制造工艺的专用装备，特别是超大尺寸、超高效率、超高精度专用装备的研制。

（3）智能化、高精密、高效率增材制造工艺及装备

研究增材制造新原理与新方法、工艺数据库和软件、成形质量在线检测与实时反馈系统、智能化控制和自适应工艺调控系统、金属增材制造后处理集成系统、“等材-增材-减材”多加工方式的复合智能集成系统等，发展具有自采集、自建模、自诊断、自学习、自决策的高可靠、高性能、高效率、智能化精密金属增材制造工艺与装备。

（4）工艺仿真与过程控制软件

围绕增材制造工艺离散制造的特点，研制面向不同材料、不同工艺、不同应用环境的工艺仿真软件，建立面向多尺度、多材料、多功能的性能模拟及结构拓扑优化软件集；研发基于大数据和智能工艺的工艺过程控制软件，实现与已有工业控制器、传感器、数据采集模块等电气装备的集成接口开发。开发基于构件力学性能匹配的空间曲面纤维连续打印路径规划算法与软件。

（5）高强高导抗烧蚀金属增材制造工艺及装备

针对电磁能装备在多场耦合极端冲击条件下，存在电弧烧蚀、高速刨削等一系列关键技术难题，以长寿命服役为目标，开展高强高导抗烧蚀金属合金增材制造一体化设计、成形与性能调控技术、工艺及装备。

（6）增材制造标准体系

完善现有增材制造标准体系，形成以材料检测基础，工艺评价为指导，性能检测为衡量的标准联动检测体系，建立面向工艺质量控制和生产流程标准化的产业化标准体系，率先实现面向应用、具有鲜明技术特色和优势的完备评价体系。

3.2.3 卓越工程

（1）增材制造高端专用材料

围绕多金属材料集成、陶瓷等复合材料、创新合金材料、非晶材料的增材制造技术，形成并建立材料基因组性能数据库；开展增材制造中熔池凝固、组织演变、应力演化等基础研究，揭示缺陷产生以及组织演变机理；掌握多种类材料增材制造过程中的“控形、控性”规律，开展功能材料创新制备技术研究，提升成形件的强度、韧性、耐温等性能，拓宽打印材料范围。

（2）可降解医用金属的个性化增材制造工艺及装备

针对可降解医用金属材料蒸汽压高，增材成形过程中易挥发、难控制等一系列关键技术难题，开展结构材料一体化设计、成形与性能调控研究。

（3）可显著提升制造效率的新型金属增材制造技术与装备

针对航空航天、重型机械、冶金石化等行业复杂金属构件对制造技术水平不断提升的要求，开展在确保成形精度的前提下，可显著提升成形效率的新型增材制造技术与装备的研究，并在工业领域推广应用。

4 相关政策建议

4.1 重视顶层设计，制定增材制造产业基础发展战略

进一步强化并充分发挥政府的统筹协调作用，加强顶层设计，形成可持续推进机制。针对当前、中期、长期，出台增材制造产业强基发展战略及实施纲要，并制定详细的行动计划和路线图，加大力度实施激光产业基础工程再造，针对产业薄弱环节，做好政策扶持、企业主体、人才培养等工作，推动产业链、创新链、资金链和人才链等创新生态的良性循环。

4.2 重塑转制院所行业功能，建立共性技术研发机构

聚焦增材制造产业基础薄弱环节和关键核心问题，依托转制科研院所开展增材制造共性技术平台建设，形成增材制造产业基础原创技术策源地，发挥转制院所共性技术供给、行业引领带动等公益功能，保障增材制造产业基础技术向高端化、可持续、高质量发展。

4.3 强化企业技术创新主体地位，加强扶持和支持力度

突出企业在技术创新中的重要作用，研究税收优惠、研发激励等政策，培育增材制造产业龙头企业走“创新驱动”的发展道路，积极成为增材制造产业链“链主”，引领整机、系统、部件等全产业链条的整体提升；同时促进龙头企业与从事基础研究的高校、共性研究的科研院所密切衔接，建立技术生态系统。

4.4 重视工艺技术创新研究，提升批量制造能力和水平

生产工艺创新是工业领域的主要创新活动之一，其发展水平直接决定着工业产品的性能、质量和可靠性，引导增材制造产业基础配套企业重视生产制造工艺，把工艺创新与技术创新放在同等重要水平，提高研发-转化-产业化等创新链条的协同性、完整性，开展工艺技术软件化和标准化工作，整体提升工业创新效益。

4.5 加强基础人才队伍建设，夯实产业发展基础保障

一方面，通过推进海内外人才集聚工程，面向全球引进一批重点产业基础研究人才，加快形成一支高素质的专业人才队伍；另一方面加快基础人才培养，加大高校、科研院所等机构的基础学科、交叉学科的建设，形成从初级到高端的基础人才培养体系；三是健全对基础人才的激励机制，加大对基础研究人才的生活、工作配套支持，用好现有人才，稳住关键人才。

4.6 实施基础能力提升专项工程，推动技术攻关及成果应用

实施产业基础能力提升专项工程，设立专项资金，针对当前国内产业基础薄弱、关键技术受制于人、严重依赖进口、制约产业竞争力提升的基础零部件、基础工艺、基础材料和技术基础进行重点支持，并在典型行业打造应用示范工程，推动工业基础技术成果应用，引领产业基础高级化、现代化。

5 结束语

本文系统对标分析了增材制造产业基础技术的发展现状，剖析了我国现阶段增材制造产业基础存在的问题及主要原因，研究了增材制造产业基础能力提升的总体目标、主要任务，并从国家层面的顶层设计、制度建设，增材制造产业层面的协同合作、创新机制，到增材制造基础配套企业的创新驱动、先行先试、人才培养等全方面给出了政策性建议，以期推动我国增材制造产业企业、高校、科研院校等实现自我突破、转型升级与创新发展，打破对国外进口的依赖，形成新的创新生态，带动增材制造产业基础从中低端向中高端迈进。