3D打印技术发力航空航天领域,增材修复市场成下一片蓝海

王明

新材料、仪器仪表、大数据

  • 2019-09-04
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《中国制造2025》将3D打印列为发展的重点,目前,其已被广泛应用于航空航天、汽车、航海、核工业以及医疗器械领域,并且保持旺盛的增长趋势。

  摘要:增材制造又称3D打印,是全球范围内新一轮科技革命发展的代表性技术。《中国制造2025》将3D打印列为发展的重点,目前,其已被广泛应用于航空航天、汽车、航海、核工业以及医疗器械领域,并且保持旺盛的增长趋势。本文分析了3D打印技术的下游应用领域,并对市场发展前景做了展望。

  我国是全球最具潜力的3D打印市场

  3D打印技术相对于传统机械加工技术,具有无法比拟的巨大优势。它生产速度快,无需模具,降低了产品研发周期;叠层制造可实现复杂结构件的成型;材料利用率高,降低了生产成本。根据美国专业从事3D打印行业研究Wohlers Associates的统计,在2012年到2017年的五年间,全球3D打印市场规模从22.6亿扩大到73.4亿美元,年复合增长率达到了26.2%,如图1所示。产业规模呈现扩张的趋势,增速非常可观。

  图1 全球3D打印市场规模

  (来源:Wohlers Associates)

  3D打印市场主要集中在美国、中国、日本、德国、英国这五个国家,总体上占据了全球65%以上的份额。从时间上看,中国的3D打印技术起步落后于这些发达国家,经历了初期设备材料严重依赖进口、产业链分离、技术标准不统一、生产成本高昂等问题后,逐渐走向稳定快速发展期。中国增材制造产业联盟对35家重点联盟企业的经营数据进行了统计。2017年相比2016年,营业收入增长了近10亿元,增长率达到40.3%,远高于同期的全球平均水平。联盟统计显示,我国3D打印市场规模在2017年已超过100亿元。图2为我国3D打印市场规模。从发展阶段和增速来看,我国是全球最具潜力的3D打印市场。

  图2 我国3D打印市场规模

  (来源:前瞻产业研究院)

  3D打印发力航空航天领域

  3D打印技术已经成为了航空航天等高端设备制造及零部件修复领域的关键技术手段,在过去的三年间(2015-2017年),它在全球3D打印市场占比从16.6%增长到18.9%,达到13.87亿美元,相比较其他应用领域,增幅最快,如图3所示。

  图3 3D打印技术应用领域

  (来源:Wohlers Associates)

  在航空航天的零部件生产方面,3D打印技术的降成本效果非常明显。空客公司采用3D打印技术生产了超过1000个飞机零部件,并应用于A350宽体客机上;劳斯莱斯公司采用3D打印技术制造宽体飞机发动机并成功完成了飞行试验;美国空军利用该技术打印出飞机座椅扶手的塑料端盖,使其单位成本从8美元降低到2.5美元;欧洲航天局开发出了双反射面天线原型,降低了成本,减轻了质量,缩短了交付时间,增加了射频设计的灵活性;美国航空喷气发动机公司Aerojet Rocketdyne完成了载人飞船喷管扩张段的打印。在整机领域,美国太空探索技术公司SpaceX发布了一台低成本太空旅行的3D打印世界首款电动火箭发动机。使预计成本从超过1亿美元降低到490万美元。

  增材修复市场成3D打印技术扩张的下一片蓝海

  增材修复使用的是3D打印增材再制造技术,对装备损伤零部件(包括战损和正常服役中出现的损伤)进行再制造修复。根据再制造技术国家重点实验室针对废机电产品修复改造技术的研究,增材修复相比制造新品,成本节约50%左右,大气污染物排放量降低70%以上。国务院颁布的《中国制造2025》指出,大力发展再制造产业,实现高端再制造、智能再制造、在役再制造,推进产品认定,促进再制造产业持续健康发展。

  据统计,全球再制造产业规模突破1500亿美元,美国突破1000亿美元,而2015年我国在再制造产业规模仅为500亿人民币。与欧美发达国家还有一定的差距。限制行业发展和大规模商业化的技术瓶颈表现为残余应力调控、基体热损伤调控、界面匹配性、再制造过程自动智能化四大难题。西北工业大学、装甲兵工程学院、华中科技大学等科研院所分别对这些影响修复到理想状态的因素细节做了深入的研究,并已经和西安铂力特增材股份有限公司、沈阳大陆激光技术有限公司等企业形成了良好应用型协作。相信在不久的将来,增材修复一定能达到最佳的理想效果,实现实用性和经济性的双重标准。

  结语

  3D打印是全球范围内新一轮科技革命发展的代表性技术,也是《中国制造2025》的发展重点。其在航空航天、汽车、航海、核工业以及医疗器械领域有着巨大的技术优势和市场潜力,增材修复市场是3D打印技术扩张的下一片蓝海。

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