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增材制造面临的问题与挑战

三维-小维尼
2021-04-15 13:16:35

从总体研究和产业发展来看,与大多数“一带一路”新兴国家相比,我国增材制造技术处于绝对领先地位,但与欧洲、美国、日本等发达地区和国家相比,我国在基础理论、关键工艺技术以及高端装备等方面仍存在较大的差距。在高端增材制造装备商业化销售市场,美国和德国还占据着绝对优势;我国高端增材制造装备的核心元器件和商用软件还依赖进口;系统级创新设计引领的规模化工业应用还主要在美欧国家。欧美日等发达地区和国家借助资金、人才、技术和市场的优势,在增材制造与激光制造基础理论、核心器件、工艺和装备、产业应用等方面均处于领跑水平。我国增材制造研究及产业发展面临的问题和挑战主要包括以下几个方面。

1、 原始创新和变革性技术不足

近些年增材制造具有变革性的技术均来源于国外,一些显著影响增材制造全局的重大技术进步都来自于美欧国家,如德国的电子束高效增材制造装备、MIT和惠普的金属粉末床黏结剂喷射打印技术、空客公司的增材制造专用铝合金Scalmalloy等。国内相关技术仍然处于跟跑位置,原始创新能力有待加强和引导。

2、 自主创新和标准的体系尚待完善

从技术创新层面看,知识产权和专利技术一直是各国抢占战略制高点的主要战场。目前以欧、美、日等发达国家和地区构建的专业技术壁垒对我国企业在增材制造和激光制造领域的布局和研究产生了较大程度的冲击。为打破国外技术壁垒和封锁,拥有一套核心自主知识产权体系是我国发展增材制造产业的重中之重。标准层面来看,技术标准研究往往引领产业发展,如何推行完善的行业准则,使增材制造和激光制造的产品符合商业化的应用是我国增材制造和激光制造标准化发展的瓶颈。因此,建立完善的专用材料、工艺和设备,以及产品的检测和评价规范与标准也是未来所面临的挑战之一。

3、增材制造形性主动控制难度大

控形与控性是增材制造工艺的两个重要考察指标。但是,增材制造过程中材料往往存在强烈的物理、化学变化以及复杂的物理冶金过程,同时伴随着复杂的形变过程,以上过程影响因素众多,涉及材料、结构设计、工艺过程、后处理等诸多因素,这也使得增材制造过程的材料—工艺—组织—性能关系往往难以准确把握,形性的主动、有效调控较难实现。因此,基于人工智能技术,发展形性可控的智能化增材制造技术和装备、构建完备的工艺质量体系是未来增材制造面临的挑战之一。

4、生物增材制造器官功能化困难

生物制造是未来的重点发展方向。现有生物墨水体系仿生度低、可打印性差、种类少,打印工艺稳定性及效率低、与生物墨水匹配性差,打印组织结构存在营养物质输送局限,因而无法实现真正功能化。未来需要攻关的关键核心技术包括:高精度微观仿生设计及单细胞微纳跨尺度建模与组装;多尺度、多组织的生物3D打印高效调控技术;血管自组装与网络建立;保证打印大体积组织的维持、存活的生物反应器的制造。随着生物医用材料从“非活体”修复到“活体”修复的趋势转变,生物制造面临的战略性前瞻性重大科学问题包括:如何实现生物医用材料的活性化、功能化构建,甚至构建功能性组织器官,满足组织器官短缺、个性化新药研发等重大需求。

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