中国增材制造产业联盟发布《增材制造产业发展简报》第2期

为促进行业交流，服务会员单位，中国增材制造产业联盟定期收集、汇总、分析国内外增材制造产业资讯，形成《增材制造产业发展简报》，每月通过官方网站和微信公众号对外发布，2022年2月28日，中国增材制造产业联盟发布了第2期增材制造产业发展简报。
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内容提要

• 本期关注：2021 年中国增材制造行业十大事件
• 政策追踪：国家药监局器审中心发布系列增材制造相关指导原则
• 技术进展：4D 打印技术研究进展
• 行业动态：第一本中国增材制造专业期刊首期出版
• 典型应用：增材制造技术制造冬季奥运会火炬
• 成员展示：中机新材料研究院（郑州）有限公司
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《增材制造产业发展简报》

中国增材制造产业联盟成立于 2016 年 10 月 19 日，是在工业和信息化部指导下，由增材制造领域的企事业单位、高等院校、科研机构、产业园区等 128 家相关单位，按照自愿、平等、互利、合作的原则，共同发起组成的跨行业、开放性、非营利性的社会组织，秘书处设在工业和信息化部装备工业发展中心。联盟现有成员 330 余家，已设立工作组 7个，是中国增材制造领域层次最高、规模最大的行业组织。中国增材制造产业联盟立足于为我国增材制造产业搭建合作与促进平台，着眼于将政府与产业界、顶层设计与企业实践紧密结合起来，致力于支撑行业管理、聚拢行业资源、营造创新环境、在促进交流合作，助力中国增材制造产业发展壮大。

本期关注
2021 年中国增材制造行业十大事件
2022 年 1 月 29 日，中国增材制造产业联盟通过专家讨论，评定并发布了“2021 年度中国增材制造行业十大事件”。

一、《中华人民共和国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》提出“发展增材制造”
2021 年 3 月 12 日，十三届全国人大四次会议通过的《中华人民共和国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》正式发布。《纲要》指出“深入实施制造强国战略”，坚持自主可控、安全高效，推进产业基础高级化、产业链现代化，保持制造业比重基本稳定，增强制造业竞争优势，推动制造业高质量发展。在“专栏 4 制造业核心竞争力提升”中明确提出“发展增材制造”。

图 1 《中华人民共和国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》

二、“增材制造工程”专业被列入高校本科专业目录
2021 年 2 月 10 日，教育部公布《教育部 2020 年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知》。37 个新专业列入普通高等学校本科专业目录，其中，“增材制造工程”专业属于机械类，学时 4 年。在此之前，国内的大学没有专门的增材制造专业，行业的人才供应通道迟迟未能打通，增材制造专业本科的开设，标志着增材制造人才培养迈出了坚实的一步，实现中高等职业教育、普通高等教育以及科研院所全覆盖。

图 2 2021 年列入高等院校本科专业目录（部分）

三、两位增材制造专家当选两院院士
2021 年 11 月 18 日，2021 年两院院士增选结果正式揭晓，共有 149 人当选（中国科学院增选院士 65 人，中国工程院增选院士 84 人）。其中，哈尔滨工业大学教授、中国增材制造产业联盟专家委员会副主任冷劲松当选中国科学院院士（左图），中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所项目总设计师、增材制造专家王向明当选中国工程院院士（右图）。

冷劲松院士 王向明院士

图 3 两位增材制造专家当选两院院士

四、时代天使、迈普医学成功上市
2021 年 6 月 16 日，时代天使科技有限公司（简称“时代天使”）正式于香港联交所主板上市，成为中国“隐形正畸第一股”。时代天使是隐形矫治解决方案提供商，通过基于增材制造及自动化生产线等顶尖智能制造技术的“规模定制”模式，制造所有隐形矫治器，应用于特定矫治方案。2021 年 7 月 26 日，广州迈普再生医学科技股份有限公司（简称“迈普医学”）在深交所创业板上市。迈普医学是一家研发与技术驱动的企业，多年来聚焦生物增材制造等系列先进制造技术，开发高性能植入医疗器械。

图 4 时代天使、迈普医学成功上市

五、清研智束实现 2×2 电子枪阵列扫描技术突破
2021 年 11 月，天津清研智束科技有限公司经过刻苦攻关，解决了枪间干扰、扫描拼接、多枪集成等技术难题，突破了国产长寿命、高稳定性电子枪设计制造技术，研发成功配备 2×2 电子枪阵列的大幅面 EBSM 研究验证样机，并完成了直径 400mm 钛合金零件的增材制造，在全球首次实现了基于电子枪阵列的大尺寸钛合金零件 EBSM 成形，标志着我国在电子束选区熔化金属增材制造技术工业化应用上取得重要进展。

图 5 EBSM 成形大尺寸钛合金零件

六、卢秉恒院士团队制造世界上首件 10m 级高强铝合金重型运载火箭连接环样件
国家增材制造创新中心、西安交通大学卢秉恒院士团队利用电弧熔丝增减材一体化制造技术，制造完成了世界上首件 10m 级高强铝合金重型运载火箭连接环样件，在整体制造的工艺稳定性、精度控制及变形与应力调控等方面均实现重大技术突破。10m 级超大型铝合金环件是连接重型运载火箭贮箱的筒段、前后底与火箭的箱间段之间的关键结构件。该样件重约 1 吨，创新采用多丝协同工艺装备，制造工艺大为简化、成本大幅降低，制造周期缩短至 1 个月。目前，采用增减材一体化制造技术成功完成超大型环件属国际首例。

图 6 10m 级超大型铝合金环件

七、《中国增材制造产业年鉴（2020）》发布
2021 年 3 月 27 日，中国增材制造产业联盟在 “2021 增材制造材料创新发展论坛”上发布了《中国增材制造产业年鉴（2020）》（以下简称《年鉴》）。《年鉴》是中国增材制造产业联盟组织编写的国内第一本专注于增材制造领域的资料性工具书，内容编写集权威性、专业性、指导性、学术性和综合性于一体，真实地记录了我国增材制造行业的发展过程。通过翔实的数据信息和权威的专家视点，科学、系统、真实、全面地对行业进行了梳理和汇总，客观反映了行业发展所面临的问题。《年鉴》深入地挖掘产业链、价值链的优质单位，为我国政府部门出台增材制造产业相关政策法规和企业制定相关战略规划提供重要参考和有效借鉴。

图 7 中国增材制造产业年鉴（2020）

八、我国成功完成首次太空增材制造
2021 年 5 月，我国在新一代载人飞船试验船上搭载了一台增材制造装备，这是我国首次太空增材制造实验，也是国际上第一次在太空开展连续纤维增强复合材料的增材制造实验。飞行期间，该系统自主完成连续纤维增强复合材料的样件打印，并验证了微重力环境下复合材料增材制造的科学实验目标。连续纤维增强复合材料是当前国内外航天器结构的主要材料，密度低、强度高，开展复合材料空间增材制造技术研究，对于未来空间站长期在轨运行、发展空间超大型结构在轨制造，具有重要意义。此次制造的成功，将为未来空间站在轨的长期运行、维护以及扩建打下良好基础。

图 8 在太空开展连续纤维增强复合材料的增材制造实验

九、我国牵头制定的首项增材制造国际标准正式发布
2021 年 10 月，国际标准 ISO/IEC23510:2021 Informationtechnology-3D printing and scanning-Framework for anAdditive Manufacturing Service Platform (AMSP)《信息技术3D 打印和扫描增材制造服务平台(AMSP) 架构》正式发布。该标准由全国增材制造标准化技术委员会秘书处承担单位——中国机械总院中机生产力促进中心专家牵头负责，是中国在增材制造领域牵头制定的第一项国际标准，标志着我国在该领域国际标准化工作实现零的突破。

图 9 中国专家牵头制定第一项国际增材制造标准

十、增材制造技术首次用于文物提取
2021 年 3 月，在三星堆三号坑出土过程中，考古人员利用三维扫描仪搜集大口尊的形态数据，用增材制造出一模一样的石膏模型。用石膏模型制作贴合严密、保护性强的保护套，将保护套贴合在大口尊上后，再使用套箱的方式提取文物。这是增材制造首次用于文物提取，可有效避免文物在运输过程中的损伤，是增材制造作为中间件的典型应用。

图 10 增材制造技术首次用于文物提取

政策追踪
（一）国家药监局器审中心发布系列增材制造相关指导原则
2022 年 2 月 28 日至 3 月 3 日，国家药品监督管理局医疗器械技术评审中心陆续发布 3 条增材制造相关产品及技术指导原则：《增材制造聚醚醚酮植入物注册审查指导原则》《增材制造金属植入物理化性能均一性研究指导原则》《增材制造口腔修复用激光选区熔化金属材料注册审查指导原则》，相关指导原则的内容概述如表 1 所示。

表 1 增材制造相关指导原则

增材制造口腔修复用激光选区熔化金属材料注册审查指导原则指导注册申请人对增材制造口腔修复用激光选区熔化金属材料注册申报资料的准备及撰写，同时也为技术审评部门对注册申报资料的审评提供参考。 增材制造相关指导原则是国家药品监督管理局医疗器械技术评审中心首次发布增材制造领域的相关指导原则，对协助相关骨科植入物、口腔修复注册审查和保证增材制造金属植入物质量均一性具有指导性意义，也预示未来增材制造齿科和骨科植入物在医疗领域将有广阔的应用规模。

（二）教育部再批准 7 所大学开设增材制造专业
2022 年 2 月 24 日，教育部公布的《2021 年度普通高等学校本科专业备案和审批结果》名单中，新增 1961 个专业点、撤销 804 个专业点，31 种新专业列入《普通高等学校本科专业目录》。其中，哈尔滨工业大学等七所高校开设“增材制造工程”专业。
教育部在本科专业设置调整工作中，支持高校主动服务国家战略、区域经济社会和产业发展需要，设置符合办学定位和办学特色的专业；引导高校用好学科交叉融合的“催化剂”，推进新工科、新医科、新农科、新文科建设，增设文理、理工、医工等交叉融合的新专业。

表 2 新增专业门类名单（增材制造）

（三）“增材制造设备操作员”职业入围“最缺工”
的 100 个职业排行2022 年 2 月 22 日，人社部在例行新闻发布会上发布了2021 年第四季度全国招聘大于求职“最缺工”的 100 个职业排行，其中“增材制造设备操作员”岗位排在第 90 位，体现出行业基层生产人员的匮乏。

表 3 2021 年第四季度全国招聘大于求职“最缺工”的 100 个职业排行（部分）

当前人才短缺正成为制约产业发展的主要短板之一，未来数年，增材制造领域研发、工程、设计、应用的方面人才将达到 800 万人，目前我国增材制造人才培养体系尚未完善，企业研发能力薄弱、受业环境恶劣、及个人职业发展规划等因素的影响，造成人才流失现象普遍存在。目前亟需加强高素质人才培养和集聚，夯实增材制造创新发展基础，优化增材制造人才发展环境。

技术进展
4D 打印技术研究进展
4D 打印是指利用增材制造技术（3D 打印技术），制造出在预定的刺激下（如放入水中，或者加热、加压、通电、光照等）可自我变换物理属性（包括形态、密度、颜色、弹性、导电性、光学特性、电磁特性等）的三维物体。它直接将材料与结构的变化设计内置到物料当中，简化了从设计到实物造物过程，实现了产品设计、制造和装配的一体化融合。

4D 打印的附加维度主要是指时间维度，目前研究方向主要集中在开发能够响应外界刺激的智能材料。目前，在 4D打印中应用较广泛的材料有形状记忆聚合物、天然纤维、形状记忆合金。通过将材料的智能特性与增材制造技术相结合，可以实现产品对外界刺激的整体响应。根据打印部件对外界刺激的响应源不同，可分为水、热、磁、电、光等多种驱动方式。

一、水驱动 4D 打印
水驱动 4D 打印部件通常由亲水性材料作为基质组件，当驱动部件与水分子结合时，体积发生变化或发生变形。水驱动 4D 打印技术的打印材料相对容易制造，仅需要简单的打印工艺和材料，就可实现较大灵活度的变形。它有望应用于人体、水下机器人等领域。然而，由于使用水响应型智能材料的部件高度依赖于水环境，因此实现远程精确控制是具有挑战性的。

图 11 仿生花形状变化

二、热驱动 4D 打印
热驱动 4D 打印技术通过调节温度激活形状记忆材料，以控制部件的变形，能响应热刺激的热塑性形状记忆聚合物或形状记忆合金被用作热驱动 4D 打印材料。热驱动形状记忆聚合物比形状记忆合金更容易制备，因此被广泛应用于热驱动 4D 打印技术的研究。热驱动形状记忆聚合物的形状记忆功能源于其分子链组分在温度刺激下的玻璃化转变或熔融转变。

基于驱动 4D 打印原理，首尔国立大学（韩国）利用两种加热产生不同热应变的纤维材料制造了一个能实现弯曲的抓取结构。抓取结构由“手掌”和“手指”组成，“手掌”是一个预制的结构件，手掌上安装了三个“手指”。加热时，三个手指弯曲变形以抓住目标物体。温度控制直接影响热驱动 4D 打印元件的响应效果和响应时间。环境温度的变化很难在短时间内完成，这对快速实现元器件的响应过程是一个挑战。

图 12“手指”实现抓取动作

三、磁驱动 4D 打印
磁驱动 4D 打印技术是通过磁场激活并控制 4D 打印部件。主要有直接响应和间接响应两种实现方式：直接响应法是将混合有磁性颗粒的基质固定成临时形状，并将其置于磁场中，改变磁性颗粒中的磁畴。当再次施加相同的磁场时，基体中的磁性颗粒的磁场会对施加的磁场做出响应，从现形状记忆。间接响应法是基于磁性颗粒在磁场中的磁热效应，利用热量驱动元件，该方法是热驱动方法的变体。中国科学院金属研究所研究了含有软磁铁颗粒的复合打印油墨材料。这种材料是由聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性基体成分制成的，以实现形状恢复功能，用 PDMS/Fe 墨水制成的蝴蝶样品的翅膀可以在外加磁场中快速拍动，变形过程在 0.7s 内完成。其响应速度远快于热驱动材料和水驱动材料。

图 13 仿生翅膀变形过程

四、电驱动 4D 打印
电驱动形状记忆效应主要是利用电流的电阻加热效应。通过嵌入具有电热效应的材料(如电热丝、导电填料等)。在该部件中，当加热材料被通电时，形状记忆效应被激活。这种驱动方式的优点是不需要改变外部环境温度，因此具有更高的加热效率和更快的响应速度。通过放置加热材料可以控制部件的局部变形。

基于 FDM 原理，哈尔滨工业大学利用碳纤维增强聚乳酸形状记忆复合材料(CFRSMPC)制造了 4D 打印元件。碳纤维既是增强材料，又是热源。测试结果表明，4D 印刷CFRSMPC 在 75s 内完成了电致形状记忆效应，试件的形状恢复率在 95%以上。

图 14 CFRSMPC 板形恢复工艺

五、光驱动 4D 打印
光驱动4D打印是指以光作为激发源来改变4D打印组件的结构或外观。亚琛工业大学（德国）医研究了含有CINNAMON 官能团的聚合物可以通过紫外线照射变形并固定成预定形状，例如拉长的薄膜和管、拱形或螺旋形,加热到50℃，变形也能保持较长时间的稳定。当它们暴露在不同的紫外光波长下时，它们可以在环境温度下恢复原来的形状。

图 15 条带变形过程

朱拉隆功大学工程学院（泰国）研究了近红外(NIR)光激活的形状记忆聚合物，并以生物材料为原料合成了具有形状记忆性能的 V-fa/ECO 聚合物。合成材料的共聚物可以直接用作打印材料，而不需要使用其他聚合物作为基质材料。当打印材料中 ECO 的质量分数超过 50%时，在波长为 808nm的近红外光下，打印样品可以在 30 秒内被远程驱动，并且具有很高的回收率。

图 16 不同比例 V-fa/ECO 共聚物在近红外光下的形状恢复速度

光驱 4D 打印技术可以实现远程精确控制。然而，当部件受阻或打印材料的透明度不好时，该驱动方法很可能失败，从而限制其应用。
4D 打印的研究工作需要广泛整合材料科学、信息科学、机械工程、力学等学科的专业知识，实现增材制造技术与智能材料的深度融合。4D 打印技术的最终目的是直接制造具一定智能功能的结构，从而简化结构的复杂性，减轻结构的重量，这对提高结构的智能化具有重要意义。目前，4D打印技术已在机器人、航空航天、生物医学、食品开发等领域显示出巨大的应用潜力，随着科学技术的进步和研究的深入，4D 打印技术将在上述领域得到更广泛的应用。
行业动态
（一） 第一本中国增材制造专业期刊首期出版
2022 年 2 月 15 日,Additive Manufacturing Frontiers(《增材制造前沿》)正式创刊发文。该期刊是由中国科协主管、中国机械工程学会主办的英文学术期刊，是 Chinese Journal ofMechanical Engineering（《中国机械工程学报》）的子刊。期刊编委会由全球 43 位顶尖科学家组成，其中包括 11 位中国工程院、法国工程院、欧洲科学院院士。国家增材制造创新中心主任、中国工程院院士卢秉恒担任主编，法国国家技术科学院院士 Alain Bernard 担任共同主编，西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室主任李涤尘担任执行主编。中国工程院院士王华明、香港城市大学德国技术科学院院士吕坚、清华大学教授林峰、南京航空航天大学教授顾冬冬、西安交通大学教授田小永和国家增材制造创新中心教授文婷担任副主编。

图 17 杂志封面

（二）Relativity 将发射全 3D 打印火箭
美国 Relativity Space 公司将发射一款完全增材制造技术生产的两级运载火箭。它不仅是第一个完全由增材制造的火箭，也是有史以来最大增材制造金属物体。

Relativity Space 创始人是一群年轻的增材制造爱好者，公司最早致力于利用增材制造技术制造火箭发动机和助推器，将运载会火箭的零件数量从 10 万个降到 1000 个以下。此次将要发射的火箭 Terran 1，高 35 米，直径为 2.3 米。火箭所配备的发动机 Aeon1 发动机只有 100 个零件，而且由于其简约性，利用增材制造技术可实现小于 20 天整体生产。目前航空航天工业正处于繁荣发展时期，这一举措也向世人展示增材制造技术在航天工业带来变革的最好契机。

图 18 火箭 Terran 1

（三）600MPa 超高强铝粉材研制成功近日，江西宝航新材料有限公司成功研制是一种适用于激光选区熔化（SLM）工艺的超高强度铝合金粉材，具有极高的抗拉强度（620MPa）和良好的塑性（8%）。材料表 4是该公司超高强度铝合金与其他铝合金性能对比。

表 4 铝合金材料性能

该材料为 Al-Mg 合金体系，公司命名为 HS6001，相较于 Al-Mg-Sc-Zr 合金而言，具有更高的强度，有望应用于航空航天及国防军工领域对对轻质高强材料的特别需要。目前江西宝航已开展研制 800MPa 强度铝合金金属粉材的相关研制工作。

图 19 HS6001 超高强度铝合金粉材形貌

典型应用
（一）增材制造技术制造冬季奥运会火炬
2022 年 2 月 4 日晚，增材制造技术制造的奥运火炬在冬季奥运会开幕式亮相，成为冬奥会开幕式的点睛之笔。

图 20 冬季奥运会火炬

哈尔滨工业大学及哈特三维科技有限公司共同对奥运火炬开展研发和制造。哈尔滨工业大学苏彦庆教授团队对工艺进行优化，对燃烧器工艺进行了改进和系统验证，最后成功制备出完全满足要求的氢火炬及其燃烧系统；哈特三维技术团队配套研发了新型打印工艺，进一步提升了打印效率和打印火炬内部质量，保证火炬内部的致密度接密性要求和火炬表面抛光质量，满足了火炬生产的各方面要求。

（二）增材制造技术制造短道速滑冰刀
湖南华曙高科技股份有限公司与中国奥林匹克委员会奥运会备战办公室签署协议，采用金属增材制造技术为参加北京奥运会的中国短道速滑队提供装备优化解决方案，为运动员量身定制轻量化、个性化新型短道速滑冰刀，为国家队征战 2022 北京冬奥会贡献出一份力量。

图 21 短道速滑冰刀

华曙研发团队通过分析运动员在短道速滑转弯中的动作，采集运动员作用在冰刀上的数据，得出冰刀受力工况，并对冰刀刀管进行轻量化拓扑优化，保证了刀管的流线型外观及质量、横向和切向强度的几何优化设计，满足了安装、定位、加工等工艺需求。
传统冰刀刀管采用铝合金材料生产，华曙研制冰刀刀管则采用了高强铝合金材料-铝镁钪合金，该合金具有比强度高，塑性好、耐高温等特性。华曙研发团队自主研发装备上，成功开发了高强铝合的工艺参数，高强合金打印的结构件，具有比传统铝合金更高的强度，且能替代钛合金部件，达到减重降费的效果。 （三）宝马公司增材制造鞋钉用于冬奥会

2022 年冬奥会上，宝马公司利用增材制造技术为德国的雪橇运动员打印了一批鞋钉。使用增材制造技术，一方面鞋子整体质量变得更轻，另一方面改善了整个前掌区域的抓地力分布，最终重要的是钉鞋损坏的钉子可以快速地更换，实现可持续化。

宝马公司近些年采用增材制造与先进工艺结合创造了很多新的应用场景，目前生产的运动员装备已被用于历届冬奥会：2010 年，BMW 使用增材制造技术制造出轻便、安全系数高的靴子。该靴子的制造材料减少到原重量一半的程度，并且利用特殊结构设计使靴子增加了与地面的摩擦力。

图 22 为设计中添加个性化元素

成员展示
中机新材料研究院（郑州）有限公司
中机新材料研究院（郑州）有限公司（以下简称“中机新材”）是由郑州市人民政府、中国机械总院、郑州高新区、北京机科国创轻量化科学研究院于 2021 年 5 月签约共建。中机新材于 2021 年 7 月 8 日在郑州高新区注册成立，总投资 2 亿元。中机新材依托国家轻量化材料成形技术及装备创新中心、先进成形技术及装备国家重点实验室最新技术成果，开展成果转移转化。目前，中机新材核心研发团队 50余人，占公司总人数 51%，其中硕博士占比达 83%。中机新材建设有超高速激光熔覆技术实验室、增材制造技术实验室、工模具加工及延寿技术实验室、增材制造材料实验室、数字化设计与智能制造技术实验室五个专业实验室。主营业务包括金属粉末产品、粉末钢产品，可提供超高速激光熔覆加工服务、3D 金属打印服务以及数字化模拟仿真服务及各类检验检测服务。

图 23 中机新材料研究院（郑州）有限公司

中机新材科研创新团队曾承担国家“十三五”新材料技术领域重大专项，承担国家重点研发计划、973、863、支撑计划、工信部重大专项等项目，以及近百项提高企业创新能力、促进区域经济发展的技术研发项目。拥有 24 项高水平专利，其中 6 项国际专利，曾获国家科学技术进步二等奖、机械工业优秀创新团队、中国机械工业科学技术奖（科技进步奖）一等奖、中国发明专利银奖等荣誉和奖项。中机新材围绕高性能金属粉末材料制备及应用，服务国家新材料与先进制造行业发展。

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