为贯彻落实《国家创新驱动发展战略纲要》《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》《“十三五”国家科技创新规划》和《中国制造2025》,明确“十三五”先进制造技术领域科技创新的总体思路、发展目标、重点任务和实施保障,推动先进制造技术领域创新能力提升,科技部组织制定了《“十三五”先进制造技术领域科技创新专项规划》。该专项规划将对3D打印技术进行全面支持。
一、生产型制造走向服务型制造的趋势
1.智能正成为制造业的关键要素
越来越多的制造企业通过应用嵌入式软件、微电子、互联网、物联网等信息技术,提升产品智能化程度和研发设计、生产制造、经营管理的智能化水平,打造高端产品和装备,占据产业制高点。同时,制造装备控制技术的极大提高,使制造装备的自诊断、自维护、自恢复成为现实,并将推动制造装备向智能化阶段迈进。
2.服务促进产业模式变革,重塑制造业价值链
在同质化竞争和供大于求的全球市场环境下,制造业产业价值链的高端向研发和产品运营维护等服务生命周期转移,更多的制造企业成为提供产品、服务、支持、自我服务和知识的综合体。服务与制造相互渗透融合,从生产型制造走向服务型制造是大势所趋,产业模式向“定制化的规模生产”和“服务型生产”转变特征明显。
3.可持续发展成为制造业与自然、社会协调的重要主题
绿色发展理念逐步成为共识,激励制造企业开始重视绿色技术在产品研发设计、生产制造、销售服务和回收利用等产品全生命周期中的应用,创新高效、节能、环保和可循环的新型制造工艺和装备,不断降低资源消耗和环境影响,实现企业经济效益和社会效益的协调优化,符合经济社会可持续发展的低碳环保和循环利用要求。
4.制造大数据和平台成为高附加值增值服务的重要支撑
工业大数据是制造企业高附加值增值服务的来源,制造企业全业务数据化在对制造系统数据采集和分析形成业务数据闭环的基础上,将有效支撑企业制造过程优化和经营管理决策,促进企业对市场、用户的精准供给和企业间的资源分享利用,从而打造智慧企业,并为消费者、用户以及企业自身创造显著的增量价值。
二、重点任务
(一)增材制造
重点解决增材制造领域微观成形机理、工艺过程控制、缺陷特征分析等科学问题,突破一批重点成形工艺及装备产品,在航空航天、汽车能源、家电、生物医疗等领域开展应用,引领增材制造产业发展。形成创新设计、材料及制备、工艺及装备、核心零部件、计量、软件、标准等相对完善的技术创新与研发体系,结合重大需求开展应用示范,具备开展大规模产业化应用的技术基础。
1.增材制造控形控性的科学基础
探索增材制造自由成形过程的成形几何精度、成形效率、材料组织结构与性能的形成规律与关键影响因素和控制方法,为提升增材制造工艺技术和装备设计水平提供坚实的科学支撑,并为形成重大原创性增材制造新技术提供科学指引。
2.基于增材制造的结构优化设计技术
发展基于增材制造工艺特性,融合力学、物理与化学多种功能的结构优化设计技术,为结构整体化、轻量化、高性能化和满足声、光、电、磁、热等多功能化提供设计方法和设计软件,支撑我国高端装备的自主创新设计和跨越式技术发展。
3.增材制造专用材料制备技术
基于增材制造的工艺特性和应用需求,开展增材制造专用金属和非金属材料的设计与制备技术研究,最大限度地发挥增材制造技术优势,大幅度拓展增材制造的产业化应用领域。
4.增材制造的核心装备设计与制造技术
针对激光/电子束选区熔化、激光选区烧结、高能束金属沉积成形、光固化、激光沉积打印、微滴喷射3D打印、熔融沉积造型等已经展示重大产业化应用价值的增材制造技术,开展相关装备设计与制造技术的深入研究,占据增材制造产业价值链的高端。
5.评价体系与标准建设
研究制定增材制造的材料标准、设计标准、工艺标准、装备标准、检测标准、数据标准和服务标准等7个方面的标准体系,为增材制造的广泛产业化应用奠定基础,并显著增强我国增材制造技术的国际竞争力。
(二)激光制造
面向航空航天、高端装备、电子制造、新能源、新材料、医疗仪器等战略新兴产业的迫切需求,实现高端产业激光制造装备的自主开发,形成激光制造的完整产业体系,促进我国激光制造技术与产业升级,大幅提升我国高端激光制造技术与装备的国际竞争力。
1.激光与材料的相互作用机理
面向航空航天、新能源、电子制造、医疗等领域的国家重大需求,探索激光与材料相互作用的复杂物化过程,研究超快激光制造的新原理、新方法、新应用。开展大功率激光/短波长激光与材料相互作用机理、高精高效制造方法等方面的研究,掌握激光高品质表面制造、精细制造、极端微结构、高精高效制造等制造机制与实现方法。
2.激光器与核心功能部件
研究激光器动力学,掌握激光晶体/光学晶体、半导体激光芯片等激光器关键功能部件的国产化。针对高端制造用激光器的迫切需求,开展工业化光纤/半导体大功率激光器制造技术、工业化超快(飞秒、皮秒)激光器制造技术、工业化短(紫外、深紫外)波长激光器制造技术等方面的研究,开展激光器标准建设,实现高性能激光器及核心关键部件的国产化与产业化。
3.复杂构件表面的激光精细制造技术与装备
研究激光表面精细制造、激光清洗、激光抛光等核心技术,探索器件表面功能性结构的激光高质、高效制造机理与新技术,研究关键构件表面微结构成形机理与实现方法,并掌握激光光束路径规划及高速扫描、激光制造装备在线监测与补偿、激光制造过程精密在线检测等装备关键技术,开发航空航天、微电子、生物医疗等领域典型复杂构件的激光精密加工技术与装备,提升国产激光制造技术与装备的竞争力。
4.大功率激光高效制造技术与装备
研究特殊工况下的激光制造机理与失效行为,突破大型构件激光制造装备的设计制造技术瓶颈,攻克大型构件定位、质量在线检测等关键技术,研究激光切割、激光打孔、激光冲击强化、激光焊接以及激光复合制造等关键技术,开发面向飞机、船舶、高铁等大型构件制造中的高端激光制造技术、装备与标准。
5.先进激光精密微细制造技术与装备
针对航空航天、微电子、新型微小航空器件、光子集成器件等领域,突破激光衍射极限的纳米尺度制造、复杂微纳操纵及激光纳米连接、激光光束整形与协同控制等关键技术,开发硬脆材料高效精密制造、异种材料的激光高性能连接制造、极端微纳结构精细制造等技术与装备,并设计和加工若干具有重大应用前景的新型功能器件。
在增材制造的发展目标中,大规模产业化应用是被提及次数最多的关键词。这与3D打印以往给人以打印一些原型的印象大不相同。另外,以前提到智能制造,基本上会以提到机器人和高端机床为主,增材制造为辅,而此次将增材制造放在了重点任务的第一位,3D科学谷认为这更加体现了科技部对增材制造的高度重视。