《智能制造实践》：增材制造技术在部分行业领域的应用案例分享

以下文章来源于智造苑 ，作者小智

导读

本文介绍了增材制造技术在部分行业领域的应用案例 ，供大家参考。

文章来源

本文改编自智能制造丛书最新力作：《智能制造实践》（作者：黄培，许之颖，张荷芳）。该书已出版。

在增材制造技术应用市场中，航空航天、生物医疗、汽车制造等领域占据了前几位，下表1中列出了一部分应用实例。 航空航天领域，增材制造由于其独特的应用优势，可满足高精度、复杂形状、小批量的生产要求，正在成为此领域中广泛使用的技术。生物医疗是另一个重要领域，目前已成功应用的产品包括颅骨植入物、牙冠、牙套、助听器等。汽车制造领域，增材制造技术为车身轻量化、灵活性设计与生产提供了全新的方向。文化创意领域，除装饰品、工艺品外，还逐步应用到更多细分领域中，如比利时Materialise公司利用3D打印技术生产的时装，具有复杂的几何图案和独特材质。

表1 增材制造部分实例

01

航空领域

空客、德国利勃海尔、开姆尼茨工业大学等机构研发的3D打印飞机扰流板液压歧管以Ti64钛合金为材料，使用SLM技术制造，与其他液压零件装配在一起，实现液压系统性能提升和飞机燃油效率优化。装载了首个增材制造液压件的A380飞机已试飞成功。空客公司还实现了其ULTEM 9085增材制造材料的标准化，并可将其用于A350 XWB飞机飞行零件的生产中。

美国Optomec Design公司将LSF技术应用于美国海军飞机发动机零件的磨损修复，实现了已失效零件的快速、低成本再生制造。

西安铂力特利用SLM技术，解决了随形内流道、复杂薄壁、镂空减重、复杂内腔、多部件集成等复杂结构问题，每年可为航空航天领域提供复杂精密结构件8000余件[1]。

在北航、西安铂力特等院企的攻克下，通过金属增材制造技术成功研制出了钛合金主风挡整体窗框、起落架整体支撑框、中央翼缘条等关键部件，共装载了23个增材制造零部件，大大提高了C919的国产化率。

航天一院利用激光同步送粉增材制造技术成功实现了长征五号火箭钛合金芯级捆绑支座试验件的快速研制，也是激光同步送粉增材制造技术首次在大型主承力部段关键构件上应用。

02

汽车制造领域

梅赛德斯奔驰使用增材制造技术实现节温器盖的生产，原材料为耐高温的铝，与用传统方法生产的零件有着相同的功能、可靠性、耐用性和成本效益。

德国联邦铁路公司已完成了对全球首辆增材制造物联网迷你巴士Olli的载人测试。Olli是由知名美国增材制造汽车公司Local Motors与信息巨头IBM联手开发，采用了增材制造的外壳，搭载了著名的IBM Watson云计算平台，具有强大的自主学习能力，可实现完全的自动驾驶（图1）。

图1 迷你巴士Olli及其增材制造外壳

安徽恒利公司利用SLS技术和石膏型真空增压铸造技术融合，实现一体化制造双金属复合发动机缸体，改变传统开模具和组砂型铸造的模式，已成功应用在奇瑞汽车、东风汽车、广汽、全柴等企业。

03

生物医疗领域

苏黎世联邦理工大学的功能性材料实验室研究人员利用增材制造技术制造出一种硅树脂心脏，该人造心脏可持续约3000次心跳，大约30到45分钟（图2）。

图 2 增材制造技术制造的硅树脂心脏

美国莱斯大学和贝勒医学院的生物工程师和科学家已经开始将人类内皮细胞和间充质干细胞结合起来，增材制造功能性毛细血管。

国内迈普再生公司研发的生物增材制造装备，可满足对非均质多种材料三维结构的成形要求以实现复杂组织器官快速制造，并突破了现有装备的打印精度、速度和效率等性能瓶颈。

04

模具与铸件领域

增材制造技术可用于模具制造中成形、铸模、机械加工、装配等环节，特别是用于制造几何形状复杂的构件、刀具和夹头。如Mapal公司与Concept Laser公司合作，利用激光熔融工艺制造镶片内冷却麻花钻头、液压膨胀夹头和外圆铰刀等。 增材制造的模具生产周期更短、制造成本更低，也使得企业可制造大量的个性化工具来支持定制部件的制造。

05

其他领域

西门子用增材制造设备生产的直径108mm叶轮零件已安装在克尔斯科核电站的水泵上，具有很高的安全和可靠性标准。

美国Hughes实验室利用硅、氮和氧组成的树脂配方，通过紫外光固化快速成形工艺，获得高强度、全致密的陶瓷材料，可承受1700摄氏度的高温，强度是同类材料的10倍。

中国核动力研究院与企业合作研发的重型金属增材制造技术，成功打印出我国首个小堆压力容器试件，标志着增材制造核电压力容器最艰难的材料基础研发和工艺研发的突破。

增材制造技术在消费级、工业级领域应用热度一直很高，伴随着增材制造技术的快速发展，将继续深化已有领域的应用，并扩展新领域的应用。

当前，全球增材制造技术发展正处于快速商业化阶段，市场以欧美企业为主导，中国企业紧随其后。英国Autonomous Manufacturing（简称AMFG）发布的《2019年增材制造白皮书》中绘制了全球增材制造全景图（图3），包括：

① 硬件制造商（塑料3d打印机、专业级桌面机、金属3D打印机、陶瓷3D打印机及电子3D打印机）；

② 软件供应商（设计和CAD，仿真软件、工作流程软件和安全类软件）；

③ 材料供应商（塑料材料、复合材料、金属材料等）；

④ 质量控制与检测（过程中质量控制软件、质量检测）。

图3 增材制造产业链全景图（来源：AMFG）

按照产业链的价值，可以将增材制造市场划分为材料、软件、技术和服务四个维度。从服务的维度，全球的增材制造厂商主要概括为三类：

◉ 一类 是以美国3D Systems公司和Stratasys公司为代表的综合性增材制造技术厂商，他们从设备制造商起家，通过研发与并购不断向上下游拓展延伸业务，将材料、软件、服务等技能逐步收入囊中，逐步演变为可以提供综合增材制造解决方案的厂商；

◉ 第二类 是提供增材制造工作流程解决方案与打印平台的厂商，例如Materialise、Shapeways等，这类厂商不生产增材制造设备，提供全面的支撑增材制造过程的设计、优化和管理软件系统，支持各种品牌的增材制造设备，其中成立于1990年的Materialise拥有业界最大的软件开发团队与全球顶级的增材制造工厂，其经过认证的生产和质量流程能满足要求最高的行业服务的标准，全球多家知名汽车公司、航空制造公司以及电子消费品公司都是Materialise的客户；

◉ 第三类 是各行业巨头直接进军增材制造领域，扮演增材制造技术厂商的角色，例如，美国工业巨头通用电气旗下具备了增材制造全产业链的支持，从金属增材制造设备到三维建模软件和服务系统等，GE Additive都可以为客户提供相应服务和整体解决方案。

相较于欧美，我国的增材制造技术差距还很大，商业化多依赖于国家相关政策和部门的扶持，包括国家专项扶持基金、航空航天及军工等企业对增材制造技术的支持。近几年，我国增材制造产业步伐明显加快，市场规模实现了快速增长。根据工信部装备工业一司发布的数据：2020年1－12月，全国规模以上增材制造装备制造企业营业收入105.2亿元，同比增长14.6%，实现利润总额9.7亿元，同比增长142.5%。这从侧面显示了我国的增材制造市场发展潜力巨大，未来发展可期。

目前，我国增材制造产业规模初步形成，涌现出一批具备一定竞争力的骨干企业， 典型代表包括太尔时代、先临三维、铂力特、鑫精合、华曙高科、飞而康、闪铸科技、悦瑞三维、汉邦科技、安德瑞源、易加三维、科恒、未来工厂、云铸三维、联泰科技、敬业增材、光韵达医疗、德科精密科技、黑格科技、永年激光、雷佳、捷诺飞、共享集团等，他们为增材制造技术的发展提供了有力的支撑。2019年，专注于工业级金属增材制造的铂力特成功在科创板挂牌上市，标志着我国的增材制造成长空间逐步打开，对我国增材制造技术的发展带来了积极的推动作用。图4是我国部分增材制造厂商。

图4 我国部分增材制造厂商

参考文献

[1] 中国增材制造产业联盟.中国增材制造产业发展报告（2017年）[R].杭州:中国电子信息产业发展研究院,2017.

转自公众号：数字化企业

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韶钢的“智能制造”

今年的政府工作报告再次重申“人工智能”“智能制造”的重要作用，提出要推进工业强基、智能制造、绿色制造等重大工程，先进制造业加快发展。近年来，我国钢铁工业大力推进智能制造，在自动化、智能化、管理信息化上取得了一定成绩，促进了生产力的提升，为重塑传统产业、加快转型升级提供了重要的推动力。

针对当前智能化水平低、产线效率不高等现状，基于国家十三五规划和中国制造2025的战略要求，聚焦新发展理念，依托工业互联网和大数据分析，通过两化融合，转变生产管理模式和商业模式，优化全流程资源配置，实现物流标准化、制造流程化、组织扁平化，成为“安全可控、环保达标、效率领先、效益持续”的区域性优秀企业。公司以产品制造智慧化、组织业务智慧化、设备维检智慧化、物料运输智慧化、员工作业智慧化、专业运作智慧化为目标，大力投资“智脑”改造，全力打造钢铁智能制造示范基地。

智能制造2017

2017年以来，公司围绕“机械化换人、自动化减人”，按照“投资小、见效快”的原则，梳理了一批智能制造项目，促进了劳动效率和安全本质化水平提升。通过滚动评审立项、月度例会推进、动态跟踪，实施了“自动化立体仓库改造”等30项智能制造项目，全年项目累计投资额达1.52亿元。公司信息化建设红利正稳步释放，打造“智能工厂”开局良好。

智能立体仓库

智能监控大厅

智能制造2018

2018年，韶钢将着眼智能制造前沿科技态势，结合自身装备特点和管理要求，创新驱动，重点通过“应用图像识别”、“远程监控”、“光机电一体”等技术，力争全年完成超过30个智能制造项目，探索实现“装备自动化、少人化、无人化”升级改造。

智能制造2018—2020

终极目标

实施步骤

100项智能制造工程

未来的样子

未来3年~5年，机器人陆续“上岗”。这些机器人将重点分布在重复简单劳动和高温、粉尘等作业环境恶劣的岗位，不仅能减少人力、降低劳动强度，还能提高操作精准度，提高产品质量。

转炉炼钢工艺模型化

煤气管网阀门远程监控

建设一套集数据、信息采集控制系统、视频监控系统、语音警告等功能为一体的安全运行监控系统，系统采用集中监控方式，集中监控站远离危险场所，系统功能基本要求实现：离散式控制系统；视频监控系统。

智能制造改造完成后，可实现管网的阀门的远程集中监控，提升管网设施故障时的应急处理能力。

第一阶段对公司主管网部分电动阀门实施远程操作与视频监控，实现部分人工盲板改为电动盲板，再实施电动盲板远程操作与视频监控。第二阶段人工盲板全部改为电动盲板，再实施电动盲板、电动蝶阀远程操作与视频监控，并实现联锁功能，实现全部集中监控。

未来3年，韶钢全面推进智能装备、智能工厂、智能互联、IT 基础变革等智能制造4大方向，设备管理、物流、炼铁、炼钢、轧钢、质量管理、检化验、能源管理、煤气管网、安全管理、信息化等10类系统（工序）项目的落地执行，旨在提升成本、品质、服务竞争力，形成竞争新优势，把韶钢打造成华南地区最具竞争力钢铁产品及服务供应商，成为宝武集团高端棒线材制造基地。

宝武未来钢厂

未来的钢铁厂智能车间长啥样？

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宝武钢铁集团

钢铁行业唯一入选工信部

《智能制造试点示范专项行动实施方案》

目前，宝钢股份1580热轧智能车间，已成为工信部智能制造的示范试点。 据了解，在最近2年里，宝钢股份已筛选23个试点项目，预计投资超过10亿元。在智能装备层面，正在高炉炉前作业、炼钢浇钢、冷轧锌锅捞渣等区域推进机器人应用的实践，目前在役及实施中的机器人总数达149台套。一些仓库完成了无人化改造，同时正在开展无人化智慧料场的建设。智能车间将在2017年全面完成。据预测，项目完成后，1580智能车间能源利用率、全自动轧钢率、劳动效率将分别提升5％、6％和10%，成本下降20％，钢铁制造将更安全、更高效、更环保，预计年经济效益超过3200万元。

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无人化 板坯 库

自动识别板坯信息

板坯可自动吊装至指定位置

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全流程质量监控

实时调控炉内燃烧状态，节省能耗

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翘扣头检测，保持中间坯的质量

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实时动态智能调整轧制过程

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根据过程参数，实现成品性能预报

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机器人应用

机器人自动喷涂编号

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智能点检

远程终端随时查看、诊断设备状态

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来看视频

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宝钢1580热轧智能工厂，建议在WIFI下观看

在智能工厂层面，宝钢财务领域已完成全流程精细化成本盈利分析系统的建设；出厂物流正在组织实施车辆的智能调度和管控，以提升运输效率；设备领域正在开展关键设备在线监测与诊断平台的建设，实现设备状态的预测、预警。在智能互联层面，致力于实现虚拟服务网络与实体服务网络的融合，推动供应链的深度协同。

到2021年末，宝钢股份机器人应用实现置换人工超过2000人，机器人应用总量将超过1000套，建设、改造一批智能化产线，完成基于互联网、满足用户个性化需求的快速响应、柔性的研发、营销、制造、物流体系构建。宝钢股份在钢铁行业领先一代的新优势将通过“互联网+”和智慧制造得以实现。

湛江钢铁

●工业机器人的应用

拆捆带机器人、贴标与取样机器人、热镀锌捞渣机器人等工业机器人项目的投用和推广，持续降低员工工作负荷，改善员工工作环境，提升安全本质化水平。以1550冷轧产线工业机器人应用为例：入口拆捆带作业效率提升15%；贴标签作业效率提升8%；出口打捆带作业效率提升12%。

●无人化 少人 化智能装备的应用

原料场智能控制技术的应用：一期11台堆取料机采用“作业指令全自动化操作、3D扫描通讯传输”等技术，全部实现智能化运行。二期7台堆取料机智能化项目，计划2018年底投运。

无人化行车的应用：铁路成品库A跨3台无人化行车、1550冷轧后库5台行车和成品库10台无人化行车采用多项检测、控制新技术，实现高效稳定运行。

自动包装机组的应用：1550冷轧连退、热镀锌，硅钢退火涂层产品包装采用高自动化技术的自动包装设备，机组劳动效率较传统包装机组提升50%，力争成为包装工序智慧制造的引领者。

●生产运行集中管控

将生产、设备、能环、物流、安保五大管控业务的集中部署；减少厂部级调度岗位，调度层级由三级减少到二级（公司级、作业区级）；开发高度集中的信息化管控平台，形成了公司统一的信息中心、在线指令中心、应急指挥中心。　　湛江钢铁聚焦两提两降（提升效率、提高质量、降低劳动强度、降低成本），实现2300吨钢/人年，形成全流程、全产线的数字化工厂，打造智慧钢铁制造新标杆。

沙钢-“智能制造”

2018年9月20日，作为2018年企业信息化、智能化建设的重点项目之一，沙钢动力总厂动力能源管控中心全面投入运行。在近500平方米的能源管控中心大厅，21米长、1.3米高的电子显示屏上动态显示着动力总厂各车间510处的监控画面，45台电脑页面实时显示能源系统的运行数据和各种运行操作画面。在这里，沙钢通过远程集中控制，实现了全公司能源的统一管理和平衡调度，在保证全公司生产及动力工艺系统稳定性的同时，进一步提高了整体能源的利用率和经济性。

多年来，沙钢始终坚持实施“科技领航、创新驱动”发展战略，大力推进信息化与工业化两化融合。沙钢将智能制造作为信息化、智能化深度融合的切入点和主攻方向，在推进智能化工厂建设上加大技改投入力度，加快实施步伐，取得了积极成果，为企业高质量发展注入了新的动力。

层级联动 高效推进智能化建设

“目前，沙钢集团本部人均产钢量达到1300多吨，居国内领先水平，但与国际先进水平相比还有一定差距，沙钢未来将加快信息化、智能化建设，通过智能化水平的提高，进一步改善职工工作环境，提高劳动生产率，使人均产钢量达到1600吨，力争超过1800吨，进入国际第一方阵。” 沙钢集团董事局主席沈文荣表示，未来钢铁行业的竞争将不再是价格的竞争，而是产品质量和生产效率的竞争，这就要求钢铁企业从“制造”向“智造”转型。

为更好地应用新技术、新工艺、新设备，确保安全可控、持续高效运行，并为推广示范做好技术储备，沙钢始终坚持各级单位“一把手”负责制，发挥各级单位“一把手”在智能化项目建设中的关键作用，始终坚持以业务管理部门为主导，以智能化技术部门为辅的项目建设新模式，共同促进项目建设的稳步推进。

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2015年以来，通过3年多的努力，沙钢智能化建设取得了积极成果，在降低职工劳动强度、大幅提高生产效率的同时，还提高了操作精准度、产品质量，促进了产品提档升级。目前，沙钢产品结构不断优化，优质线材等高附加值产品占比已达到50%以上。

由点及面 打造全流程智能制造生产线

“目前全行业都没有一条成熟的智能制造生产线，大家都处于摸索的阶段，有的企业行车定位做得比较好，有的在加热炉这块做得比较好，但没有一条从炼铁、炼钢到轧钢的完整的生产线。而沙钢做的就是这样一条从炼铁、炼钢到轧钢的完整的生产线。” 沙钢集团有限公司副总经理马毅表示。

2017年，沙钢申报的“高端线材全流程智能制造新模式应用项目”获得工信部批准。该项目主要针对我国高端线材产品供给能力不足，尺寸精度低，稳定性、均匀性、一致性差等问题，对转炉特钢、开坯修模和线材轧钢生产线全流程进行智能化改造。项目建成后，可以实现一键炼钢、钢水自动化处理、一键连铸，不仅大幅度减少人员、改善作业环境，而且将生产出能填补国内空白的高端线材，进一步提升沙钢在世界钢铁行业的竞争力。

“今年初以来，我们全力推进高端线材全流程智能制造项目实施，在炼钢方面主要抓好仿真平台、智能物流调度系统和转炉自动出钢3个大项。”马毅说。以往沙钢开发新产品的传统路径是通过钢铁研究院进行多次实验，慢慢达到预期的效果，耗费了大量的人力物力和时间。如今沙钢通过仿真平台，建立数字化生产线进行虚拟仿真生产，大大缩短了研发及成果转化周期和高端线材的开发时间，同时对全流程进行质量管控来降低产品不良品率，以及采用智能设备运维保障产线设备运行的稳定性等，为钢企提供智能工厂解决方案。除了仿真平台，智能物流调度系统和转炉自动出钢也都是创新项目，目前方案都已出炉，正在有序推进，预计明年全部落地实施。

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