3D打印有望助制造业腾飞 各国纷纷着眼该领域
- 2015-12-21 13:12:318605
3D打印，作为新时代的高科技产物，在传统产业经济持续低迷的情况下，临危受命，肩负着一部分振兴未来制造业经济的重任。作为新兴的革命技术，3D打印也在不断与时俱进，开拓创新。在经济化和工业化的今天，世界各国也都在加紧利用新兴科技来重振国民经济。那么，为了深入了解世界各国以及3D打印行业的发展现状，这里整理了世界主流发达国家3D打印行业发展相关资料，以供大家分析与解读。
美国
工业行业对3D打印的市场接受度日益增高，尤其是工业级的FDM打印机，以塑料聚合物为原材料的3D打印设备使用的不断增长，这些市场的扩张带来了设计师和创客的大量涌现，开启了设计思维的新空间，从而对金属3D打印在非关键组件的解决方案带来了加速影响。
生活、医疗等领域的3D打印产品也带来了新的法规、规范的产生，包括FDA批准的材料和工艺，如Ti-6Al-4V和PAEK的粉末床制造工艺。随着各方面市场的打开，不仅仅是监管和法规，同时也对研发人员提出了技术需求方面的新挑战。
面临的问题：
可用的打印材料成为颇被关注的领域。当前，缺乏针对于增材制造需求的商业打印材料，也缺乏针对于打印要求的材料解决方案服务能力。
研究与开发主要集中在材料开发、过程监控、设计优化、多材质打印、预测仿真、表面处理、微/纳米打印等方面的工作。陶瓷的生物相容性和高热的应用是一个挑战。当前已有几家公司的陶瓷、金属打印技术不断成熟。
设备工艺的稳定性改进及认证方面是另一个挑战。增材制造仍受材料、工艺和设备的影响很大。
重点研发方向：
当前缺乏足够的增材制造数据，设计工具的验证(有限元，计算流体动力学分析等)需要在生产环境中来进行可靠性和可重复性的测试。对基于经验的测试依赖性很高。整个增材制造行业呼唤标准化的快速实现，特别是设备的可用性和性能规格。当然，过程控制是下一个挑战。大多数加工环境是封闭条件下进行的。目前研究项目也集中在现场过程监控，过程控制主要有两种方式：一种是通过直接熔池热监控，另一种是通过间接熔池热监控。
为了更好地实现产品的优化，正趋向于对更好的优化和仿真工具进行研究。新的数学理论被应用到更好地优化仿生物理模型，探索所有的基于过程的结构-性能关系。增材制造的关注点也不再局限于轻量化或机械性能提升等方面，混合材料和复合打印正在开启增材制造的又一项潜力。包括粉体性能、热变形和表面准备的研究正在为增材制造打开更广阔的窗口。其他领域的研究和发展趋势包括超短激光脉冲，利用空气动力学聚焦纳米级别的3D打印技术等。
产业发展规划：
看完了这些，我们再来看看美国政府如何规划其增材制造的发展路线,美国政府对3D打印技术的推动作用主要体现在国家战略、路线图、研究计划及执行3个层面。
在国家战略层面，奥巴马总统2011年出台了“*制造伙伴关系计划”(AMP)；2012年2月，美国国家科学与技术委员会发布了《*制造国家战略计划》；2012年3月，奥巴马又宣布投资10亿美元实施“国家制造业创新网络”计划(NNMI)，全美制造业创新网络由15家制造业创新研究所组成，专注于3D打印和基因图谱等各种新兴技术，以带动制造业创新和增长。在这些战略计划中，均将增材制造技术列为未来美国关键的制造技术之一；2012年4月，“增材制造技术”被确定为制造业创新中心；2012年8月，作为“国家制造业创新网络”计划的一部分，位于俄亥俄州扬斯敦的美国国家增材制造创新学会(简称NAMII)成立，美国*、能源部和*等5家政府部门共同出资4500万美元，首笔资金为3000万美元；俄亥俄州、宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州的企业、学校和非营利性组织组成的联合团体出资4000万美元，该学会共获得7000万美元。这一学会实质上是一个由产、学、研三方成员共同组成的公-私合作研究机构，致力于增材制造技术和产品的开发，增强国内制造业竞争力，其目前主要研究的三项技术主题是打印材料特性和效能的研究、资格鉴定和认证测试，以及加工能力和过程控制。
在路线图层面，美国曾分别于1998年和2009年两度发布增材制造技术路线图。美国学界2009年召开的第2个面向未来10～12年的增材制造技术研发路线图研讨会，汇集了来自学界、企业界和政府的65名专家学者，为增材制造技术制定未来10～12年的研究指南。该研讨会关注增材制造技术在设计、工艺建模与控制、材料、生物医药应用、能源与可持续发展、教育和研发等各个方面的未来前景。通过整体评估认定，如果能够持续推动增材制造技术走在发展前沿，那么将创造出更大的发展机遇。这份路线图报告给出的关键建议是建立美国国家测试床中心(NationalTestBedCenter，NTBC)，推动未来该领域的设备和人力资源发展，并展示制造研究的概念。在2009路线图的基础上，北美焊接和材料结合工程技术*组织——爱迪生焊接研究所(EdisonWeldingInstitute，EWI)成立了添加制造联盟(AMC)，主要目标是提高增材制造技术的成熟度，并以国家为基础，倡导资助增材制造技术，将其从目前的新兴技术层面推进到主流制造技术层面。AMC目前包括大型企业、小型企业以及政府机构和重要的大学研究机构等33个企业成员与合作组织。
在研究计划及执行层面，美国福特走在了前面。福特正在开发一种高度灵活的新型3D打印制造技术，福特称其为自由曲面加工技术(F3T)，以降低小批量消费钣金零件所需的本钱和时间。F3T技术制造三维外形的模具仅仅需求几个小时，一旦投产，原型制造在三日内便能够完成，假如依照传统办法，则需要两到六个月。而且，F3T技术也为产品制造提供了更广的个性化选择。但目前F3T技术仍处于早期阶段，仅能提供小范围应用，还无法满足大批量消费。该技术在航空航天、国防、交通运输和家电行业中也具有宽广的应用前景。美国能源部计划对新一代产品提供704万美元的能源补助，以推进节能的制造工艺。包括福特和其他协作者在内的五个创新制造项目，初期展开阶段三年，取得了总额为235万的能源资助。
欧盟
在欧盟地七框架计划的资助下，名为“3D打印标准化支持行动（SASAM）”的项目在今年8月发布了一份3D打印标准化路线图。该路线图旨在作为欧洲标准的一个模板，其中阐述了标准化对于产业应用及现有3D打印技术标准发展的重要性，明确了标准化与优先关注标准之间的差距，终有助于产业发展符合佳实践。通过与主要的规范化或标准化机构保持联系，将能确保该目标的实现。在更加容易产业化的同时，又能节省原料保证质量。
在3D打印技术中金属材料的3D打印制造技术是难度大的，由于金属的熔点较高、金属液体固液相变、表面扩散以及热传导等多种物理过程中复杂的变量，还要考虑生成的晶体组织是否良好，整个试件是否均匀、内部杂质和孔隙的大小等等因素，为此，一般需要激光技术加以配合，激光的功率和能量分布、激光聚焦点的移动速度和路径、加料速度、保护气压、外部温度等等。一般而言，激光快速成型需要用高功率的激光照射试件表面，融化金属粉末，形成液态的熔池，然后移动激光束，熔化前方的粉末而让后方的金属液冷却凝固。周边需要有送粉装臵、惰性气体保护、喷头控制等来配套。