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解读:世界各国3D打印产业发展路线!

  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。在经济全球化和工业全球化的今天,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全球3D打印行业的发展现状,笔者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

  美国3D打印行业现状

  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。在这方面,中国与美国对比,真是“高佬摔跤——差得远啊”。

  在国家战略层面,奥巴马总统2011年出台了“先进制造伙伴关系计划”(AMP);2012年2月,美国国家科学与技术委员会发布了《先进制造国家战略计划》;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最关键的制造技术之一;2012年4月,“增材制造技术”被确定为首个制造业创新中心;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,美国国防部、能源部和商务部等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领导组织——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,以推进节能高效的制造工艺。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。

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