堆积制造前景可期 材料工艺面临挑战

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1、近年来，新一轮世界科技革命正在进行，第三次工业革命加速孕育，以3D打印机为代表的堆积制造业正成为第三次工业革命的重要标志。堆积制造改变了过去通过去除多余材料进行加工生产的制造模式，通过逐层堆积材料进行直接生产，带来制造工艺、制造模式的根本变革。欧、美等发达工业国家无论在堆积制造技术创新还是在应用领域都已经取得了显著进展。与发达国家相比，我国虽取得了一批基础研究成果，但堆积制造技术的产业化进程仍相对缓慢。当前，我国正处于工业转型升级的关键时期，发展堆积制造业对于抢占先进制造业发展制高点、加速工业转型升级具有重要意义。堆积制造(AdditiveManufacturing，A

2、M)技术，俗称3D打印技术，以计算机设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，用激光束或其他手段将塑料、合金等特制粉末进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。这一技术始于快速成型技术(RP)，综合应用了CAD/CAM技术、激光技术、光化学以及材料科学等诸多方面的技术和知识，目前已经发展出激光烧结技术、熔融沉积成型技术、立体光刻技术、喷墨沉积(3D打印)技术、电子束(e-beam)熔炼技术、超声波固结技术(UC)等几种类型。国际标准化组织(ASTMF42)召开的技术委员会决定，堆积制造技术是以上诸类技术的总称。当前，在全球范围内堆积制造已初步实现产业化，预计

3、未来5～10年，随着技术的不断进步及市场需求的扩大，以3D打印机为代表的堆积制造业将呈现新的发展趋势。2016年市场规模过31亿美元堆积制造技术诞生25年以来，已应用于各个行业，年均增长率接近27%。堆积制造技术诞生25年以来，已应用于从航空航天到牙科和口腔正畸等各个行业，堆积制造产品和服务收入的年均增长率接近27%。据市场研究公司WohlersAssociate发布的2012年度报告，2011年堆积制造业销售收入达16.8亿元，比上年增长29.4%。据预测，到2016年该行业市场规模将达到31亿美元，到2020年将增长到52亿美元。首先是个人应用增加。随着2000美元

4、以下堆积制造设备的引入，个人或团体爱好者越来越可能购买和使用堆积制造设备。其次是专利权的到期加速了其在国际范围的应用。早期堆积制造专利面临到期，并开始影响到新设备的开发及其在美国和海外的应用。主要国家积极推进技术应用从堆积制造应用来看，欧洲占29.1%，北美占40.2%，亚洲占26.3%，其他地区占4.4%。美国和欧洲在堆积制造技术的研发及推广应用方面具有领先地位。美国在3D打印机领域居于垄断地位，是全球3D打印技术和应用的领导者。当前，美国ZCorporation和斯特塔西（Stratasys）两家公司的产品在全球占有绝大多数市场份额。1994年，美国麻省理工学院(M

5、IT)的科研和技术专家发明了3D打印技术并申请了专利。1997年，ZCorporation公司正式成立，并将3D打印技术推向市场，其3D打印机产品在全球市场份额中占一半以上。美国Stratasys公司也率先推出了基于FDM技术的快速成型机，并很快发布了基于FDM的Dimension系列3D打印机。当前，由于FDM技术得天独厚的优势，已经在汽车、家电、电动工具、机械加工、精密铸造及工艺品制作等领域使用。欧洲紧随美国重视对3D打印机的研发应用，至今已生产出多种新产品。具有代表性的有意大利发明家恩里科·迪尼(Enricodini)发明的一台巨大的3D打印机，这台机器可以用沙子

6、直接打印立体的建筑。欧洲飞机制造公司空客公司(Airbus)正推出3D打印飞机计划，预计2050年前完成，此计划将使用机库般大小的3D打印机，制造飞机零件。其他国家也在不断加强堆积制造技术的研发及应用。澳大利亚近期制定了金属堆积制造路线；南非正在扶持基于激光的大型堆积制造机器的开发；日本着力推动堆积制造技术的推广应用；中国堆积制造设计服务市场快速增长，已有几家企业利用堆积制造技术生产机器设备和提供服务。从堆积技术的应用来看，欧洲地区占29.1%，北美地区占40.2%，亚洲地区占26.3%，其他地区占4.4%。其中，亚洲地区的应用主要集中在日本和中国。堆积制造业依然面临挑

7、战堆积制造业已经有了长足发展，但有关材料、工艺、设备和应用的挑战依然存在。(一)材料可用性目前的可用原料还不多，开始逐步从树脂、塑料扩展到陶瓷、金属，乃至最新的金、银以及强度极高的钛和不锈钢等材料。虽然已有大量的同质与异质材料混合物应用于堆积制造业，但仍然需要开发更多的材料。其中包括更好地理解已经使用的材料的加工-结构-属性之间的关系，从而了解这些材料的局限性和优点。此外，还需要开发质量测试程序和方法，以帮助扩展可用材料的种类。另外还需要为材料提供力学性能数据的规范性标准，也需要更详细的由这些材料性能制成零部件的规范信息。工程师和设计师在