美国是3D打印技术的发源地,目前无论在技术还是在市场上都领先世界其他国家。
美国是3D打印技术的主要推动者。主要原因是美国将网络化制造视为其核心竞争力,而3D打印技术是美国网络化制造的关键支撑技术。美国政府认为3D打印技术的发展是提高美国制造业竞争力的一条捷径,3D打印技术使美国在与低成本国家竞争时有更多优势。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“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(NationalAdditiveManufacturingInnovationInstitute)(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。
2017年,美国在3D打印材料、新型3D打印技术开发方面做了颇多有益探索,成绩骄人;而部分增材制造企业则在尝试“3D打印农场”等新型运营模式;在美国军方强力支持下,军用3D打印技术发展迅速。
2017年3月,美国达特茅斯学院用轮烷类化合物开发出一种超强智能材料,并利用3D打印使之成为纳米级聚合物晶格立方体,进而成为4D材料,可以举起15倍于自身重量的物体,应用前景广阔。
6月,美国海军部公布了使用区块链来控制3D打印机的计划。区块链可以增强整个3D打印制造过程(包括设计、原型、测试、生产、最终处理等)中确保安全共享数据的能力。
8月,美国机器人生产商Slant Concepts将自己的3D打印业务分拆成一家独立公司Slant 3D。Slant Concepts希望用其定制设计的3D打印农场来改变3D打印太贵太慢的现状。未来,Slant 3D计划建造一个更大的农场,以到达比传统制造方法更具竞争力的生产规模。
同在8月,美国国防部授权法案(其中包括与3D打印相关的条款)获得美国国会批准,该法案要求国防部长向众议院军事委员会提交其增材制造计划。法案或许会让多个增材制造组织受益,有可能是美国军事3D打印的一个重要里程碑。
9月,美国布朗大学研制出按需降解的3D打印生物材料。该材料可用于制造图案复杂的微流体装置和动态细胞培养物,其之所以能按需降解与一种特殊的化学触发有关。此外,在材料研制过程中,研究人员还使用了立体光刻技术来制造3D打印结构。
也是在9月,美国爱达荷国家实验室开始用混合3D打印技术来生产先进的核燃料。该技术据说能提高核燃料的安全性和效率,处理任何基于铀的原料,这种能力可以使其适用于多种目的。2月,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室与加州大学伯克利分校、罗切斯特大学和麻省理工学院的研究人员共同开发出一种在几秒内创建复杂3D打印物体的技术。这个过程被称为“立体3D打印”,克服了传统增材制造的许多限制。
总体而言,2017年,美国在3D打印材料、新型3D打印技术开发方面做了颇多有益探索,成绩骄人;而部分增材制造企业则在尝试“3D打印农场”等新型运营模式;在美国军方强力支持下,军用3D打印技术发展迅速。
图表 美国3D打印市场AMC模型
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