二、欧美国家3D打印发展状况
根据最新发布的调研报告,2012年全球3D打印市场(包括产品和服务)约为22亿美元(约135亿人民币),比2011年增长28.6%。过去3年,全球3D打印的年平均增长率约为27.4%。2013年全球10万美元以下家庭3D打印机出货量将达到56507台,比2012年增长49%。预计这种打印机2014年的出货量将达到98065台,2015年的出货量将比2014年增长一倍。全球3D打印设备的安装量中,美国比例最高,占38%,日本9.7%,德国9.4%,中国8.7%。报告预计2019年将达到72.4亿美元。其间,2013年到2019年,3D打印市场的复合年化增长率为16.8%。
从行业分布来看,用于消费电子领域的打印技术仍然占主导地位,大约占20.3%的市场份额,其他主要领域依次是汽车(19.5%)、医疗和医科(15.1%)、工业及商用机器(10.8%);从区域分布来看,北美地区(40.2%)、欧洲(29.1%)、亚洲(26.3%)三大区域占主导地位,其中亚洲地区主要集中于日本(38.7%)及中国(32.9%)。
目前,比较知名的3D打印机制造商有美国的Stratasys、3D Systems、MakerBot、ExOne、Palo Alto Research Center、Hewlett-Packard,德国的Voxeljet,瑞典的ArcamAB等。
美国政府将人工智能、3D打印、机器人作为重振美国制造业的三大支柱,其中3D打印是第一个得到政府扶持的产业。目前全球有两家3D打印机制造巨头,分别Stratasys和3D Systems,均在美国纳斯达克上市,2011年营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元,2012年股价分别翻了2倍和3倍。此外,在此领域具有较强技术实力和特色的企业/研发团队还有美国的Fab Home和Shapeways、英国的Reprap等。
1、美国总统奥巴马力挺3D打印
自2012年兴起以来,3D打印的热度一直不减,甚至有人将其称为第三次工业革命,奥巴马在国情咨文中也多次提及。2012年3月,为重振美国经济和美国制造,奥巴马总统提出建设全美制造业创新网络计划,并将3D打印确定为方向之一。
奥巴马总统在国情咨文中谈到3D打印以及这项技术的重要性时指出:“制造业在经历了10多年就业人数不断减少之后,过去3年就业人数增加了50万。现在我们所能做的就是庆祝这一发展趋势。前年年,我们在俄亥俄州扬斯敦成立了首个制造创新中心。一间曾经关闭的仓库现在成了一流的实验室,许多新人在这里研发3D打印技术,3D打印有可能革命化我们制造几乎所有产品的方式。这在其他地方也可实现。”奥巴马还宣布再成立3个这样制造中心,在这里企业将与美国国防部和能源部合作,把在全球化上落后的地区转变成全球高上市,2011年营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元,2012年股价分别翻了2倍和3倍。
1.1、美国最早研究钛合金3D打印
钛是一种密度只有钢铁的一半,强度却远胜于绝大多数合金的材料,被广泛用于航天航空业。美国是最早开发钛合金3D打印技术的国家。1985年,美国就在国防部的主导下秘密开始了钛合金激光成形技术的研究,并在1992年公之于众。随后美国继续研发这一技术,并在2002年将激光成形的钛合金零件装上战机试验。
然而,因为在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决,美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。2005年,美国从事钛合金激光成型制造业务的商业公司Aeromet由于始终无法生产出性能满足主承力要求的大尺寸复杂钛合金构件,没有实现有价值的市场应用而倒闭。美国的其他国家实验室也无法攻克这一难题,目前只能进行小尺寸钛合金部件的打印和钛合金零件表面修复。
2013年,美国Sciaky公司宣布,他们已经成功掌握了突破性的直接制造技术,使用电子束进行钛合金3D打印。Sciaky公司的直接制造解决方案基于添加剂的制造原理,是PSU应用研究实验室(ARL)采用的关键技术之一,目的是生产高品质的金属零部件。Sciaky公司的DM解决方案是唯一的大规模完全可编程的解决方案,可制造近净形零件,材料包括钛、钽、铬镍铁合金及其他高价值金属。该解决方案结合了计算机辅助设计(CAD)、Sciaky最先进的电子束焊接技术和添加剂分层处理,所制造的零件尺寸可以达到5.8米×1.2米×1.2米。