“增材制造”为制造商提供了一套强大的工具,可以经济高效且几乎零浪费地生产任何数量的产品,这是一项突破性的发展,有望帮助振兴美国制造业。但是,要将这项技术从实验室转移到工厂车间需要什么呢?或许不足为奇的是,大量的资金注入将有所帮助——而这正是目前正在酝酿之中的。
贝拉克·奥巴马总统的国情咨文,以及最近他提出的 2014 财年预算,将美国制造业的需求提升到议程的首要位置。与美国公司几十年来一直外包的低技术生产和组装工作不同,新的制造时代将严重依赖增材制造技术和材料,这些技术和材料预计将获得数百万美元的资金,以便将它们从实验室转移到工厂车间。
3D 打印是增材制造最广为人知的形式。多年来,发明家和工程师一直使用价格从几千美元到几十万美元不等的机器来快速原型化新产品。所有增材制造工艺都遵循相同的基本逐层沉积原理,只是使用粉末或液体聚合物、金属或其他材料的方式略有不同。每个物体都始于计算机辅助设计 (CAD) 或其他类型的数字文件,这使设计师能够在实际构建之前调整他们的工作,而对成本几乎没有影响。
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在低端方面,MakerBot 3D 打印机可以使用聚合物基丝材构建梳子或雕像等基本物品。然而,工业级、生产质量的飞机或汽车零件需要目前尚不存在的增材机器和材料。这就是资金的用武之地。
特别是美国商务部 2014 财年的预算请求包括当年 15 亿美元,用于刺激新的制造方法的开发(pdf),这还不包括奥巴马政府在 2013 财年承诺的 10 亿美元投资,用于启动国家制造业创新网络,该网络是由全国多达 15 家制造研究机构组成的团体。
第一个是位于俄亥俄州扬斯敦的国家增材制造创新研究所 (NAMII),该研究所将在计划中的 4500 万美元联邦 funding 的帮助下,专注于增材制造技术和工艺的开发。国防部和能源部已提供其中的 3000 万美元,NASA、商务部的国家标准与技术研究院 (NIST) 以及国家科学基金会预计将在未来四年内投入剩余的 1500 万美元。制造公司、大学、社区学院和非营利组织已承诺为该研究所额外提供 4000 万美元的 funding。
该研究所已经有七个项目正在进行中。这些努力的范围从关于聚合物和其他材料在加热和沉积过程中如何反应的基础研究,到更工业化的应用,例如开发一种用于处理热塑性塑料的低成本、高温工艺,热塑性塑料用于制造航空和航天飞行器部件。
下面的动画展示了一种增材制造工艺——电子束熔融 (EBM)——的工作原理。EBM 从放置在机器粉末料斗中的粉末金属合金开始。机器的耙子将一层细粉末分布在构建平台上。电子束进入真空室,并按照 CAD 文件指示的图案熔化颗粒。然后稍微降低构建平台,并重复该过程,直到物体(在本例中为涡轮机)完全打印出来。
如果政府的资金得到充分利用,该工艺在几个方面可以得到改进:除了加快程序外,制造商还需要确保这些打印产品在从一个组件到下一个组件之间保持一致。他们还必须开发制造更复杂、更精细和多材料物体的方法。尽管如此,随着增材制造受到国家层面的关注——更重要的是,被纳入预算——大多数零件都将通过打印而非从原材料中雕刻出来,这只是时间问题。