美國增材制造的真正實力

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發表于 2016-1-6 19:23:41 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

美國：3D打印技術研發力量雄厚
　　
美國大學研究室主要是以基礎研究為主，這些高校研究的資金主要來自NASA、能源部等大財主。金屬材料3D打印大熱，“2020年之前通用航空公司將制造出10萬個增材零件”在金屬材料研究方面，美國的優勢并不像高分子材料、納米材料等其他新材料的那樣明顯，其最發達的是金屬材料在軍事和航空航天領域的應用。
　　
眾所周知，美國的軍事、航空航天實力全球第一，這也得益于美國在這兩個領域全球領先的金屬材料研發能力。近年來，增材制造（即3D打印）迅速升溫，美國也于2012年10月在俄亥俄州揚斯頓成立了首個世界前沿的國家增材制造創新研究所（NAMII），以鞏固其在增材制造領域的優勢。
　　
在國家研究室方面，除了橡樹嶺國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室、阿貢國家實驗室、埃姆斯國家實驗室、國家航空航天局（NASA）等享譽全球的國家實驗室，還工技術國家中心等專門從事金屬材料研究室以及新近成立的國家增材制造創新研究所。
　　
美國的大學研究室主要是以基礎研究為主。除了知名的MIT、西北大學等老牌材料工程名校，還有側重金屬材料研究的康涅狄格大學等，這些高校研究的資金主要來自NASA、能源部等大財主。金屬材料研究大名鼎鼎的公司，則主要是波音、通用等。
　　
MIT發現金屬材料自我修復
　　
大學方面，麻省理工學院、西北大學、加州大學圣芭芭拉分校、伊利諾伊大學香檳分校、斯坦福大學、康奈爾大學、哈佛大學、賓夕法尼亞大學等都是傳統的材料科學工程研究頂尖院校，這些大學在細分的金屬材料方面也有著較深的研究底蘊。
　　
在全美高校之中，麻省理工學院材料工程專業全美排名第一。除了前期介紹過的納米技術實驗室、先進材料實驗室，麻省理工學院材料科學與工程系還擁有一個快速成型實驗室（RFL），主要進行金屬材料等的快速成型試驗。該實驗室始建于2007年，初始啟動資金來自于LordFoundation。目前，該實驗室RFL擁有數控銑床和車床，兩個3D打印機，激光切割機，和一個CAD/CAM工作站。
　　
自然界中的生物體在遭受損傷時具有自我康復的功能，但你一定沒聽過金屬材料也能自我修復。
　　
日前，來自麻省理工學院的材料工程系的邁克爾·戴姆克維茲教授和研究生徐國強在一項金屬特性實驗中意外發現受損的金屬也具有自我修復的功能，并通過計算機模型重現了這一修復機制。發現這個機制后，MIT的研究人員計劃進一步研究如何設計出相應的金屬合金，以便在特殊應用條件下產生自我修復的功能。“我們為之打開了通途，如何設計出可以自我復原的金屬材料不會太久。”上述研究人員稱。
　　
西北大學，材料科學與工程排名全美第二，其材料系與阿貢國家實驗室廣泛合作，尤其是光電子材料和納米材料方面。西北大學的金屬材料包括：形狀記憶合金（生物醫學植入物）、輕型車輛和高溫引擎的多元合金、金屬間化合物合金的儲氫、電子顯微技術的高級特征、合金中納米析出相的原子探針研究等。
　　
加州大學圣芭芭拉分校材料科學方面的研究位列美國前三。該學校除了擁有數個全球頂尖的納米材料實驗室，還擁有眾多與金屬材料研究相關的實驗室，包括材料研究實驗室（MRL）、多功能材料和結構中心（Cemmas）、節能材料中心（CEEM）、復合材料研究所（LosAlamos）、先進材料中心（MC-CAM）、國際材料研究中心（ICMR）等。
　　
其中，材料研究實驗室是世界公認的五大材料研究中心之一，研究范圍寬廣，在全球范圍內影響力巨大。復合材料研究所（LosAlamos）則是加州大學圣芭芭拉分校與洛斯阿拉莫斯國家實驗室合作成立研究項目，主要從事金屬復合材料和工程材料方面的研究。此外，先進材料中心（MC-CAM）則是與日本三菱化學公司（MitsubishiChemical）合作成立的研究機構。
　　
賓夕法尼亞大學，主要研究如何研發新型高強度、高韌性合金材料，致力于金屬間化合物的基礎系統研究，比如鈦鋁合金和銀鉬合金等。
　　
此外，康涅狄格大學、密歇根理工大學、田納西大學、奧本大學、新墨西哥礦業技術學院、密蘇里大學-羅拉分校、普渡大學、凱斯西儲大學、密歇根州立大學伍斯特理工學院等院校的材料科學與工程專業名氣雖不如MIT等名校，但這些學校的材料工程偏重金屬材料的研究，各有千秋。

康涅狄格大學材料科學研究所（IMS）成立于1965年，是一個先進材料研究中心，研究所占地面積達80000平方英尺。該研究所材料科學方面的研究橫跨金屬聚合物、金屬納米材料、生物醫學金屬材料等領域。此外，該研究室擁有一系列生物金屬材料、金屬材料加工、金屬機械材料測試、核磁共振及磁檢測、金屬粉末特征等相關的先進研究儀器設備。
　　
“美國學校做的也都是基礎方面的研究為主，很多學校研究資金的來源都是NASA。”一位新加坡南洋理工大學機械與宇航工程系研究員表示，“就增材制造（3D打印）涉及的金屬材料方面，美國做得比較好的學校有德雷克賽爾大學、密蘇里大學和卡耐基梅隆大學等。”
　　
“在以上大學中，德雷克賽爾大學的鈦合金、鎂合金研究比較出色，鈦合金可用于人造植入物，鎂合金可以溶解，用于飛機制造。密蘇里大學準備要做這方面的研究，最近剛爭取到資金支持；卡耐基梅隆大學研發了10年的鈦合金，但沒什么特別的成果。”上述研究員進一步表示。
　　
美國國家增材制造創新研究所陣容龐大
　　
在美國，除了世界鼎鼎有名的橡樹嶺國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室、阿貢國家實驗室、埃姆斯國家實驗室、國家航空航天局（NASA）設有專門的研究金屬材料團隊之外，還有一些并不耳熟能詳但是在高端金屬研究領域極具地位的研究所，其中包括美國金屬加工技術國家中心（NCEMT）、美國國家增材制造創新研究所。
　　
橡樹嶺國家實驗室下設一個專門的材料科學和技術部，該部門是由之前的凝聚態物質科學部和金屬與陶瓷部整合而成的，金屬方面的研究涉及合金、材料在極端環境，如高溫、強腐蝕性介質、強輻射下的交互以及材料的物理應用，其中包括材料的超導、熱電、儲氫、光電催化、能源存儲性能等。
　　
埃姆斯國家實驗室材料制備中心（MPC）對金屬的研究開發業界知名的，在2013年1月份，美國能源部宣布在該實驗室設立重要材料研究所（CMI），主要目的是解決維護美國能源安全所需的稀土金屬和其他材料短缺的問題。
　　
美國金屬加工技術國家中心專業研究范圍包括金屬的澆鑄、半固態、成型、焊接和粉末冶金，其中粉末冶金等靜壓技術的研究處于前沿。
　　
“鈦合金在航空航天領域用得比較多，現在可以用激光及電子束加工成型，這些金屬加工技術是這幾年才興起來的。”前述南洋理工大學研究員向記者表示。
　　
而這位研究員提到的用激光和電子束加工成型的技術正是近年來炒得火熱的3D打印，也叫做增材制造。作為科技強國，美國在這方面自然不甘人后，2012年10月，美國在俄亥俄州揚斯頓成立了首個世界前沿的國家增材制造創新研究所（NAMII）。
　　
美國國家增材制造創新研究所由來自行業、學術界、政府和勞動力發展資源領域的成員組成，是奧巴馬政府提議在全國建立的15個制造業創新學院的一個。
　　
目前該研究所至少擁有85家公司，主要包括全球知名的特種金屬生產商阿勒格尼技術公司、馬丁航空公司，以及3D打印公司ExOne公司、波音公司、通用動力、通用電氣、IBM等企業，此外，還包括至少13所研究型大學，主要有卡內基-梅隆大學，凱斯西儲大學，肯特州立大學，賓夕法尼亞州立大學，羅伯特莫里斯大學，美國里海大學、阿克倫大學，匹茲堡大學、揚斯頓州立大學以及9個社區學院和18個非營利機構。
　　
研究所所有成員的目標是將3D打印技術轉變成美國制造技術的主流，而研究所的主管愛德華·莫里斯也表示，美國國家增材制造研究所正探索方法，把美國制造業再次轉變成主導全球經濟的力量。
　　
3D打印改變公司金屬加工方法
　　
學術、研究和商業形成一體，相輔相成，不僅是美國眾多高校研究所和國家實驗室運營模式，美國很多大型公司的研究和生產相結合的模式也日臻成熟，波音公司和通用電氣公司是當之無愧的典型。
　　
美國波音公司是世界上航空航天領域規模最大的公司，世界上最大的民用和軍用飛機制造商，也是美國國家航空航天局的主要服務提供商。除了設計和生產我們所熟知的民用飛機外，同時也是軍用飛機、衛星、導彈防御、人類太空飛行和運載火箭發射領域的全球市場領先者，而且還處于無人駕駛系統軍事技術領域的前沿。
　　
波音公司研發機構命名為鬼怪工程部（PhantomWorks），與該研究部產生的各種天馬行空的想法相互映襯。在美國，有4000多名波音員工投身其中成為波音特種工程師，從事著近500個高科技項目的研究。鬼怪工程部的制造加工團隊曾率先使用高速加工、攪拌摩擦連接、自動化纖維放置和樹脂膜注入縫合的方法生產出結構更強、質量更輕、體積巨大的整塊復合金屬結構并運用于F/A-18E/F“超黃蜂”艦載戰斗機上。
　　
另外一個非常重視前沿金屬材料研發和生產的公司是通用電氣。打開通用電氣公司的增材制造主頁，“增材制造正在重塑我們的工作方式”的標語赫然出現。目前，通用電氣公司使用了超過300件的3D打印器材。
　　
通用電氣研究增材制造有20多年之久，其公司著名的全球研發中心下面專門設有一個增材制造實驗室，團隊里面包含600名工程師，分布在世界21個點，主要專注于新合金的開發、擴充、加工和運用。

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