“增材製造”為製造商提供了一套強大的工具,可以經濟高效且幾乎零浪費地生產任何數量的產品,這是一項突破性的發展,有望幫助振興美國製造業。但是,要將這項技術從實驗室轉移到工廠車間需要什麼呢?或許不足為奇的是,大量的資金注入將有所幫助——而這正是目前正在醞釀之中的。
貝拉克·奧巴馬總統的國情諮文,以及最近他提出的 2014 財年預算,將美國製造業的需求提升到議程的首要位置。與美國公司幾十年來一直外包的低技術生產和組裝工作不同,新的製造時代將嚴重依賴增材製造技術和材料,這些技術和材料預計將獲得數百萬美元的資金,以便將它們從實驗室轉移到工廠車間。
3D 列印是增材製造最廣為人知的形式。多年來,發明家和工程師一直使用價格從幾千美元到幾十萬美元不等的機器來快速原型化新產品。所有增材製造工藝都遵循相同的基本逐層沉積原理,只是使用粉末或液體聚合物、金屬或其他材料的方式略有不同。每個物體都始於計算機輔助設計 (CAD) 或其他型別的數字檔案,這使設計師能夠在實際構建之前調整他們的工作,而對成本幾乎沒有影響。
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在低端方面,MakerBot 3D 印表機可以使用聚合物基絲材構建梳子或雕像等基本物品。然而,工業級、生產質量的飛機或汽車零件需要目前尚不存在的增材機器和材料。這就是資金的用武之地。
特別是美國商務部 2014 財年的預算請求包括當年 15 億美元,用於刺激新的製造方法的開發(pdf),這還不包括奧巴馬政府在 2013 財年承諾的 10 億美元投資,用於啟動國家制造業創新網路,該網路是由全國多達 15 家制造研究機構組成的團體。
第一個是位於俄亥俄州揚斯敦的國家增材製造創新研究所 (NAMII),該研究所將在計劃中的 4500 萬美元聯邦 funding 的幫助下,專注於增材製造技術和工藝的開發。國防部和能源部已提供其中的 3000 萬美元,NASA、商務部的國家標準與技術研究院 (NIST) 以及國家科學基金會預計將在未來四年內投入剩餘的 1500 萬美元。製造公司、大學、社群學院和非營利組織已承諾為該研究所額外提供 4000 萬美元的 funding。
該研究所已經有七個專案正在進行中。這些努力的範圍從關於聚合物和其他材料在加熱和沉積過程中如何反應的基礎研究,到更工業化的應用,例如開發一種用於處理熱塑性塑膠的低成本、高溫工藝,熱塑性塑膠用於製造航空和航天飛行器部件。
下面的動畫展示了一種增材製造工藝——電子束熔融 (EBM)——的工作原理。EBM 從放置在機器粉末料斗中的粉末金屬合金開始。機器的耙子將一層細粉末分佈在構建平臺上。電子束進入真空室,並按照 CAD 檔案指示的圖案熔化顆粒。然後稍微降低構建平臺,並重復該過程,直到物體(在本例中為渦輪機)完全打印出來。
如果政府的資金得到充分利用,該工藝在幾個方面可以得到改進:除了加快程式外,製造商還需要確保這些列印產品在從一個元件到下一個元件之間保持一致。他們還必須開發製造更復雜、更精細和多材料物體的方法。儘管如此,隨著增材製造受到國家層面的關注——更重要的是,被納入預算——大多數零件都將透過列印而非從原材料中雕刻出來,這只是時間問題。