探析增材制造技术的发展现状

相对于有近150年发展历史的传统去除式机械加工制造技术，增材制造技术仅仅是在近二十几年间取得了快速的发展。快速原型制造、自由成型制造、3D打印成型、金属材料高能束流直接成型等，各异的叫法分别从不同侧面表达了该制造技术的特点。

增材制造技术出现以来便取得了快速发展，在消费电子产品、汽车、航天航空、医疗、军工、文化创意等多个领域都得到了广泛的应用。目前各类增材制造设备种类达到20多种。自1988年美国3D Systems公司推出第一台商品化光固化成型设备SLA-250以来，各种与增材制造工艺相对应的设备相继被开发出来，并相继商品化。据美国从事增材制造技术的咨询服务协会（Wohlers Inc.）统计，1988年至1998年的十年间，SLA、LOM、FDM、SLS、3DP等各种增材制造设备的安装台数如图1-3所示。到1998年为止，全世界已拥有增材制造设备4259台，增材成型设备制造公司约27个，用增材成型设备进行对外服务的机构331个。该项技术出现以后，在制造业领域及医疗领域得到了迅速认可和广泛的应用。

据Wohlers公司2002年调查报告，该行业2002年的产值接近7亿美元，如图1-4所示。与CNC初期市场相比，增材成型技术的发展速度是相当惊人的，1988～1997年度增材制造产值以53.6%的年平均速度增长，而在1970～1981年度，CNC市场的年平均增长率为22%，所以有人比喻增材制造技术对制造业的冲击与贡献可以与20世纪60年代出现的数控（NC）技术相媲美。

图1-3 早期增材成型设备安装台数统计

图1-4 增材制造行业的年收益及增长

美国是世界上最重要的增材成型设备生产国。1999年美国生产的增材成型设备占全世界的8l.5%，美国的增材制造技术发展水平及其趋势基本代表了世界增材制造技术的发展水平及趋势。图1-5给出了Wohlers公司对世界范围内增材成型系统的安装统计，图1-6给出的是各种主要增材成型系统截止到2001年底的安装统计。

在Wohlers公司2011年发布的年度报告中，对各行业应用增材成型技术的情况进行了分析，图1-7为增材成型技术的产业应用状况统计。消费品及电子领域仍占据主导地位，但比例从23.7%降低到了20.6%，汽车领域从19.1%降低到17.9%，医学和牙科领域从13.6%增加到15.9%，工业设备领域为12.9%，航空航天领域为9.9%，科研机构为7.9%。此外，在军事、建筑等其他领域仍保持着一定程度的应用。在过去几年中，在医学和牙科领域以及航空航天领域的应用得到了较快发展。

图1-5 增材成型系统年安装统计

图1-8为2011年增材成型技术制作原型的主要应用功能比例。它包括：①直观教具：用于工程师、设计师、工具制造者、建筑师、医学专家与用户沟通交流的辅助工具；②展示模型，如地理信息系统模型；③功能模型；④装配/总装；⑤快速模具原型，如硅橡胶模具；⑥金属铸造模型；⑦工具、模具部件；⑧直接零件制造，如定制化零件、替代物零件等。图1-9为2012年增材成型技术制作原型的主要应用功能比例。与图1-8各种功能的比例对比，一年来，采用增材成型技术直接生产零件的比例从14.9%增加到19.2%。

图1-6 各主要增材成型系统的安装统计

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图1-7 2011年增材成型技术的行业应用状况统计

图1-8 2011年增材成型技术制作原型的主要应用功能比例

图1-9 2012年增材成型技术制作原型的主要应用功能比例

目前，世界上许多国家与地区都在开发或应用增材制造技术。增材制造系统的数量一定程度上表现了国家的经济活力与创新能力。2010年主要国家和地区增材制造设备比例情况如图1-10所示。美国、日本、德国、中国成为主要的设备拥有国，美国增材制造设备的占有量仍遥遥领先于其他国家和地区。图1-11为2011年主要国家和地区的增材制造设备数量。与图1-10相比，中国增材成型设备由原来的6.5%增加至8.6%，而美国由原来的41.1%下降至38.3%。在增材成型设备中，近年来个人3D打印机得到了迅猛发展。图1-12给出了2007～2011年五年来个人3D打印机生产量的增长情况。从图1-12中可以看出，2011年较上年增长289%。据Wholers公司预测，到2019年，增材制造技术的产值将达到年60多亿美元，如图1-13所示。

图1-10 各国增材制造设备比例（截止至2010年）

图1-11 2011年各国增材制造设备比例

图1-12 个人3D打印机2007～2011年五年来的发展状况

图1-13 未来几年增材制造技术的产值