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快速成形技术发展状况与趋势

快速成形技术发展状况与趋势

  • 分类:学术交流
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  • 发布时间:2010-07-09 01:58
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【概要描述】

快速成形技术发展状况与趋势

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作者:李涤尘,王永信,卢秉恒(西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,快速制造国家工程研究中心)
  摘要:快速成形是近30年来发展起来的特种加工技术,其优势在于三维结构的快速和自由制造,它被广泛应用于新产品开发及单件小批量制造。以美国Wohlers2008报告为依据,介绍了近年来国际上快速成形领域应用、销售与服务的发展情况,并阐述了我国快速成形技术的发展趋势。
  快速成形制造(RPM)是20世纪80年代末、90年代初由美国开发的高新制造技术,其重要意义可与数控(CNC)技术相比。该技术采用材料累加的新成形原理,直接通过CAD数据制成三维实体模型。这一技术不需要传统的机床、夹具、刀具,便可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件模型,从而实现了“自由制造”。快速成形出现给工业产品的造型开发、工艺品的模型设计提供了最为便捷的制造工具,使产品的开发速度数十倍地提高。而且越是复杂结构的物体,其制造速度提高越显著。美国的Wohlers协会是从事快速成形技术、市场、应用发展咨询的组织,每年对快速成形技术发展进行介绍、对市场发展进行分析、对新的发展趋势进行预测,在国际快速成形领域具有很强的影响力。本文以Wohlers2008报告为依据,介绍了快速成形技术近年来的发展状况。
  1  发展与应用状况
  1.1 行业应用状况
  为评估快速成形技术的发展状况,Wohlers协会对26个设备制造商和58个应用服务商为对象进行了数据调查,了解快速成形的应用领域。图1(略)显示过去3年中的快速成形技术应用产业的状况。其中消费商品和电子行业的应用仍占主导地位,但是比例从23.7%降低到20.8%;机动车行业从19.1%降低到16.8%;研究机构从8.6%增加到12.1%;医学和牙科则从13.6%增加到15.2%。在过去的几年中,医学和牙科是快速成形制造技术的第三大应用行业。
  图2(略)给出了快速成形技术的主要应用领域。它包括直观展具: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;展示模型:如地理信息系统模型、功能模型、装配模型、快速模具原型:例如硅橡胶模具、金属铸造模型、工模具部件;直接数字/快速制造:如定制化零件、替代物零件等。
  其中的一些应用领域的使用比例从去年开始增长,例如直观展具、展示模型、直接数字/快速制造、功能模型和模具原型。在近6年中,直接数字/快速制造从几乎为零起步增长成为快速成形的第三大应用领域。
  1.2 世界各国与地区发展状况
  世界上许多国家与地区都在应用快速成形技术。其设备的数量一定程度上表现了国家的经济活力与创新意识。2007年快速成形系统在全世界的67个国家实现销售,其中71%在最发达的6个国家。图3(略)展示了2007年度主要国家与地区设备的销售和安装情况。美国在2007年增长2.1%,相对于2006年、2005年和2004年分别下降2%、0.8%和5.7%。世界其他国家和地区,如中国、日本、台湾地区和德国都在下降。“其他”这部分国家反映世界上小的国家和区域的情况。这一部分设备销售和安装数量在增长,从2006年的17%增长到2007年的20.2%。
  图4显示了从1988年至2007年累计安装快速成形机数量所占的比例。除了日本外,其他国家的百分比几乎没有发生改变。日本从2005年的15.1%降至2006年的14.3%、2007年13.6%。美国从2006年至2007年也降低了0.7%。“其他”部分则增长了1.3%。
  一些年安装量在100台或者100台以上的国家在2007年均经历了相当可观的两位数的增长。法国增长量为35.1%,英国增长量为34.1%,意大利的增长量为25.3%,德国增长16.1%,美国增长12.3%,而中国仅增长2.7%。俄罗斯从2006年的39套系统增长至2007年的106套,增幅高达271.8%。另外,土耳其从2006年55套系统增至2007年的92套,增幅67.3%。
  2  产业发展状况
  2.1 快速成形设备发展状况
  工业界对快速成形产品和服务有大量的需求,在过去3年中需求平均年增长率约17.4%,这样的增长率对于一个仅有20多年发展史产业来说是相当可观的。从大部分数据来看,快速成形市场发展非常迅速,它所制造的产品也吸引了包括企业家、投资者、政府、研究人员的注意。在过去的4年(2004~2007年)中,快速成形技术的产品和服务增长了约6.12亿美元。在这期间产业增长了116%。从1993年到2007年,年度设备销售增长了约31倍。低端产品(如三维打印机)仍然是带动增长的主要力量,特别在单台销售中更为显著。
  全球快速成形设备销售在2007年达到4 930台,比2006年的4 151台增加了18.8%。2006年的增长率是17.7%,2005的增长率是23.5%。与2003年~2006年相似,三维打印机占了2007销售中的大部分。从1996年到2007年,三维打印机的单位销售平均增长了40.4%。三维打印机在过去4年(2004~2007年)的销售约占快速成形系统销售的72%。在过去3年中,Stratasys & Z公司约58%的设备销售到美国以外的国家与地区。这些数字让人印象深刻,然而更可观的是其背后还有巨大潜力,特别是考虑到快速成形系统在制造领域的巨大作用,其增长可能会更加迅速。制造终端比建模和成形部件更加有挑战性,因此其应用需要一段时间的推广。此外,快速制造(如金属直接成形)技术被广泛认为是快速成形技术在今后应用最广泛的领域。
  快速成形的产品销售和服务,在2006年的收入总额为9.837亿美元,到2007年,增长了16%,达到了11.41亿美元,这也是快速成形技术第一次年总收入超过10亿美元。在2005年和2006年,增长率分别为14.6%和21.7%。11.41亿美元的总销售额是从快速成形市场的初级收入中汇总得到的。该市场包括全世界范围内所有涉及快速成形制造技术的产品和服务。产品包括快速成形设备、设备升级、原料和修理零件、第三方的软件和激光器。服务包括服务商的原型制作、系统维护、培训、研究会、会议、展览会、广告、出版、合同研究和咨询。
  2007年相关机构在新型快速成形系统和新材料的研发上投入6.105亿美元。这较2006年投入5.322亿美元增长了14.7%。设备和材料的研发费在2006年、2005年和2004年分别增长20%、10%和48.3%。设备销售和升级占到了3.896亿美元,比2006年增长了13.7%。
  2007年快速成形制造设备的平均销售价格是79040美元。快速成形制造服务收入由2006年的4.515亿美元,增长到2007年的5.306亿美元,增长了17.5%。服务收入在2006年、2005年和2004年分别增长了23.7%,20.9%和17.%。2007年是连续增长的第5年,产品销售收入超过了服务收入。
  2.2 服务与材料销售状况
  产品服务创造的收入是可观的,在全球范围内有不计其数的设计和制造组织正在加入服务业。有一个叫Graco Children’s Products的公司,每年制造7 000~10 000个零件,所有零件的制造是由4个快速成形系统和一个工人完成。另一个叫Rockwell Collins的公司,仅用一个快速成形制造系统和一个工人,在4个月内制造了6 000个零件。还有一个玩具制造商,仅用几个快速成形制造系统和两名工人,每年制造12 000个模型,并且提供每天24 h的送货服务。以上的例子表明,快速成形制造技术对经济的影响是巨大的。如果统计成千上万公司从这项技术中的获利,那么这个影响将会是成百上千亿美元。
  预计快速制造业的销售额在未来的几年里将得到大幅度增长。预计到2012年,全世界快速成形制造的产品和服务的销售额将会翻一番,达到230亿美元。Wohlers Associates相信2015年全年的产值会达到350亿美元。
  2007年全球所有快速成形系统在材料上的支出约为22 090万美元。这一数字比2006年的18 950万增长了16.6%。这一估值包括树脂、粉、丝、片状材料以及其他被用于快速成形系统的材料。图5(略)为全球快速成形系统2001~2007年7年的材料销售额。
  2007年大约有1 026万美元被用在光敏树脂上,比2006年的896万美元增长了14.4%。光敏树脂占到了全部材料销量的46.4%,其中大部分的光敏树脂的销售额来自于3D System,DSM Somos,Huntsman, Objet Geometries, Envisiontec以及一些日本树脂制造商。
  图6(略)为全球快速成形系统光敏树脂2002~2007年共6年历史销售额。
  2007年全球范围内服务商通过销售快速成形生产的零件和模型创造了大约4 070万美元的收入,比2006年的3 306万美元增长了23.1%。这些公司在过去4年的销量增长表现出有限的上升趋势,近4年的增长率分别为2006年24.7%,2005年24.1%,2004年13%,下滑后2003年的2.5%。
  图7(略)为过去14年服务提供商的收入(百万美元)。其中仅包含由快速成形制造的零件所带来的收入,不包括模具、由模具制造的零件、铸件、手工模型加工技术、CNC机器加工件、CAD/CAM/CAE以及其他服务所带来的收入。
  2.3 二级市场发展
  二级市场包括由快速成形原型翻制的模具,由快速成形直接成形的模具,由模具得到的铸件和模型。2007年这个市场营业额增加了19.2%,达到5.986亿美元,该市场营业额自2003年起连续5年增长,几年的增加率分别为:2003年增长2.9%、2004年增长18.3%、2005年增长16.1%、2006年增长13.2%。2007年全球的服务供应商在一级和二级市场共创造了约10.06亿美元的营业额。这个数字比2006的8.328亿美元增加了20.8%。2006年和2005年的增长率分别为17.5%和19%。
  2007年,快速成形市场总的营业额(包括产品和服务收入)为17.4亿美元。这比2006年的14.86亿美元增加了17.1%。表1列出了一级市场和二级市场各自的营业额。
  表1 销售收入情况
  项目                    一级市场     二级市场
  服务的营业额/亿美元     4.07         5.986
  非服务的营业额/亿美元   7.342
  总计/亿美元             11.41         5.986
  2.4 快速成形设备销售的增长及预测
  图8(略)为全球快速成形设备销售的增加趋势。其中2008年和2009年的数据是预测数据。Wohlers协会预测2008年的增长率为20.1%,达到5920台。2009的增长率为23.8%,达到7 330台;预计快速成形机的销售未来几年会有很大的提高。到2012年,快速成形机的销售在全球将达到 12 000台;到2015年,快速成形机的销售将达到20 000台。
  3  快速成形技术发展趋势
  快速成形制造是一种以材料累加为原理的制造方法,可以制造任意复杂的三维结构。快速成形发展目前最大的难题是材料的物理与化学性能制约了工艺实现。例如,在成形材料上,目前主要是有机高分子材料;金属材料直接成形是近十多年的研究热点,难点在于如何提高精度。在成形材料上,发展方向是研究陶瓷材料和复合材料的快速成形制造。在制造装备的发展上,三维打印机是国外近年来的发展热点。将其作为计算机一个外设在应用。快速成形技术在工业造型、产品创意、工艺美术等方面有着广泛的应用前景和巨大的商业价值。
  快速成形技术的研究热点和发展方向分3个方面:
  (1) 快速成形制造技术本身的发展。例如三维打印技术,使快速成形走向信息市场;金属直接成形技术使结构功能零件可直接制造。进一步的发展是陶瓷零件的快速成形技术和复合材料的快速成形。
  (2) 快速成形应用领域的拓展。例如快速成形在汽车制造领域的应用为新产品的开发提供了快捷的支持技术。快速成形在生物假体与组织工程上的应用,为人工定制假体制造、三维组织支架制造提供了有效的技术手段。进一步是向创意设计、航空航天制造和功能结构器件领域发展。
  (3) 快速成形学术思想的发展。快速成形从过去的外形制造向材料组织与外形结构设计制造一体化方向发展。力图实现从微观组织到宏观结构的可控制造。例如在制造复合材料时,能否将复合材料组织设计制造与外形结构设计制造同步完成。这样从更广泛的意义上实现结构体的“设计—材料—制造”一体化。
  4  我国快速成形技术发展中存在的问题
  我国快速成形技术自20世纪世纪90年代初开始发展,西安交通大学、清华大学、华中科技大学、北京隆源公司等院校和企业在典型的快速成形设备、软件、材料等方面的研究和产业化方面的获得了重大进展。随后国内许多高校和研究机构也开展了相关研究,重点在金属成形方面开展研究,如西北工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、上海交通大学、中北大学、中国工程物理研究院等单位都在做探索性的研究工作。我国快速成形技术的研究工作基本与国际同步。
  在快速成形技术新设备研发和应用方面我国则落后于国外。由于我国在这方面的投入少,企业的应用开发能力弱,故相对于欧美国家,在新技术的开发上已显落后。例如三维彩色打印技术缺少研究与开发。在应用上,我们许多行业缺少后续技术研发,例如在快速制造的原型向模具和功能零件转化方面没有形成系统技术体系,企业没有很好地将此技术应用在产品开发方面。国外快速成形技术在航空领域超过8%的应用量,而我国在这方面的应用量则非常低。快速成形尤其适合于航空航天产品中的零部件单件小批量的制造,具有成本低和效率高的优点。例如在飞机和航空发动机的零部件快速铸造上,航空器风洞模型制造上,飞机装配实验室上都可采用快速成形技术。这体现出了快速成形在复杂曲面和结构制造上的快速性和经济优势。国外在航空航天器的研制中不断尝试应用快速成形技术,显示出了巨大发展潜力。在我国重大的专项研究和航空航天事业发展中,快速成形这一技术都有广泛的用途。因此,通过“产学研用”结合,通过不断与企业合作,拓展应用领域,将是快速成形制造技术发展的根本方向。
  5  结论
  (1) 快速成形产业近年来仍保持高速发展趋势,从1993年到2007年,年度设备销售量增长了约31倍。三维打印机是带动增长的主要力量。美国是快速成形设备用量最大的国家,占全球设备的37%,中国使用的设备占全球设备的7%。预测今后几年仍会以20%左右的速度增长,到2015年快速成形机的销售将达到20 000台。
  (2) 快速成形技术向3个方面发展:① 新的快速成形技术:低端向廉价便利的快速成形产品发展,高端向陶瓷和复合材料的快速成形制造方向发展;② 拓展快速成形应用领域:生物假体与组织工程,创意设计,航空航天制造和功能结构器件;③ 发展快速成形新的学术思想:微观组织到宏观结构的可控制造,实现结构体的“设计—材料—制造”一体化。
  (3) 我国需要研发新的快速成形技术,向产业化发展。加强快速成形后续应用技术的研发,通过“产学研用”结合,与企业合作不断拓展应用领域。

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