美國(guó):3D打印技術(shù)研發(fā)力量雄厚
美國(guó)大學(xué)研究室主要是以基礎(chǔ)研究為主,這些高校研究的資金主要來(lái)自NASA、能源部等大財(cái)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(wàn)個(gè)增材零件”在金屬材料研究方面,美國(guó)的優(yōu)勢(shì)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(fā)達(dá)的是金屬材料在軍事和航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。
眾所周知,美國(guó)的軍事、航空航天實(shí)力全球第一,這也得益于美國(guó)在這兩個(gè)領(lǐng)域全球領(lǐng)先的金屬材料研發(fā)能力。近年來(lái),增材制造(即3D打?。┭杆偕郎?,美國(guó)也于2012年10月在俄亥俄州揚(yáng)斯頓成立了首個(gè)世界前沿的國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究所(NAMII),以鞏固其在增材制造領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。
在國(guó)家研究室方面,除了橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、埃姆斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家航空航天局(NASA)等享譽(yù)全球的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,還工技術(shù)國(guó)家中心等專(zhuān)門(mén)從事金屬材料研究室以及新近成立的國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究所。
美國(guó)的大學(xué)研究室主要是以基礎(chǔ)研究為主。除了知名的MIT、西北大學(xué)等老牌材料工程名校,還有側(cè)重金屬材料研究的康涅狄格大學(xué)等,這些高校研究的資金主要來(lái)自NASA、能源部等大財(cái)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(fā)現(xiàn)金屬材料自我修復(fù)
大學(xué)方面,麻省理工學(xué)院、西北大學(xué)、加州大學(xué)圣芭芭拉分校、伊利諾伊大學(xué)香檳分校、斯坦福大學(xué)、康奈爾大學(xué)、哈佛大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)等都是傳統(tǒng)的材料科學(xué)工程研究頂尖院校,這些大學(xué)在細(xì)分的金屬材料方面也有著較深的研究底蘊(yùn)。
在全美高校之中,麻省理工學(xué)院材料工程專(zhuān)業(yè)全美排名第一。除了前期介紹過(guò)的納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室,麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系還擁有一個(gè)快速成型實(shí)驗(yàn)室(RFL),主要進(jìn)行金屬材料等的快速成型試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)室始建于2007年,初始啟動(dòng)資金來(lái)自于LordFoundation。目前,該實(shí)驗(yàn)室RFL擁有數(shù)控銑床和車(chē)床,兩個(gè)3D打印機(jī),激光切割機(jī),和一個(gè)CAD/CAM工作站。
自然界中的生物體在遭受損傷時(shí)具有自我康復(fù)的功能,但你一定沒(méi)聽(tīng)過(guò)金屬材料也能自我修復(fù)。
日前,來(lái)自麻省理工學(xué)院的材料工程系的邁克爾·戴姆克維茲教授和研究生徐國(guó)強(qiáng)在一項(xiàng)金屬特性實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)受損的金屬也具有自我修復(fù)的功能,并通過(guò)計(jì)算機(jī)模型重現(xiàn)了這一修復(fù)機(jī)制。發(fā)現(xiàn)這個(gè)機(jī)制后,MIT的研究人員計(jì)劃進(jìn)一步研究如何設(shè)計(jì)出相應(yīng)的金屬合金,以便在特殊應(yīng)用條件下產(chǎn)生自我修復(fù)的功能。“我們?yōu)橹蜷_(kāi)了通途,如何設(shè)計(jì)出可以自我復(fù)原的金屬材料不會(huì)太久。”上述研究人員稱(chēng)。
西北大學(xué),材料科學(xué)與工程排名全美第二,其材料系與阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室廣泛合作,尤其是光電子材料和納米材料方面。西北大學(xué)的金屬材料包括:形狀記憶合金(生物醫(yī)學(xué)植入物)、輕型車(chē)輛和高溫引擎的多元合金、金屬間化合物合金的儲(chǔ)氫、電子顯微技術(shù)的高級(jí)特征、合金中納米析出相的原子探針研究等。
加州大學(xué)圣芭芭拉分校材料科學(xué)方面的研究位列美國(guó)前三。該學(xué)校除了擁有數(shù)個(gè)全球頂尖的納米材料實(shí)驗(yàn)室,還擁有眾多與金屬材料研究相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室,包括材料研究實(shí)驗(yàn)室(MRL)、多功能材料和結(jié)構(gòu)中心(Cemmas)、節(jié)能材料中心(CEEM)、復(fù)合材料研究所(LosAlamos)、先進(jìn)材料中心(MC-CAM)、國(guó)際材料研究中心(ICMR)等。
其中,材料研究實(shí)驗(yàn)室是世界公認(rèn)的五大材料研究中心之一,研究范圍寬廣,在全球范圍內(nèi)影響力巨大。復(fù)合材料研究所(LosAlamos)則是加州大學(xué)圣芭芭拉分校與洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作成立研究項(xiàng)目,主要從事金屬?gòu)?fù)合材料和工程材料方面的研究。此外,先進(jìn)材料中心(MC-CAM)則是與日本三菱化學(xué)公司(MitsubishiChemical)合作成立的研究機(jī)構(gòu)。
賓夕法尼亞大學(xué),主要研究如何研發(fā)新型高強(qiáng)度、高韌性合金材料,致力于金屬間化合物的基礎(chǔ)系統(tǒng)研究,比如鈦鋁合金和銀鉬合金等。
此外,康涅狄格大學(xué)、密歇根理工大學(xué)、田納西大學(xué)、奧本大學(xué)、新墨西哥礦業(yè)技術(shù)學(xué)院、密蘇里大學(xué)-羅拉分校、普渡大學(xué)、凱斯西儲(chǔ)大學(xué)、密歇根州立大學(xué)伍斯特理工學(xué)院等院校的材料科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)名氣雖不如MIT等名校,但這些學(xué)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(xué)材料科學(xué)研究所(IMS)成立于1965年,是一個(gè)先進(jìn)材料研究中心,研究所占地面積達(dá)80000平方英尺。該研究所材料科學(xué)方面的研究橫跨金屬聚合物、金屬納米材料、生物醫(yī)學(xué)金屬材料等領(lǐng)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(jī)械材料測(cè)試、核磁共振及磁檢測(cè)、金屬粉末特征等相關(guān)的先進(jìn)研究?jī)x器設(shè)備。
“美國(guó)學(xué)校做的也都是基礎(chǔ)方面的研究為主,很多學(xué)校研究資金的來(lái)源都是NASA。”一位新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)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(guó)做得比較好的學(xué)校有德雷克賽爾大學(xué)、密蘇里大學(xué)和卡耐基梅隆大學(xué)等。”
“在以上大學(xué)中,德雷克賽爾大學(xué)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(jī)制造。密蘇里大學(xué)準(zhǔn)備要做這方面的研究,最近剛爭(zhēng)取到資金支持;卡耐基梅隆大學(xué)研發(fā)了10年的鈦合金,但沒(méi)什么特別的成果。”上述研究員進(jìn)一步表示。
美國(guó)國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究所陣容龐大
在美國(guó),除了世界鼎鼎有名的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、埃姆斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家航空航天局(NASA)設(shè)有專(zhuān)門(mén)的研究金屬材料團(tuán)隊(duì)之外,還有一些并不耳熟能詳?shù)窃诟叨私饘傺芯款I(lǐng)域極具地位的研究所,其中包括美國(guó)金屬加工技術(shù)國(guó)家中心(NCEMT)、美國(guó)國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究所。
橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室下設(shè)一個(gè)專(zhuān)門(mén)的材料科學(xué)和技術(shù)部,該部門(mén)是由之前的凝聚態(tài)物質(zhì)科學(xué)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(huán)境,如高溫、強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)、強(qiáng)輻射下的交互以及材料的物理應(yīng)用,其中包括材料的超導(dǎo)、熱電、儲(chǔ)氫、光電催化、能源存儲(chǔ)性能等。
埃姆斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室材料制備中心(MPC)對(duì)金屬的研究開(kāi)發(fā)業(yè)界知名的,在2013年1月份,美國(guó)能源部宣布在該實(shí)驗(yàn)室設(shè)立重要材料研究所(CMI),主要目的是解決維護(hù)美國(guó)能源安全所需的稀土金屬和其他材料短缺的問(wèn)題。
美國(guó)金屬加工技術(shù)國(guó)家中心專(zhuān)業(yè)研究范圍包括金屬的澆鑄、半固態(tài)、成型、焊接和粉末冶金,其中粉末冶金等靜壓技術(shù)的研究處于前沿。
“鈦合金在航空航天領(lǐng)域用得比較多,現(xiàn)在可以用激光及電子束加工成型,這些金屬加工技術(shù)是這幾年才興起來(lái)的。”前述南洋理工大學(xué)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(shù)正是近年來(lái)炒得火熱的3D打印,也叫做增材制造。作為科技強(qiáng)國(guó),美國(guó)在這方面自然不甘人后,2012年10月,美國(guó)在俄亥俄州揚(yáng)斯頓成立了首個(gè)世界前沿的國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究所(NAMII)。
美國(guó)國(guó)家增材制造創(chuàng)新研究所由來(lái)自行業(yè)、學(xué)術(shù)界、政府和勞動(dòng)力發(fā)展資源領(lǐng)域的成員組成,是奧巴馬政府提議在全國(guó)建立的15個(gè)制造業(yè)創(chuàng)新學(xué)院的一個(gè)。
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(chǎn)商阿勒格尼技術(shù)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(dòng)力、通用電氣、IBM等企業(yè),此外,還包括至少13所研究型大學(xué),主要有卡內(nèi)基-梅隆大學(xué),凱斯西儲(chǔ)大學(xué),肯特州立大學(xué),賓夕法尼亞州立大學(xué),羅伯特莫里斯大學(xué),美國(guó)里海大學(xué)、阿克倫大學(xué),匹茲堡大學(xué)、揚(yáng)斯頓州立大學(xué)以及9個(gè)社區(qū)學(xué)院和18個(gè)非營(yíng)利機(jī)構(gòu)。
研究所所有成員的目標(biāo)是將3D打印技術(shù)轉(zhuǎn)變成美國(guó)制造技術(shù)的主流,而研究所的主管愛(ài)德華·莫里斯也表示,美國(guó)國(guó)家增材制造研究所正探索方法,把美國(guó)制造業(yè)再次轉(zhuǎn)變成主導(dǎo)全球經(jīng)濟(jì)的力量。
3D打印改變公司金屬加工方法
學(xué)術(shù)、研究和商業(yè)形成一體,相輔相成,不僅是美國(guó)眾多高校研究所和國(guó)家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)營(yíng)模式,美國(guó)很多大型公司的研究和生產(chǎn)相結(jié)合的模式也日臻成熟,波音公司和通用電氣公司是當(dāng)之無(wú)愧的典型。
美國(guó)波音公司是世界上航空航天領(lǐng)域規(guī)模最大的公司,世界上最大的民用和軍用飛機(jī)制造商,也是美國(guó)國(guó)家航空航天局的主要服務(wù)提供商。除了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)我們所熟知的民用飛機(jī)外,同時(shí)也是軍用飛機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈防御、人類(lèi)太空飛行和運(yùn)載火箭發(fā)射領(lǐng)域的全球市場(chǎng)領(lǐng)先者,而且還處于無(wú)人駕駛系統(tǒng)軍事技術(shù)領(lǐng)域的前沿。
波音公司研發(fā)機(jī)構(gòu)命名為鬼怪工程部(PhantomWorks),與該研究部產(chǎn)生的各種天馬行空的想法相互映襯。在美國(guó),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(gè)高科技項(xiàng)目的研究。鬼怪工程部的制造加工團(tuán)隊(duì)曾率先使用高速加工、攪拌摩擦連接、自動(dòng)化纖維放置和樹(shù)脂膜注入縫合的方法生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)更強(qiáng)、質(zhì)量更輕、體積巨大的整塊復(fù)合金屬結(jié)構(gòu)并運(yùn)用于F/A-18E/F“超黃蜂”艦載戰(zhàn)斗機(jī)上。
另外一個(gè)非常重視前沿金屬材料研發(fā)和生產(chǎn)的公司是通用電氣。打開(kāi)通用電氣公司的增材制造主頁(yè),“增材制造正在重塑我們的工作方式”的標(biāo)語(yǔ)赫然出現(xiàn)。目前,通用電氣公司使用了超過(guò)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(fā)中心下面專(zhuān)門(mén)設(shè)有一個(gè)增材制造實(shí)驗(yàn)室,團(tuán)隊(duì)里面包含600名工程師,分布在世界21個(gè)點(diǎn),主要專(zhuān)注于新合金的開(kāi)發(fā)、擴(kuò)充、加工和運(yùn)用。
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