摘要：快速成形是近30年來發(fā)展起來的特種加工技術(shù)，其優(yōu)勢在于三維結(jié)構(gòu)的快速和自由制造，它被廣泛應用于新產(chǎn)品開發(fā)及單件小批量制造。以美國Wohlers2008報告為依據(jù)，介紹了近年來國際上快速成形領(lǐng)域應用、銷售與服務的發(fā)展情況，并闡述了我國快速成形技術(shù)的發(fā)展趨勢。
快速成形制造(RPM)是20世紀80年代末、90年代初由美國開發(fā)的高新制造技術(shù)，其重要意義可與數(shù)控（CNC）技術(shù)相比。該技術(shù)采用材料累加的新成形原理，直接通過CAD數(shù)據(jù)制成三維實體模型。這一技術(shù)不需要傳統(tǒng)的機床、夾具、刀具，便可快速而精密地制造出任意復雜形狀的零件模型，從而實現(xiàn)了“自由制造”。快速成形出現(xiàn)給工業(yè)產(chǎn)品的造型開發(fā)、工藝品的模型設計提供了最為便捷的制造工具，使產(chǎn)品的開發(fā)速度數(shù)十倍地提高。而且越是復雜結(jié)構(gòu)的物體，其制造速度提高越顯著。美國的Wohlers協(xié)會是從事快速成形技術(shù)、市場、應用發(fā)展咨詢的組織，每年對快速成形技術(shù)發(fā)展進行介紹、對市場發(fā)展進行分析、對新的發(fā)展趨勢進行預測，在國際快速成形領(lǐng)域具有很強的影響力。本文以Wohlers2008報告為依據(jù)，介紹了快速成形技術(shù)近年來的發(fā)展狀況。
1 發(fā)展與應用狀況
1.1 行業(yè)應用狀況
為評估快速成形技術(shù)的發(fā)展狀況，Wohlers協(xié)會對26個設備制造商和58個應用服務商為對象進行了數(shù)據(jù)調(diào)查，了解快速成形的應用領(lǐng)域。圖1（略）顯示過去3年中的快速成形技術(shù)應用產(chǎn)業(yè)的狀況。其中消費商品和電子行業(yè)的應用仍占主導地位，但是比例從23.7%降低到20.8%；機動車行業(yè)從19.1%降低到16.8%；研究機構(gòu)從8.6%增加到12.1%；醫(yī)學和牙科則從13.6%增加到15.2%。在過去的幾年中，醫(yī)學和牙科是快速成形制造技術(shù)的第三大應用行業(yè)。
圖2（略）給出了快速成形技術(shù)的主要應用領(lǐng)域。它包括直觀展具：用于工程師、設計師、工具制造者、建筑師、醫(yī)學專家與用戶溝通交流的輔助工具；展示模型：如地理信息系統(tǒng)模型、功能模型、裝配模型、快速模具原型：例如硅橡膠模具、金屬鑄造模型、工模具部件；直接數(shù)字/快速制造：如定制化零件、替代物零件等。
其中的一些應用領(lǐng)域的使用比例從去年開始增長，例如直觀展具、展示模型、直接數(shù)字/快速制造、功能模型和模具原型。在近6年中，直接數(shù)字/快速制造從幾乎為零起步增長成為快速成形的第三大應用領(lǐng)域。
1.2 世界各國與地區(qū)發(fā)展狀況
世界上許多國家與地區(qū)都在應用快速成形技術(shù)。其設備的數(shù)量一定程度上表現(xiàn)了國家的經(jīng)濟活力與創(chuàng)新意識。2007年快速成形系統(tǒng)在全世界的67個國家實現(xiàn)銷售，其中71%在最發(fā)達的6個國家。圖3（略）展示了2007年度主要國家與地區(qū)設備的銷售和安裝情況。美國在2007年增長2.1%，相對于2006年、2005年和2004年分別下降2%、0.8%和5.7%。世界其他國家和地區(qū)，如中國、日本、臺灣地區(qū)和德國都在下降。“其他”這部分國家反映世界上小的國家和區(qū)域的情況。這一部分設備銷售和安裝數(shù)量在增長，從2006年的17%增長到2007年的20.2%。
圖4顯示了從1988年至2007年累計安裝快速成形機數(shù)量所占的比例。除了日本外，其他國家的百分比幾乎沒有發(fā)生改變。日本從2005年的15.1%降至2006年的14.3%、2007年13.6%。美國從2006年至2007年也降低了0.7%。“其他”部分則增長了1.3%。
一些年安裝量在100臺或者100臺以上的國家在2007年均經(jīng)歷了相當可觀的兩位數(shù)的增長。法國增長量為35.1%，英國增長量為34.1%，意大利的增長量為25.3%，德國增長16.1%，美國增長12.3%，而中國僅增長2.7%。俄羅斯從2006年的39套系統(tǒng)增長至2007年的106套，增幅高達271.8%。另外，土耳其從2006年55套系統(tǒng)增至2007年的92套，增幅67.3%。
2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況
2.1 快速成形設備發(fā)展狀況
工業(yè)界對快速成形產(chǎn)品和服務有大量的需求，在過去3年中需求平均年增長率約17.4%，這樣的增長率對于一個僅有20多年發(fā)展史產(chǎn)業(yè)來說是相當可觀的。從大部分數(shù)據(jù)來看，快速成形市場發(fā)展非常迅速，它所制造的產(chǎn)品也吸引了包括企業(yè)家、投資者、政府、研究人員的注意。在過去的4年（2004～2007年）中，快速成形技術(shù)的產(chǎn)品和服務增長了約6.12億美元。在這期間產(chǎn)業(yè)增長了116%。從1993年到2007年，年度設備銷售增長了約31倍。低端產(chǎn)品（如三維打印機）仍然是帶動增長的主要力量，特別在單臺銷售中更為顯著。
全球快速成形設備銷售在2007年達到4 930臺，比2006年的4 151臺增加了18.8%。2006年的增長率是17.7%，2005的增長率是23.5%。與2003年～2006年相似，三維打印機占了2007銷售中的大部分。從1996年到2007年，三維打印機的單位銷售平均增長了40.4%。三維打印機在過去4年（2004～2007年）的銷售約占快速成形系統(tǒng)銷售的72%。在過去3年中，Stratasys & Z公司約58%的設備銷售到美國以外的國家與地區(qū)。這些數(shù)字讓人印象深刻，然而更可觀的是其背后還有巨大潛力，特別是考慮到快速成形系統(tǒng)在制造領(lǐng)域的巨大作用，其增長可能會更加迅速。制造終端比建模和成形部件更加有挑戰(zhàn)性，因此其應用需要一段時間的推廣。此外，快速制造（如金屬直接成形）技術(shù)被廣泛認為是快速成形技術(shù)在今后應用最廣泛的領(lǐng)域。
快速成形的產(chǎn)品銷售和服務，在2006年的收入總額為9.837億美元，到2007年，增長了16%，達到了11.41億美元，這也是快速成形技術(shù)第一次年總收入超過10億美元。在2005年和2006年，增長率分別為14.6%和21.7%。11.41億美元的總銷售額是從快速成形市場的初級收入中匯總得到的。該市場包括全世界范圍內(nèi)所有涉及快速成形制造技術(shù)的產(chǎn)品和服務。產(chǎn)品包括快速成形設備、設備升級、原料和修理零件、第三方的軟件和激光器。服務包括服務商的原型制作、系統(tǒng)維護、培訓、研究會、會議、展覽會、廣告、出版、合同研究和咨詢。
2007年相關(guān)機構(gòu)在新型快速成形系統(tǒng)和新材料的研發(fā)上投入6.105億美元。這較2006年投入5.322億美元增長了14.7%。設備和材料的研發(fā)費在2006年、2005年和2004年分別增長20%、10%和48.3%。設備銷售和升級占到了3.896億美元，比2006年增長了13.7%。
2007年快速成形制造設備的平均銷售價格是79040美元。快速成形制造服務收入由2006年的4.515億美元，增長到2007年的5.306億美元，增長了17.5%。服務收入在2006年、2005年和2004年分別增長了23.7%，20.9%和17.%。2007年是連續(xù)增長的第5年，產(chǎn)品銷售收入超過了服務收入。
2.2 服務與材料銷售狀況
產(chǎn)品服務創(chuàng)造的收入是可觀的，在全球范圍內(nèi)有不計其數(shù)的設計和制造組織正在加入服務業(yè)。有一個叫Graco Children’s Products的公司，每年制造7 000～10 000個零件，所有零件的制造是由4個快速成形系統(tǒng)和一個工人完成。另一個叫Rockwell Collins的公司，僅用一個快速成形制造系統(tǒng)和一個工人，在4個月內(nèi)制造了6 000個零件。還有一個玩具制造商，僅用幾個快速成形制造系統(tǒng)和兩名工人，每年制造12 000個模型，并且提供每天24 h的送貨服務。以上的例子表明，快速成形制造技術(shù)對經(jīng)濟的影響是巨大的。如果統(tǒng)計成千上萬公司從這項技術(shù)中的獲利，那么這個影響將會是成百上千億美元。
預計快速制造業(yè)的銷售額在未來的幾年里將得到大幅度增長。預計到2012年，全世界快速成形制造的產(chǎn)品和服務的銷售額將會翻一番，達到230億美元。Wohlers Associates相信2015年全年的產(chǎn)值會達到350億美元。
2007年全球所有快速成形系統(tǒng)在材料上的支出約為22 090萬美元。這一數(shù)字比2006年的18 950萬增長了16.6%。這一估值包括樹脂、粉、絲、片狀材料以及其他被用于快速成形系統(tǒng)的材料。圖5（略）為全球快速成形系統(tǒng)2001～2007年7年的材料銷售額。
2007年大約有1 026萬美元被用在光敏樹脂上，比2006年的896萬美元增長了14.4%。光敏樹脂占到了全部材料銷量的46.4%，其中大部分的光敏樹脂的銷售額來自于3D System，DSM Somos，Huntsman, Objet Geometries, Envisiontec以及一些日本樹脂制造商。
圖6（略）為全球快速成形系統(tǒng)光敏樹脂2002～2007年共6年歷史銷售額。
2007年全球范圍內(nèi)服務商通過銷售快速成形生產(chǎn)的零件和模型創(chuàng)造了大約4 070萬美元的收入，比2006年的3 306萬美元增長了23.1%。這些公司在過去4年的銷量增長表現(xiàn)出有限的上升趨勢，近4年的增長率分別為2006年24.7%，2005年24.1%，2004年13%，下滑后2003年的2.5%。
圖7（略）為過去14年服務提供商的收入（百萬美元）。其中僅包含由快速成形制造的零件所帶來的收入，不包括模具、由模具制造的零件、鑄件、手工模型加工技術(shù)、CNC機器加工件、CAD/CAM/CAE以及其他服務所帶來的收入。
2.3 二級市場發(fā)展
二級市場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，由模具得到的鑄件和模型。2007年這個市場營業(yè)額增加了19.2%，達到5.986億美元，該市場營業(yè)額自2003年起連續(xù)5年增長，幾年的增加率分別為：2003年增長2.9%、2004年增長18.3%、2005年增長16.1%、2006年增長13.2%。2007年全球的服務供應商在一級和二級市場共創(chuàng)造了約10.06億美元的營業(yè)額。這個數(shù)字比2006的8.328億美元增加了20.8%。2006年和2005年的增長率分別為17.5%和19%。
2007年,快速成形市場總的營業(yè)額（包括產(chǎn)品和服務收入）為17.4億美元。這比2006年的14.86億美元增加了17.1%。表1列出了一級市場和二級市場各自的營業(yè)額。
表1 銷售收入情況
項目 一級市場 二級市場
服務的營業(yè)額/億美元 4.07 5.986
非服務的營業(yè)額/億美元 7.342
總計/億美元 11.41 5.986
2.4 快速成形設備銷售的增長及預測
圖8（略）為全球快速成形設備銷售的增加趨勢。其中2008年和2009年的數(shù)據(jù)是預測數(shù)據(jù)。Wohlers協(xié)會預測2008年的增長率為20.1%，達到5920臺。2009的增長率為23.8%，達到7 330臺；預計快速成形機的銷售未來幾年會有很大的提高。到2012年，快速成形機的銷售在全球?qū)⑦_到 12 000臺；到2015年，快速成形機的銷售將達到20 000臺。
3 快速成形技術(shù)發(fā)展趨勢
快速成形制造是一種以材料累加為原理的制造方法，可以制造任意復雜的三維結(jié)構(gòu)。快速成形發(fā)展目前最大的難題是材料的物理與化學性能制約了工藝實現(xiàn)。例如，在成形材料上，目前主要是有機高分子材料；金屬材料直接成形是近十多年的研究熱點，難點在于如何提高精度。在成形材料上，發(fā)展方向是研究陶瓷材料和復合材料的快速成形制造。在制造裝備的發(fā)展上，三維打印機是國外近年來的發(fā)展熱點。將其作為計算機一個外設在應用。快速成形技術(shù)在工業(yè)造型、產(chǎn)品創(chuàng)意、工藝美術(shù)等方面有著廣泛的應用前景和巨大的商業(yè)價值。
快速成形技術(shù)的研究熱點和發(fā)展方向分3個方面：
（1） 快速成形制造技術(shù)本身的發(fā)展。例如三維打印技術(shù)，使快速成形走向信息市場；金屬直接成形技術(shù)使結(jié)構(gòu)功能零件可直接制造。進一步的發(fā)展是陶瓷零件的快速成形技術(shù)和復合材料的快速成形。
（2） 快速成形應用領(lǐng)域的拓展。例如快速成形在汽車制造領(lǐng)域的應用為新產(chǎn)品的開發(fā)提供了快捷的支持技術(shù)。快速成形在生物假體與組織工程上的應用，為人工定制假體制造、三維組織支架制造提供了有效的技術(shù)手段。進一步是向創(chuàng)意設計、航空航天制造和功能結(jié)構(gòu)器件領(lǐng)域發(fā)展。
（3） 快速成形學術(shù)思想的發(fā)展。快速成形從過去的外形制造向材料組織與外形結(jié)構(gòu)設計制造一體化方向發(fā)展。力圖實現(xiàn)從微觀組織到宏觀結(jié)構(gòu)的可控制造。例如在制造復合材料時，能否將復合材料組織設計制造與外形結(jié)構(gòu)設計制造同步完成。這樣從更廣泛的意義上實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的“設計—材料—制造”一體化。
4 我國快速成形技術(shù)發(fā)展中存在的問題
我國快速成形技術(shù)自20世紀世紀90年代初開始發(fā)展，西安交通大學、清華大學、華中科技大學、北京隆源公司等院校和企業(yè)在典型的快速成形設備、軟件、材料等方面的研究和產(chǎn)業(yè)化方面的獲得了重大進展。隨后國內(nèi)許多高校和研究機構(gòu)也開展了相關(guān)研究，重點在金屬成形方面開展研究，如西北工業(yè)大學、北京航空航天大學、南京航空航天大學、上海交通大學、中北大學、中國工程物理研究院等單位都在做探索性的研究工作。我國快速成形技術(shù)的研究工作基本與國際同步。
在快速成形技術(shù)新設備研發(fā)和應用方面我國則落后于國外。由于我國在這方面的投入少，企業(yè)的應用開發(fā)能力弱，故相對于歐美國家，在新技術(shù)的開發(fā)上已顯落后。例如三維彩色打印技術(shù)缺少研究與開發(fā)。在應用上，我們許多行業(yè)缺少后續(xù)技術(shù)研發(fā)，例如在快速制造的原型向模具和功能零件轉(zhuǎn)化方面沒有形成系統(tǒng)技術(shù)體系，企業(yè)沒有很好地將此技術(shù)應用在產(chǎn)品開發(fā)方面。國外快速成形技術(shù)在航空領(lǐng)域超過8％的應用量，而我國在這方面的應用量則非常低。快速成形尤其適合于航空航天產(chǎn)品中的零部件單件小批量的制造，具有成本低和效率高的優(yōu)點。例如在飛機和航空發(fā)動機的零部件快速鑄造上，航空器風洞模型制造上，飛機裝配實驗室上都可采用快速成形技術(shù)。這體現(xiàn)出了快速成形在復雜曲面和結(jié)構(gòu)制造上的快速性和經(jīng)濟優(yōu)勢。國外在航空航天器的研制中不斷嘗試應用快速成形技術(shù)，顯示出了巨大發(fā)展?jié)摿ΑＴ谖覈卮蟮膶ｍ椦芯亢秃娇蘸教焓聵I(yè)發(fā)展中，快速成形這一技術(shù)都有廣泛的用途。因此，通過“產(chǎn)學研用”結(jié)合，通過不斷與企業(yè)合作，拓展應用領(lǐng)域，將是快速成形制造技術(shù)發(fā)展的根本方向。
5 結(jié)論
（1） 快速成形產(chǎn)業(yè)近年來仍保持高速發(fā)展趨勢，從1993年到2007年，年度設備銷售量增長了約31倍。三維打印機是帶動增長的主要力量。美國是快速成形設備用量最大的國家，占全球設備的37％，中國使用的設備占全球設備的7％。預測今后幾年仍會以20％左右的速度增長，到2015年快速成形機的銷售將達到20 000臺。
（2） 快速成形技術(shù)向3個方面發(fā)展：① 新的快速成形技術(shù)：低端向廉價便利的快速成形產(chǎn)品發(fā)展，高端向陶瓷和復合材料的快速成形制造方向發(fā)展；② 拓展快速成形應用領(lǐng)域：生物假體與組織工程，創(chuàng)意設計，航空航天制造和功能結(jié)構(gòu)器件；③ 發(fā)展快速成形新的學術(shù)思想：微觀組織到宏觀結(jié)構(gòu)的可控制造，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)體的“設計—材料—制造”一體化。
（3） 我國需要研發(fā)新的快速成形技術(shù)，向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。加強快速成形后續(xù)應用技術(shù)的研發(fā)，通過“產(chǎn)學研用”結(jié)合，與企業(yè)合作不斷拓展應用領(lǐng)域。
