摘要：快速成形是近30年來發展起來的特種加工技術，其優勢在于三維結構的快速和自由制造，它被廣泛應用于新產品開發及單件小批量制造。以美國Wohlers2008報告為依據，介紹了近年來國際上快速成形領域應用、銷售與服務的發展情況，并闡述了我國快速成形技術的發展趨勢。
快速成形制造(RPM)是20世紀80年代末、90年代初由美國開發的高新制造技術，其重要意義可與數控（CNC）技術相比。該技術采用材料累加的新成形原理，直接通過CAD數據制成三維實體模型。這一技術不需要傳統的機床、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，從而實現了“自由制造”。快速成形出現給工業產品的造型開發、工藝品的模型設計提供了最為便捷的制造工具，使產品的開發速度數十倍地提高。而且越是復雜結構的物體，其制造速度提高越顯著。美國的Wohlers協會是從事快速成形技術、市場、應用發展咨詢的組織，每年對快速成形技術發展進行介紹、對市場發展進行分析、對新的發展趨勢進行預測，在國際快速成形領域具有很強的影響力。本文以Wohlers2008報告為依據，介紹了快速成形技術近年來的發展狀況。
1 發展與應用狀況
1.1 行業應用狀況
為評估快速成形技術的發展狀況，Wohlers協會對26個設備制造商和58個應用服務商為對象進行了數據調查，了解快速成形的應用領域。圖1（略）顯示過去3年中的快速成形技術應用產業的狀況。其中消費商品和電子行業的應用仍占主導地位，但是比例從23.7%降低到20.8%；機動車行業從19.1%降低到16.8%；研究機構從8.6%增加到12.1%；醫學和牙科則從13.6%增加到15.2%。在過去的幾年中，醫學和牙科是快速成形制造技術的第三大應用行業。
圖2（略）給出了快速成形技術的主要應用領域。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、直接數字/快速制造、功能模型和模具原型。在近6年中，直接數字/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域。
1.2 世界各國與地區發展狀況
世界上許多國家與地區都在應用快速成形技術。其設備的數量一定程度上表現了國家的經濟活力與創新意識。2007年快速成形系統在全世界的67個國家實現銷售，其中71%在最發達的6個國家。圖3（略）展示了2007年度主要國家與地區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，如中國、日本、臺灣地區和德國都在下降。“其他”這部分國家反映世界上小的國家和區域的情況。這一部分設備銷售和安裝數量在增長，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量所占的比例。除了日本外，其他國家的百分比幾乎沒有發生改變。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年均經歷了相當可觀的兩位數的增長。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套系統增至2007年的92套，增幅67.3%。
2 產業發展狀況
2.1 快速成形設備發展狀況
工業界對快速成形產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多年發展史產業來說是相當可觀的。從大部分數據來看，快速成形市場發展非常迅速，它所制造的產品也吸引了包括企業家、投資者、政府、研究人員的注意。在過去的4年（2004～2007年）中，快速成形技術的產品和服務增長了約6.12億美元。在這期間產業增長了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。這些數字讓人印象深刻，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在制造領域的巨大作用，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）技術被廣泛認為是快速成形技術在今后應用最廣泛的領域。
快速成形的產品銷售和服務，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所有涉及快速成形制造技術的產品和服務。產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年相關機構在新型快速成形系統和新材料的研發上投入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年是連續增長的第5年，產品銷售收入超過了服務收入。
2.2 服務與材料銷售狀況
產品服務創造的收入是可觀的，在全球范圍內有不計其數的設計和制造組織正在加入服務業。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和一個工人，在4個月內制造了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，快速成形制造技術對經濟的影響是巨大的。如果統計成千上萬公司從這項技術中的獲利，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年全年的產值會達到350億美元。
2007年全球所有快速成形系統在材料上的支出約為22 090萬美元。這一數字比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的材料。圖5（略）為全球快速成形系統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光敏樹脂2002～2007年共6年歷史銷售額。
2007年全球范圍內服務商通過銷售快速成形生產的零件和模型創造了大約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、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年這個市場營業額增加了19.2%，達到5.986億美元，該市場營業額自2003年起連續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造了約10.06億美元的營業額。這個數字比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額（包括產品和服務收入）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額。
表1 銷售收入情況
項目 一級市場 二級市場
服務的營業額/億美元 4.07 5.986
非服務的營業額/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年的數據是預測數據。Wohlers協會預測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將達到 12 000臺；到2015年，快速成形機的銷售將達到20 000臺。
3 快速成形技術發展趨勢
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構。快速成形發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。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。在制造裝備的發展上，三維打印機是國外近年來的發展熱點。將其作為計算機一個外設在應用。快速成形技術在工業造型、產品創意、工藝美術等方面有著廣泛的應用前景和巨大的商業價值。
快速成形技術的研究熱點和發展方向分3個方面：
（1） 快速成形制造技術本身的發展。例如三維打印技術，使快速成形走向信息市場；金屬直接成形技術使結構功能零件可直接制造。進一步的發展是陶瓷零件的快速成形技術和復合材料的快速成形。
（2） 快速成形應用領域的拓展。例如快速成形在汽車制造領域的應用為新產品的開發提供了快捷的支持技術。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手段。進一步是向創意設計、航空航天制造和功能結構器件領域發展。
（3） 快速成形學術思想的發展。快速成形從過去的外形制造向材料組織與外形結構設計制造一體化方向發展。力圖實現從微觀組織到宏觀結構的可控制造。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構設計制造同步完成。這樣從更廣泛的意義上實現結構體的“設計—材料—制造”一體化。
4 我國快速成形技術發展中存在的問題
我國快速成形技術自20世紀世紀90年代初開始發展，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在典型的快速成形設備、軟件、材料等方面的研究和產業化方面的獲得了重大進展。隨后國內許多高校和研究機構也開展了相關研究，重點在金屬成形方面開展研究，如西北工業大學、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。我國快速成形技術的研究工作基本與國際同步。
在快速成形技術新設備研發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，企業的應用開發能力弱，故相對于歐美國家，在新技術的開發上已顯落后。例如三維彩色打印技術缺少研究與開發。在應用上，我們許多行業缺少后續技術研發，例如在快速制造的原型向模具和功能零件轉化方面沒有形成系統技術體系，企業沒有很好地將此技術應用在產品開發方面。國外快速成形技術在航空領域超過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點。例如在飛機和航空發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。這體現出了快速成形在復雜曲面和結構制造上的快速性和經濟優勢。國外在航空航天器的研制中不斷嘗試應用快速成形技術，顯示出了巨大發展潛力。在我國重大的專項研究和航空航天事業發展中，快速成形這一技術都有廣泛的用途。因此，通過“產學研用”結合，通過不斷與企業合作，拓展應用領域，將是快速成形制造技術發展的根本方向。
5 結論
（1） 快速成形產業近年來仍保持高速發展趨勢，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） 快速成形技術向3個方面發展：① 新的快速成形技術：低端向廉價便利的快速成形產品發展，高端向陶瓷和復合材料的快速成形制造方向發展；② 拓展快速成形應用領域：生物假體與組織工程，創意設計，航空航天制造和功能結構器件；③ 發展快速成形新的學術思想：微觀組織到宏觀結構的可控制造，實現結構體的“設計—材料—制造”一體化。
（3） 我國需要研發新的快速成形技術，向產業化發展。加強快速成形后續應用技術的研發，通過“產學研用”結合，與企業合作不斷拓展應用領域。
