俄亥俄州扬斯顿首个全球前沿“增材金属研究所”

　　【编者按】在金属材料研究方面，美国的优势并不像高分子材料、纳米材料等其他新材料的那样明显，其最发达的是金属材料在军事和航空航天领域的应用。众所周知，美国的军事、航空航天实力全球第一，这也得益于美国在这两个领域全球领先的金属材料研发能力。近年来，增材制造(即3D打印)迅速升温，美国也于2012年10月在俄亥俄州扬斯顿成立了首个世界前沿的国家增材制造创新研究所(NAMII)，以巩固其在增材制造领域的优势。　　

　　在国家研究室方面，除了橡树岭国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、阿贡国家实验室、埃姆斯国家实验室、国家航空航天局(NASA)等享誉全球的国家实验室，还有美国金属加工技术国家中心等专门从事金属材料研究室以及新近成立的国家增材制造创新研究所。

　　美国的大学研究室主要是以基础研究为主。除了知名的MIT、西北大学等老牌材料工程名校，还有侧重金属材料研究的康涅狄格大学等，这些高校研究的资金主要来自NASA、能源部等大财主。金属材料研究大名鼎鼎的公司，则主要是波音、通用等。　　

　　大学研究室：MIT发现金属材料自我修复　　

　　大学方面，麻省理工学院、西北大学、加州大学圣芭芭拉分校、伊利诺伊大学香槟分校、斯坦福大学、康奈尔大学、哈佛大学、宾夕法尼亚大学等都是传统的材料科学工程研究顶尖院校，这些大学在细分的金属材料方面也有着较深的研究底蕴。　　

　　在全美高校之中，麻省理工学院材料工程专业全美排名第一。除了前期介绍过的纳米技术实验室、先进材料实验室，麻省理工学院材料科学与工程系还拥有一个快速成型实验室(RFL)，主要进行金属材料等的快速成型试验。该实验室始建于2007年，初始启动资金来自于Lord Foundation。目前，该实验室RFL拥有数控铣床和车床，两个3D打印机，激光切割机，和一个CAD/CAM工作站。　　

　　自然界中的生物体在遭受损伤时具有自我康复的功能，但你一定没听过金属材料也能自我修复。　　

　　日前，来自麻省理工学院的材料工程系的迈克尔·戴姆克维兹教授和研究生徐国强在一项金属特性实验中意外发现受损的金属也具有自我修复的功能，并通过计算机模型重现了这一修复机制。发现这个机制后，MIT的研究人员计划进一步研究如何设计出相应的金属合金，以便在特殊应用条件下产生自我修复的功能。“我们为之打开了通途，如何设计出可以自我复原的金属材料不会太久。”上述研究人员称。　　

　　西北大学，材料科学与工程排名全美第二，其材料系与阿贡国家实验室广泛合作，尤其是光电子材料和纳米材料方面。西北大学的金属材料包括：形状记忆合金(生物医学植入物)、轻型车辆和高温引擎的多元合金、金属间化合物合金的储氢、电子显微技术的高级特征、合金中纳米析出相的原子探针研究等。　　

　　加州大学圣芭芭拉分校材料科学方面的研究位列美国前三。该学校除了拥有数个全球顶尖的纳米材料实验室，还拥有众多与金属材料研究相关的实验室，包括材料研究实验室(MRL)、多功能材料和结构中心(Cemmas)、节能材料中心(CEEM)、复合材料研究所(Los Alamos)、先进材料中心(MC-CAM)、国际材料研究中心(ICMR)等。　　

　　其中，材料研究实验室是世界公认的五大材料研究中心之一，研究范围宽广，在全球范围内影响力巨大。复合材料研究所(Los Alamos)则是加州大学圣芭芭拉分校与洛斯阿拉莫斯国家实验室合作成立研究项目，主要从事金属复合材料和工程材料方面的研究。此外，先进材料中心(MC-CAM)则是与日本三菱化学公司(Mitsubishi Chemical)合作成立的研究机构。　　

　　宾夕法尼亚大学，主要研究如何研发新型高强度、高韧性合金材料，致力于金属间化合物的基础系统研究，比如钛铝合金和银钼合金等。　　

　　此外，康涅狄格大学、密歇根理工大学、田纳西大学、奥本大学、新墨西哥矿业技术学院、密苏里大学-罗拉分校、普渡大学、凯斯西储大学、密歇根州立大学伍斯特理工学院等院校的材料科学与工程专业名气虽不如MIT等名校，但这些学校的材料工程偏重金属材料的研究，各有千秋。　　

　　康涅狄格大学材料科学研究所(IMS)成立于1965年，是一个先进材料研究中心，研究所占地面积达80000平方英尺。该研究所材料科学方面的研究横跨金属聚合物、金属纳米材料、生物医学金属材料等领域。此外，该研究室拥有一系列生物金属材料、金属材料加工、金属机械材料测试、核磁共振及磁检测、金属粉末特征等相关的先进研究仪器设备。　　

　　“美国学校做的也都是基础方面的研究为主，很多学校研究资金的来源都是NASA。”一位新加坡南洋理工大学机械与宇航工程系研究员表示，“就增材制造(3D打印)涉及的金属材料方面，美国做得比较好的学校有德雷克赛尔大学、密苏里大学和卡耐基梅隆大学等。”

　　“在以上大学中，德雷克赛尔大学的钛合金、镁合金研究比较出色，钛合金可用于人造植入物，镁合金可以溶解，用于飞机制造。密苏里大学准备要做这方面的研究，最近刚争取到资金支持;卡耐基梅隆大学研发了10年的钛合金，但没什么特别的成果。”上述研究员进一步表示。　　

　　国家实验室：美国国家增材制造创新研究所阵容庞大　　

　　在美国，除了世界鼎鼎有名的橡树岭国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、阿贡国家实验室、埃姆斯国家实验室、国家航空航天局(NASA)设有专门的研究金属材料团队之外，还有一些并不耳熟能详但是在高端金属研究领域极具地位的研究所，其中包括美国金属加工技术国家中心(NCEMT)、美国国家增材制造创新研究所。　　

　　橡树岭国家实验室下设一个专门的材料科学和技术部，该部门是由之前的凝聚态物质科学部和金属与陶瓷部整合而成的，金属方面的研究涉及合金、材料在极端环境,如高温、强腐蚀性介质、强辐射下的交互以及材料的物理应用，其中包括材料的超导、热电、储氢、光电催化、能源存储性能等。　　

　　埃姆斯国家实验室材料制备中心(MPC)对金属的研究开发业界知名的，在2013年1月份，美国能源部宣布在该实验室设立重要材料研究所(CMI)，主要目的是解决维护美国能源安全所需的稀土金属和其他材料短缺的问题。　　

　　美国金属加工技术国家中心专业研究范围包括金属的浇铸、半固态、成型、焊接和粉末冶金，其中粉末冶金等静压技术的研究处于前沿。　　

　　“钛合金在航空航天领域用得比较多，现在可以用激光以及电子束加工成型，这些金属加工技术是这几年才兴起来的。”前述南洋理工大学研究员向记者表示。　　

　　而这位研究员提到的用激光和电子束加工成型的技术正是近年来炒得火热的3D打印，也叫做增材制造。作为科技强国，美国在这方面自然不甘人后，2012年10月，美国在俄亥俄州扬斯顿成立了首个世界前沿的国家增材制造创新研究所(NAMII)。　　

　　美国国家增材制造创新研究所由来自行业、学术界、政府和劳动力发展资源领域的成员组成，是奥巴马政府提议在全国建立的15个制造业创新学院的一个。　　

　　目前该研究所至少拥有85家公司，主要包括全球知名的特种金属生产商阿勒格尼技术公司、马丁航空公司，以及3D打印公司ExOne公司、波音公司、通用动力、通用电气、IBM等企业，此外，还包括至少13所研究型大学，主要有卡内基-梅隆大学，凯斯西储大学，肯特州立大学，宾夕法尼亚州立大学，罗伯特莫里斯大学，美国里海大学、阿克伦大学，匹兹堡大学、扬斯顿州立大学以及9个社区学院和18个非营利机构。　　

　　研究所所有成员的目标是将3D打印技术转变成美国制造技术的主流，而研究所的主管爱德华·莫里斯也表示，美国国家增材制造研究所正探索方法，把美国制造业再次转变成主导全球经济的力量。　　

　　公司研究室：3D打印改变公司金属加工方法　　

　　学术、研究和商业形成一体，相辅相成，不仅是美国众多高校研究所和国家实验室运营模式，美国很多大型公司的研究和生产相结合的模式也日臻成熟，波音公司和通用电气公司是当之无愧的典型。　　

　　美国波音公司是世界上航空航天领域规模最大的公司，世界上最大的民用和军用飞机制造商，也是美国国家航空航天局的主要服务提供商。除了设计和生产我们所熟知的民用飞机外，同时也是军用飞机、卫星、导弹防御、人类太空飞行和运载火箭发射领域的全球市场领先者，而且还处于无人驾驶系统军事技术领域的前沿。　　

　　波音公司研发机构命名为鬼怪工程部(Phantom Works)，与该研究部产生的各种天马行空的想法相互映衬。　　

　　在美国，有4000多名波音员工投身其中成为波音特种工程师，从事着近500个高科技项目的研究。鬼怪工程部的制造加工团队曾率先使用高速加工、搅拌摩擦连接、自动化纤维放置和树脂膜注入缝合的方法生产出结构更强、质量更轻、体积巨大的整块复合金属结构并运用于F/A-18E/F“超黄蜂”舰载战斗机上。　　

　　另外一个非常重视前沿金属材料研发和生产的公司是通用电气。打开通用电气公司的增材制造主页，“增材制造正在重塑我们的工作方式”的标语赫然出现。目前，通用电气公司使用了超过300件的3D打印器材。

　　通用电气研究增材制造有20多年之久，其公司著名的全球研发中心下面专门设有一个增材制造实验室，团队里面包含600名工程师，分布在世界21个点，主要专注于新合金的开发、扩充、加工和运用。

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