增材制造(additive manufacture，AM)又稱“3D打印"，是基于離散-堆積原理，采用與減材制造技術(shù)相反的加工方式(逐層累加)，最終得到立體實(shí)物的過(guò)程。具有近凈成形、加工成本低、加工周期短、設(shè)計(jì)自由度大、節(jié)約原材料、節(jié)省時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。

目前，增材制造成形材料包含了金屬、非金屬、復(fù)合材料、生物材料等，成形工藝能量源包括激光、電子束、特殊波長(zhǎng)光源、電弧以及以上能量源的組合，成形尺寸從微納米元器件到10m以上大型航空結(jié)構(gòu)件，在航空航天、國(guó)防、工業(yè)、醫(yī)療、汽車、電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

增材制造技術(shù)因?yàn)橹恍枰屑庸ぴ虾图庸ぴO(shè)備就能夠進(jìn)行產(chǎn)品加工，不需要機(jī)械加工和工裝模具，可以實(shí)現(xiàn)一次成型，節(jié)約了零件的不同工序加工和組裝消耗的時(shí)間，進(jìn)行單件小批量的生產(chǎn)時(shí)，增材制造的成本低。

增材制造技術(shù)因?yàn)槭且淮纬尚?，“自下而?的“分層制造、逐層疊加"而成型的，材料的損耗大部分是用于對(duì)模型成型的支撐上，而絕大部分材料是應(yīng)用于模型的成型上。因此，增材制造相比傳統(tǒng)減材制造更加的節(jié)省原料，也更加的節(jié)約能源，因此更經(jīng)濟(jì)些，材料利用率也更高些。

激光具有的相干性好、單色性好、方向性好和亮度高的特點(diǎn)，尤其是其高能量束能夠在很短的時(shí)間將溫度升高到數(shù)千度，在此溫度下絕大部分的金屬都能夠被融化加工成型。因此，傳統(tǒng)的難加工材料如38CrMnSiA、TC4等，都可被加工制造出來(lái)。

增材制造技術(shù)采用的是一體化制造成型技術(shù)，相比由零件間組裝成的整體部件具有更強(qiáng)的剛度和穩(wěn)定性。另外，增材制造采用的分層制造、逐層疊加的成型技術(shù)，在每一片層凝結(jié)成型時(shí)，已經(jīng)將成型應(yīng)力釋放，因此制造的零件沒(méi)有應(yīng)力集中或者應(yīng)力集中現(xiàn)象很少。

當(dāng)然，增材制造技術(shù)還有很多其他方面的優(yōu)勢(shì)，比如可實(shí)現(xiàn)多種材料任意復(fù)合制造、加工效率高、不受零件復(fù)雜外形限制等。

　　在機(jī)加工、鑄造或模塑生產(chǎn)當(dāng)中，復(fù)雜設(shè)計(jì)的代價(jià)高昂，其每項(xiàng)細(xì)節(jié)都必須通過(guò)使用額外的刀具或其它步驟進(jìn)行制造。相比而言，在增材制造當(dāng)中，部件的復(fù)雜度極少需要或根本無(wú)需額外考慮。增材制造可以構(gòu)建出其它制造工藝所不能實(shí)現(xiàn)或無(wú)法想像的形狀，可以從純粹考慮功能性的方面來(lái)設(shè)計(jì)部件，而無(wú)需考慮與制造相關(guān)的限制。

　　增材制造過(guò)程無(wú)需生產(chǎn)或裝配硬模具，且裝夾過(guò)程用時(shí)較短，因此它不存在那些需要通過(guò)大批量生產(chǎn)才能抵消的典型的生產(chǎn)成本。增材工藝允許采用非常低的生產(chǎn)批量，包括單件生產(chǎn)，就能達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的打印生產(chǎn)目的。

　　增材制造部件，特別是金屬部件，仍然需要進(jìn)行機(jī)加工。增材制造工序經(jīng)常不能達(dá)到關(guān)鍵性部件所要求的最終細(xì)節(jié)、尺寸和表面光潔度的要求。但是所有近凈成形工藝當(dāng)中，增材制造是凈成形水平最高的工藝，其后續(xù)機(jī)加工所必須切削掉的材料數(shù)量是很微量的。

　　增材制造的構(gòu)建時(shí)間經(jīng)?？梢愿鶕?jù)部件設(shè)計(jì)方案直接預(yù)測(cè)出來(lái)，這意味著生產(chǎn)用時(shí)可以預(yù)測(cè)得很精確。隨著增材制造業(yè)的拓展，制造商對(duì)于自己的制造時(shí)間表編制將擁有嚴(yán)密得多的控制力。

　　通過(guò)增材制造所構(gòu)建的復(fù)雜形狀可以一體成形，取代那些目前還需采用眾多部件裝配而成的產(chǎn)品。這意味著增材工藝所帶來(lái)的節(jié)省效果包括了省去了之前需投入到裝配工序的工作量、需涉及的堅(jiān)固件、釬焊或焊接工序，還有單純?yōu)榱搜b配操作而添加的多余表面形狀和材料。

不可否認(rèn)，增材制造是一種革命性的制造技術(shù)，但仍然存在一些挑戰(zhàn)：

• 難以將生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大到大規(guī)模制造水平

• 大多數(shù) 3D 打印機(jī)的打印尺寸有限

• 某些技術(shù)或材料需要大量的后處理

  
  

值得注意的是，增材制造技術(shù)正在不斷飛躍，制造商和打印機(jī)開(kāi)發(fā)商正為現(xiàn)有的生產(chǎn)問(wèn)題提出新的解決方案。

 在航天領(lǐng)域，尤其是航天器零部件和天線等結(jié)構(gòu)方面的領(lǐng)域，得益于太空的零（微）重力環(huán)境，在軌增材制造可以打印很多傳統(tǒng)加工方式難以實(shí)現(xiàn)的零部件。

在航空領(lǐng)域，增材制造的應(yīng)用逐漸成熟，從最初在非關(guān)鍵部件上的應(yīng)用逐漸過(guò)渡到例如發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的制造。例如使用增材制造燃油噴嘴，在減少部件的同時(shí)，提高燃油效率。

在可以預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，增材制造將在航空領(lǐng)域大放異彩，乃至于影響到飛機(jī)的整體設(shè)計(jì)。另外，3D打印為新型可變機(jī)翼的研發(fā)提供了強(qiáng)大的加工能力，顯著提高了新型結(jié)構(gòu)的研發(fā)效率，并實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于可變機(jī)翼的全新的結(jié)構(gòu)體系。

隨著人口老齡化進(jìn)程的急速加快和人均可支出醫(yī)療費(fèi)用的增加，健康問(wèn)題也逐漸成為人們所密切關(guān)注的問(wèn)題，由此也促進(jìn)了國(guó)內(nèi)外醫(yī)療植入物市場(chǎng)的大爆發(fā)。

3D打印技術(shù)由于可根據(jù)患者需求個(gè)性化地定制植入體形狀，并且精確控制植入物的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)植入物外形和力學(xué)性能與人體自身骨的雙重適配，主要應(yīng)用于齒科、骨科及顱頜面外科等硬組織的修復(fù)和替代醫(yī)療硬植體市場(chǎng)。經(jīng)歷了近20年的發(fā)展歷程，金屬3D打印醫(yī)療植入物技術(shù)逐漸成熟，實(shí)現(xiàn)從基礎(chǔ)研究向應(yīng)用轉(zhuǎn)化發(fā)展。

隨著汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來(lái)越快，環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，對(duì)汽車輕量化要求日益提高，千篇一律的汽車外形不再能滿足客戶的消費(fèi)要求，個(gè)性化定制的需求越來(lái)越強(qiáng)烈等急迫需求，3D打印因其無(wú)需開(kāi)模，可節(jié)省產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本和時(shí)間，不受模具限制，可隨意打印復(fù)雜型面及異形結(jié)構(gòu)，在推動(dòng)產(chǎn)品快速化、輕量化、定制化方面的優(yōu)勢(shì)給汽車帶來(lái)了新的機(jī)遇，目前已被大量運(yùn)用于汽車生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)。

在現(xiàn)代微波通訊系統(tǒng)及電磁應(yīng)用領(lǐng)域中，增材制造技術(shù)為器件的小型化、輕質(zhì)化、高精度、低成本制造提供了新方法，可有效降低傳統(tǒng)制造中存在的材料冗余、裝配誤差等缺點(diǎn)。在未來(lái)微波及太赫茲器件的增材制造技術(shù)發(fā)展方面，提升制造質(zhì)量和速度，研發(fā)新材料以適應(yīng)多功能需求以及實(shí)現(xiàn)更高頻器件制造將具有廣闊空間。隨著5G時(shí)代的到來(lái)和無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展，陶瓷材料的AM有望在新型手機(jī)背板的開(kāi)發(fā)上發(fā)揮重要作用。

3D 打印建筑方法有望以更少的人更快、更便宜、更準(zhǔn)確地建造房屋。3D 建筑公司還表示，他們的材料將比大多數(shù)傳統(tǒng)建筑材料更耐用，更堅(jiān)固。有了這些好處，難怪 3D 打印建筑正在獲得動(dòng)力。事實(shí)上，全球建筑機(jī)器人市場(chǎng)（不久前還不存在的東西）預(yù)計(jì)將在未來(lái)五年內(nèi)增長(zhǎng)近 20%。

當(dāng)然，增材制造也為所有消費(fèi)品生產(chǎn)商提供了多種好處，尤其是在快速原型制作方面。設(shè)計(jì)師可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)提出一個(gè)新的產(chǎn)品概念并打印出一個(gè)功能原型，并在幾周內(nèi)準(zhǔn)備好上市的新產(chǎn)品。

快速原型設(shè)計(jì)使企業(yè)家和大型企業(yè)都能夠加快產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。產(chǎn)品的多個(gè)版本可以同時(shí)在內(nèi)部進(jìn)行 3D 打印，并且對(duì)材料沒(méi)有限制。

每個(gè)增材制造的產(chǎn)品都是從數(shù)字 3D 模型開(kāi)始的，幾乎所有產(chǎn)品都是使用 CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）軟件創(chuàng)建的。

在為增材制造創(chuàng)建 3D 模型時(shí)，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)應(yīng)用增材制造設(shè)計(jì) （DfAM） 的原則。3D 建模師使用 DfAM 原理在 CAD 軟件中繪制產(chǎn)品模型。他們必須考慮材料的特性和將用于零件的 3D 打印技術(shù)，例如材料收縮，同時(shí)還要應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化、支座規(guī)劃和晶格結(jié)構(gòu)等技術(shù)來(lái)優(yōu)化增材制造零件。

增材制造商使用的其他軟件包括：

• 3D 掃描應(yīng)用

• 打印準(zhǔn)備軟件

• 仿真軟件

• 3D 打印機(jī)操作系統(tǒng)

  
  

若您對(duì)3D打印的廣闊世界充滿好奇，渴望深入了解其技術(shù)細(xì)節(jié)與最新動(dòng)態(tài)，請(qǐng)隨時(shí)與我們?nèi)〉寐?lián)系。我們期待與您一同探索這一革命性技術(shù)的無(wú)限潛力。