▌制造業對增材制造的應用需求

我國擁有非常龐大的制造企業數量，但企業的制造理念、經營模式和用戶消費模式較為傳統，生產所需原材料的消耗量和浪費量很大，在制造業產業鏈中的地位不高。在傳統生產模式下，制造產業往往存在由上游的材料供應、中游制造到下游終端用戶單向傳導的價值鏈條，在這樣的鏈條中消費者的需求并無法直接傳導至產品供應端，另外，隨著互聯網經濟的發展壯大，用戶的個性化定制需求越來越普遍，這給企業的產品研制和生產帶來了挑戰，傳統的生產線規模化生產模式已無法滿足越來越苛刻的個性化消費需求。制造型企業必須考慮升級轉型，密切關注互聯網經濟環境下用戶需求的變化特點，緊密抓住消費端變化趨勢，更新制造理念及經營服務模式，以實現產業價值鏈條的雙向傳導，形成有別于傳統“價值鏈”的“價值網”，為產業鏈條各個環節創造新的發展契機。

增材制造融合了CAD/CAM、材料加工與成形等技術，以數字化模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將特制材料逐層堆積固化，制造出實體產品的制造技術。它與傳統的、對原材料進行切削、組裝的加工模式不同，是通過材料累加的原理，改變傳統加工方式和工藝手段的束縛，從無到有的生產產品，特別是結構復雜、制造難度很大的產品，可簡化產品設計，提高零部件集成度，加快產品開發周期。增材制造可節約制造材料、加工時間和成本，制作形態各異、奇形怪狀的物品，實現產品制造的個性化和定制化，并有助于推動新材料、智能制造等領域的快速發展。

▌增材制造的分類

增材制造使用的能源有激光、電子束、紫外光等，按照成型方法、成型材料以及凝結熱源的不同，主要分為以下四類：

分層實體制造工藝技術：需要加工原料和加工設備即可進行產品生產加工，不需要機加工和工裝磨具，可快速自由成型，有利于節約零件的不同工序加工和組裝時間，在進行小批量生產時制造成本較低。

立體光刻工藝技術：通過自下而上的分層制造、逐層疊加的方式一次近凈成型，絕大部分材料應用于模型成型，損耗的材料主要是在對成型的支撐上面，可比傳統制造更省原料，更經濟，機械加工余量小，材料利用率較高。

選擇性激光燒結工藝技術：通過激光的高能量束可在很短時間內將溫度升高，使金融融化而加工成型，可用于加工制造傳統的難以加工材料。

熔融沉積成型工藝技術：采用分層制造、逐層疊加的方式一體化制造成型，每一層凝結成型時，將成型應力釋放出來，成型的零件很少出現應力集中問題，可實現多種材料任意復合制造、加工效率高、不受零件復雜外形限制等。

▌增材制造在生產中的應用

增材制造的應用已不僅僅局限于快速響應產品的外觀設計，抑或是工藝輔助的間接制造，而是延伸到了零件的直接制造過程。當前，通過增材制造技術制造的零部件越來越多的被成功應用于航空航天，國防軍工、醫療器械、汽車制造、注塑模具等領域。

1   ▏用于傳統工藝制造難度大的零件成型制造

在企業生產過程中，有些零部件存在形狀復雜、生產周期相對長、傳統工藝難以生產出來或加工設備損耗等現象，為此，可以通過增材制造快速制造出滿足這些要求的零部件，而且加工周期短、成本低、無需工裝和模具。

2   ▏制備高成本材料零件

生產加工過程中，部分原材料由于具有高硬度、耐高溫等特性存在難以加工、加工成本高、材料損耗多、生產周期長等問題，為此，可通過增材制造技術，利用激光、電子等高能束，可極大改善材料加工難度，降低材料損耗和成本費用，也可提高復雜幾何結構的精度。

3   ▏快速成形小批量非標件

在互聯網經濟時代，個性化定制、小批量等生產方式非常普遍，而且這些非標件通過傳統的制備工藝造價非常昂貴，而且生產周期長，為此，可通過增材制造技術精確控制需求符合度，隨時調整參數，有效實現外在輪廓及內部結構的同步重建，形成具有個性化、小批量需求的復雜結構，快速滿足用戶的使用需求。

4   ▏高性能成形修復受損零件

在傳統工藝下，高成本零件受損后只能做表面的涂層修復，維修工序步驟繁多，而且還涉及到機加、拋光、調試等一些額外步驟，維修耗時較長，對于受損稍嚴重的零部件只能進行更換處理，為此，通過增材制造技術可快速成形修復高成本零件，能對任意缺失或損壞的部分進行成形和修復，延長了使用壽命，降低了成本。

5   ▏異質材料的組合制造

增材制造技術可以在傳統制造出來的零件上任意添加同/異質材料的精細結構進行組合制造，將傳統制造技術高精度和增材制造的成形復雜精細結構優化結合起來，不同結構部位采用不同類別的材料，不僅使其具有與整體制造相當的力學性能，而且降低了制造成本，彌補了傳統方式難以組合制造的不足，形成了較好的制造方式。

6   ▏結合拓撲優化的輕量化制造

經過拓撲優化的創新模型結構十分復雜，可制造性較差，傳統的做法是在設計階段需要引入制造性約束，犧牲掉了輕量化和高性能上的優勢，為此，可通過增材制造快速自由成形，而不用考慮制造約束問題，為產品設計帶來了無限創新空間，為實現最優化的設計提供了解決途徑。

▌趨勢及前景展望

1   ▏零部件的精度和質量不斷提高

零件CAD模型的數據轉換、成型方向的選擇和處理手法、堆積成型過程中加工策略的規劃、加工工藝參數設定、支撐結構去除及表面處理等因素影響了增材制造的成型精度和質量，因此未來增材制造技術將著力解決產業化應用過程中關注的產品質量和性能問題。

2  ▏新型、高性能的成型材料將不斷研發出來

目前增材制造中廣泛使用的材料有光敏樹脂、塑料、金屬粉末、陶瓷、蠟、箔材等，價格較高，成型過程和后處理過程容易發生物理和化學變化，未來多功能納米復合材料、纖維增強復合材料、無機填料復合材料、金屬填料復合材料等材料將被研發出來，將不斷拓寬增材制造的應用領域。

3  ▏多材料多工藝增材制造將被廣泛采用

融合多種增材制造工藝，實現全彩增材制造等高質量產品的一體化成形，增材制造技術與機器人、數控機床、鑄鍛焊等工藝技術的集成，可滿足無支撐成型等嚴苛的工藝要求，不僅用于實現復雜結構產品的增材制造，實現產品的凈成形，還可用于提高零件CAD模型的數據轉換、成型方向的選擇和處理手法、堆積成型過程中加工策略的規劃、加工工藝參數設定等因素造成的成型精度和質量問題。

4  ▏增材制造裝備的兩極化發展

一方面，工業用、高精度、大型的快速成型設備可用于制造精度高、結構復雜、高性能的零部件，大型增材制造設備成型尺寸已步入“米”級時代，不斷呈大型化方向發展。另一方面，小型微型化和智能化不斷發展，目前部分成型設備已達到微米級，正向納米級發展，可促進增材制造技術在微流控芯片制造等領域的應用。

4  ▏基于融合式創新的新模式

通過增材制造與減材制造融合，提升成型效率和精度，助力柔性制造，賦予產品生產線柔性與效率；另外將增材制造與智能制造統籌起來，把相關裝備納入智能制造生產體系，實現生產過程的實時管理和優化，并通過云制造實現分散的社會智力資源和增材制造資源的快速集成，將重塑增材制造技術及應用模式。 

▌結語

增材制造以數字模型為基礎，集合了大規模生產的高效和手工生產的靈活等優點，通過數字化進行精確制造，能實現制造過程的高效率和低成本，代表了智能制造的未來發展方向。隨著增材制造技術的不斷進步和信息技術的發展，增材制造在企業中的應用將越來普及，并逐漸成為未來企業產品生產制造的主要方式。

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