中培专家论-增材制造及其在企业中的应用研究

▌制造业对增材制造的应用需求

我国拥有非常庞大的制造企业数量，但企业的制造理念、经营模式和用户消费模式较为传统，生产所需原材料的消耗量和浪费量很大，在制造业产业链中的地位不高。在传统生产模式下，制造产业往往存在由上游的材料供应、中游制造到下游终端用户单向传导的价值链条，在这样的链条中消费者的需求并无法直接传导至产品供应端，另外，随着互联网经济的发展壮大，用户的个性化定制需求越来越普遍，这给企业的产品研制和生产带来了挑战，传统的生产线规模化生产模式已无法满足越来越苛刻的个性化消费需求。制造型企业必须考虑升级转型，密切关注互联网经济环境下用户需求的变化特点，紧密抓住消费端变化趋势，更新制造理念及经营服务模式，以实现产业价值链条的双向传导，形成有别于传统“价值链”的“价值网”，为产业链条各个环节创造新的发展契机。

增材制造融合了CAD/CAM、材料加工与成形等技术，以数字化模型文件为基础，通过软件与数控系统将特制材料逐层堆积固化，制造出实体产品的制造技术。它与传统的、对原材料进行切削、组装的加工模式不同，是通过材料累加的原理，改变传统加工方式和工艺手段的束缚，从无到有的生产产品，特别是结构复杂、制造难度很大的产品，可简化产品设计，提高零部件集成度，加快产品开发周期。增材制造可节约制造材料、加工时间和成本，制作形态各异、奇形怪状的物品，实现产品制造的个性化和定制化，并有助于推动新材料、智能制造等领域的快速发展。

▌增材制造的分类

增材制造使用的能源有激光、电子束、紫外光等，按照成型方法、成型材料以及凝结热源的不同，主要分为以下四类：

分层实体制造工艺技术：需要加工原料和加工设备即可进行产品生产加工，不需要机加工和工装磨具，可快速自由成型，有利于节约零件的不同工序加工和组装时间，在进行小批量生产时制造成本较低。

立体光刻工艺技术：通过自下而上的分层制造、逐层叠加的方式一次近净成型，绝大部分材料应用于模型成型，损耗的材料主要是在对成型的支撑上面，可比传统制造更省原料，更经济，机械加工余量小，材料利用率较高。

选择性激光烧结工艺技术：通过激光的高能量束可在很短时间内将温度升高，使金融融化而加工成型，可用于加工制造传统的难以加工材料。

熔融沉积成型工艺技术：采用分层制造、逐层叠加的方式一体化制造成型，每一层凝结成型时，将成型应力释放出来，成型的零件很少出现应力集中问题，可实现多种材料任意复合制造、加工效率高、不受零件复杂外形限制等。

▌增材制造在生产中的应用

增材制造的应用已不仅仅局限于快速响应产品的外观设计，抑或是工艺辅助的间接制造，而是延伸到了零件的直接制造过程。当前，通过增材制造技术制造的零部件越来越多的被成功应用于航空航天，国防军工、医疗器械、汽车制造、注塑模具等领域。

1   ▏用于传统工艺制造难度大的零件成型制造

在企业生产过程中，有些零部件存在形状复杂、生产周期相对长、传统工艺难以生产出来或加工设备损耗等现象，为此，可以通过增材制造快速制造出满足这些要求的零部件，而且加工周期短、成本低、无需工装和模具。

2   ▏制备高成本材料零件

生产加工过程中，部分原材料由于具有高硬度、耐高温等特性存在难以加工、加工成本高、材料损耗多、生产周期长等问题，为此，可通过增材制造技术，利用激光、电子等高能束，可极大改善材料加工难度，降低材料损耗和成本费用，也可提高复杂几何结构的精度。

3   ▏快速成形小批量非标件

在互联网经济时代，个性化定制、小批量等生产方式非常普遍，而且这些非标件通过传统的制备工艺造价非常昂贵，而且生产周期长，为此，可通过增材制造技术精确控制需求符合度，随时调整参数，有效实现外在轮廓及内部结构的同步重建，形成具有个性化、小批量需求的复杂结构，快速满足用户的使用需求。

4   ▏高性能成形修复受损零件

在传统工艺下，高成本零件受损后只能做表面的涂层修复，维修工序步骤繁多，而且还涉及到机加、抛光、调试等一些额外步骤，维修耗时较长，对于受损稍严重的零部件只能进行更换处理，为此，通过增材制造技术可快速成形修复高成本零件，能对任意缺失或损坏的部分进行成形和修复，延长了使用寿命，降低了成本。

5   ▏异质材料的组合制造

增材制造技术可以在传统制造出来的零件上任意添加同/异质材料的精细结构进行组合制造，将传统制造技术高精度和增材制造的成形复杂精细结构优化结合起来，不同结构部位采用不同类别的材料，不仅使其具有与整体制造相当的力学性能，而且降低了制造成本，弥补了传统方式难以组合制造的不足，形成了较好的制造方式。

6   ▏结合拓扑优化的轻量化制造

经过拓扑优化的创新模型结构十分复杂，可制造性较差，传统的做法是在设计阶段需要引入制造性约束，牺牲掉了轻量化和高性能上的优势，为此，可通过增材制造快速自由成形，而不用考虑制造约束问题，为产品设计带来了无限创新空间，为实现最优化的设计提供了解决途径。

▌趋势及前景展望

1   ▏零部件的精度和质量不断提高

零件CAD模型的数据转换、成型方向的选择和处理手法、堆积成型过程中加工策略的规划、加工工艺参数设定、支撑结构去除及表面处理等因素影响了增材制造的成型精度和质量，因此未来增材制造技术将着力解决产业化应用过程中关注的产品质量和性能问题。

2  ▏新型、高性能的成型材料将不断研发出来

目前增材制造中广泛使用的材料有光敏树脂、塑料、金属粉末、陶瓷、蜡、箔材等，价格较高，成型过程和后处理过程容易发生物理和化学变化，未来多功能纳米复合材料、纤维增强复合材料、无机填料复合材料、金属填料复合材料等材料将被研发出来，将不断拓宽增材制造的应用领域。

3  ▏多材料多工艺增材制造将被广泛采用

融合多种增材制造工艺，实现全彩增材制造等高质量产品的一体化成形，增材制造技术与机器人、数控机床、铸锻焊等工艺技术的集成，可满足无支撑成型等严苛的工艺要求，不仅用于实现复杂结构产品的增材制造，实现产品的净成形，还可用于提高零件CAD模型的数据转换、成型方向的选择和处理手法、堆积成型过程中加工策略的规划、加工工艺参数设定等因素造成的成型精度和质量问题。

4  ▏增材制造装备的两极化发展

一方面，工业用、高精度、大型的快速成型设备可用于制造精度高、结构复杂、高性能的零部件，大型增材制造设备成型尺寸已步入“米”级时代，不断呈大型化方向发展。另一方面，小型微型化和智能化不断发展，目前部分成型设备已达到微米级，正向纳米级发展，可促进增材制造技术在微流控芯片制造等领域的应用。

4  ▏基于融合式创新的新模式

通过增材制造与减材制造融合，提升成型效率和精度，助力柔性制造，赋予产品生产线柔性与效率；另外将增材制造与智能制造统筹起来，把相关装备纳入智能制造生产体系，实现生产过程的实时管理和优化，并通过云制造实现分散的社会智力资源和增材制造资源的快速集成，将重塑增材制造技术及应用模式。 

▌结语

增材制造以数字模型为基础，集合了大规模生产的高效和手工生产的灵活等优点，通过数字化进行精确制造，能实现制造过程的高效率和低成本，代表了智能制造的未来发展方向。随着增材制造技术的不断进步和信息技术的发展，增材制造在企业中的应用将越来普及，并逐渐成为未来企业产品生产制造的主要方式。

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