▌制造業(yè)對增材制造的應(yīng)用需求

我國擁有非常龐大的制造企業(yè)數(shù)量，但企業(yè)的制造理念、經(jīng)營模式和用戶消費模式較為傳統(tǒng)，生產(chǎn)所需原材料的消耗量和浪費量很大，在制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中的地位不高。在傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下，制造產(chǎn)業(yè)往往存在由上游的材料供應(yīng)、中游制造到下游終端用戶單向傳導(dǎo)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(dǎo)至產(chǎn)品供應(yīng)端，另外，隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟的發(fā)展壯大，用戶的個性化定制需求越來越普遍，這給企業(yè)的產(chǎn)品研制和生產(chǎn)帶來了挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)線規(guī)?；a(chǎn)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(yè)必須考慮升級轉(zhuǎn)型，密切關(guān)注互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟環(huán)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(jīng)營服務(wù)模式，以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)價值鏈條的雙向傳導(dǎo)，形成有別于傳統(tǒng)“價值鏈”的“價值網(wǎng)”，為產(chǎn)業(yè)鏈條各個環(huán)節(jié)創(chuàng)造新的發(fā)展契機。

增材制造融合了CAD/CAM、材料加工與成形等技術(shù)，以數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將特制材料逐層堆積固化，制造出實體產(chǎn)品的制造技術(shù)。它與傳統(tǒng)的、對原材料進(jìn)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(tǒng)加工方式和工藝手段的束縛，從無到有的生產(chǎn)產(chǎn)品，特別是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度很大的產(chǎn)品，可簡化產(chǎn)品設(shè)計，提高零部件集成度，加快產(chǎn)品開發(fā)周期。增材制造可節(jié)約制造材料、加工時間和成本，制作形態(tài)各異、奇形怪狀的物品，實現(xiàn)產(chǎn)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(lǐng)域的快速發(fā)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(jié)熱源的不同，主要分為以下四類：

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

立體光刻工藝技術(shù)：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(yīng)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(tǒng)制造更省原料，更經(jīng)濟，機械加工余量小，材料利用率較高。

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

熔融沉積成型工藝技術(shù)：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(jié)成型時，將成型應(yīng)力釋放出來，成型的零件很少出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，可實現(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。

▌增材制造在生產(chǎn)中的應(yīng)用

增材制造的應(yīng)用已不僅僅局限于快速響應(yīng)產(chǎn)品的外觀設(shè)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(dāng)前，通過增材制造技術(shù)制造的零部件越來越多的被成功應(yīng)用于航空航天，國防軍工、醫(yī)療器械、汽車制造、注塑模具等領(lǐng)域。

1   ▏用于傳統(tǒng)工藝制造難度大的零件成型制造

在企業(yè)生產(chǎn)過程中，有些零部件存在形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期相對長、傳統(tǒng)工藝難以生產(chǎn)出來或加工設(shè)備損耗等現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)周期長等問題，為此，可通過增材制造技術(shù)，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(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的精度。

3   ▏快速成形小批量非標(biāo)件

在互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟時代，個性化定制、小批量等生產(chǎn)方式非常普遍，而且這些非標(biāo)件通過傳統(tǒng)的制備工藝造價非常昂貴，而且生產(chǎn)周期長，為此，可通過增材制造技術(shù)精確控制需求符合度，隨時調(diào)整參數(shù)，有效實現(xiàn)外在輪廓及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同步重建，形成具有個性化、小批量需求的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，快速滿足用戶的使用需求。

4   ▏高性能成形修復(fù)受損零件

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

5   ▏異質(zhì)材料的組合制造

增材制造技術(shù)可以在傳統(tǒng)制造出來的零件上任意添加同/異質(zhì)材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合制造，將傳統(tǒng)制造技術(shù)高精度和增材制造的成形復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)合起來，不同結(jié)構(gòu)部位采用不同類別的材料，不僅使其具有與整體制造相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能，而且降低了制造成本，彌補了傳統(tǒng)方式難以組合制造的不足，形成了較好的制造方式。

6   ▏結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化的輕量化制造

經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化的創(chuàng)新模型結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，可制造性較差，傳統(tǒng)的做法是在設(shè)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(yōu)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(chǎn)品設(shè)計帶來了無限創(chuàng)新空間，為實現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計提供了解決途徑。

▌趨勢及前景展望

1   ▏零部件的精度和質(zhì)量不斷提高

零件CAD模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(guī)劃、加工工藝參數(shù)設(shè)定、支撐結(jié)構(gòu)去除及表面處理等因素影響了增材制造的成型精度和質(zhì)量，因此未來增材制造技術(shù)將著力解決產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用過程中關(guān)注的產(chǎn)品質(zhì)量和性能問題。

2  ▏新型、高性能的成型材料將不斷研發(fā)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(fā)生物理和化學(xué)變化，未來多功能納米復(fù)合材料、纖維增強復(fù)合材料、無機填料復(fù)合材料、金屬填料復(fù)合材料等材料將被研發(fā)出來，將不斷拓寬增材制造的應(yīng)用領(lǐng)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(xiàn)全彩增材制造等高質(zhì)量產(chǎn)品的一體化成形，增材制造技術(shù)與機器人、數(shù)控機床、鑄鍛焊等工藝技術(shù)的集成，可滿足無支撐成型等嚴(yán)苛的工藝要求，不僅用于實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的增材制造，實現(xiàn)產(chǎn)品的凈成形，還可用于提高零件CAD模型的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(guī)劃、加工工藝參數(shù)設(shè)定等因素造成的成型精度和質(zhì)量問題。

4  ▏增材制造裝備的兩極化發(fā)展

一方面，工業(yè)用、高精度、大型的快速成型設(shè)備可用于制造精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、高性能的零部件，大型增材制造設(shè)備成型尺寸已步入“米”級時代，不斷呈大型化方向發(fā)展。另一方面，小型微型化和智能化不斷發(fā)展，目前部分成型設(shè)備已達(dá)到微米級，正向納米級發(fā)展，可促進(jìn)增材制造技術(shù)在微流控芯片制造等領(lǐng)域的應(yīng)用。

4  ▏基于融合式創(chuàng)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(chǎn)品生產(chǎn)線柔性與效率；另外將增材制造與智能制造統(tǒng)籌起來，把相關(guān)裝備納入智能制造生產(chǎn)體系，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時管理和優(yōu)化，并通過云制造實現(xiàn)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(shù)及應(yīng)用模式。 

▌結(jié)語

增材制造以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，集合了大規(guī)模生產(chǎn)的高效和手工生產(chǎn)的靈活等優(yōu)點，通過數(shù)字化進(jìn)行精確制造，能實現(xiàn)制造過程的高效率和低成本，代表了智能制造的未來發(fā)展方向。隨著增材制造技術(shù)的不斷進(jìn)步和信息技術(shù)的發(fā)展，增材制造在企業(yè)中的應(yīng)用將越來普及，并逐漸成為未來企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)制造的主要方式。

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