增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及前景分析

李文揚(yáng)

摘要：當(dāng)前增材制造技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常迅速，利用增材制造技術(shù)可以有效解決傳統(tǒng)技術(shù)中復(fù)雜零部件的成型問題。增材制造技術(shù)彌補(bǔ)并融入當(dāng)前生產(chǎn)模式，從經(jīng)濟(jì)、社交和創(chuàng)意等方面改變著我們的生活。

關(guān)鍵詞：增材制造技術(shù);發(fā)展;前景分析;3D打印

增材制造技術(shù)是利用材料學(xué)、光學(xué)等綜合學(xué)科知識(shí)將材料堆積成具有一定結(jié)構(gòu)和功能的零件的一種先進(jìn)技術(shù)，又稱3D打印技術(shù)。與傳統(tǒng)的制造技術(shù)不同，增材制造技術(shù)不需要刀具設(shè)備和復(fù)雜的操作工序，只需要利用三維數(shù)據(jù)，即可以在相應(yīng)的設(shè)備上制造出所需的零件，利用增材制造技術(shù)可以解決傳統(tǒng)制造的弊端，提升產(chǎn)品的制造速度。本文主要從增材制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)概述出發(fā)，分析增材制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其前景。

一、增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)概述

（一）增材制造技術(shù)的概念及原理

增材制造技術(shù)起源于20世紀(jì)80年代，它是融合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、材料加工與成形技術(shù)、以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料，按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實(shí)體物品的制造技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的對(duì)原材料去除一切削、組裝的加工模式不同，是一種通過材料累加的制造方法，從無到有。這使得過去受到傳統(tǒng)制造方式約束，而無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造變?yōu)榭赡堋３Ｒ姷脑霾闹圃旒夹g(shù)工藝有以下幾種：一是熔融沉積成形技術(shù)（FDDM），對(duì)熱熔性材料加熱融化，通過噴頭擠出，而后固化成形;二是立體光固化成形技術(shù)（SLA），利用紫外線或其他光源照射使光敏樹脂凝固成形，逐層固化;三是選擇性激光燒結(jié)成形技術(shù)（SLS），利用激光照射材料，使材料熔融后燒結(jié)成形;四是分層實(shí)體制造技術(shù)（LOM），讓一層層材料相互黏合，然后切割成形;五是粉末黏結(jié)成形技術(shù)（3DP），鋪設(shè)粉末，然后噴射黏合劑，讓材料粉末黏結(jié)成形;六是電子束熔化成形技術(shù)（EBM），利用電子束轟擊材料，使材料熔融后燒結(jié)成形。

（二）增材制造技術(shù)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)制造相比，增材制造具有較大的優(yōu)勢(shì)，其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是造物周期短，傳統(tǒng)制造往往需要根據(jù)產(chǎn)品的樣式制造相應(yīng)的模具，之后才可以進(jìn)行產(chǎn)品的加工和生產(chǎn)，而利用增材制造技術(shù)無需模具造物周期短，這樣在時(shí)間和費(fèi)用上都可以有一定程度的降低，從而節(jié)約成本;二是制造方法簡(jiǎn)單，增材制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)和制造一體化，這樣就可以解決一些傳統(tǒng)制造工藝較難解決的問題，特別是大型薄壁件、蜂窩狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件、鈦合金等難加工、易熱成形等零件的制造方面增材制造具有較大優(yōu)勢(shì);三是增量制造，傳統(tǒng)制造工藝是做減法，在去除一些材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工，但增材制造是做加法，增加材料進(jìn)行加工，這樣可以有效提升材料的利用率，而且不受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的控制;四是適應(yīng)單件小批量個(gè)性化需求，增材制造能降低小批量生產(chǎn)的成本，對(duì)于傳統(tǒng)制造來說，無論是大批量還是小批量都需要專門的設(shè)備、模具以及生產(chǎn)線，因此，小批量生產(chǎn)的成本較高，基于此很多企業(yè)可能不大愿意進(jìn)行小批量生產(chǎn)，而利用增材制造技術(shù)可輕松實(shí)現(xiàn)單件小批量生產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)差異化、個(gè)性化單件的定制生產(chǎn)。

二、增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的起步時(shí)間較早，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，目前，美國(guó)、德國(guó)、以色列等國(guó)家處于領(lǐng)先水平。國(guó)內(nèi)在彥永年、史玉升、盧秉恒等先驅(qū)的努力下，在核心技術(shù)上具有領(lǐng)先的一面，科學(xué)研究上，清華大學(xué)、北航、西安交大和華中科大等都成立了研發(fā)中心，并且其科研水平達(dá)到世界一流，但是科研與市場(chǎng)的銜接度不高，還并沒有產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效果，產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展稍顯滯后。盡管增材制造技術(shù)所取得的科研水平較高，而且其專利數(shù)量也比較多，但是其還存在一定的問題，比如說低水平重復(fù)率較高，所研發(fā)的成果未能實(shí)現(xiàn)商品化和產(chǎn)業(yè)化。同時(shí)，企業(yè)對(duì)于增材制造技術(shù)的認(rèn)識(shí)不足，在資金和人才投入方面力度不高。目前，增材制造大部分的資金投入都是政府承擔(dān)，個(gè)人企業(yè)的投入率是比較低的。早期由于3D打印技術(shù)設(shè)備較為昂貴，很多中小型企業(yè)都沒有能力承擔(dān)。就現(xiàn)階段增材制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展來說，國(guó)外仍是其主要消費(fèi)市場(chǎng)，美國(guó)是增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)源地，其次是西歐和中國(guó)，2019年，我國(guó)增材制造技術(shù)行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)20億美元。從增材制造技術(shù)的發(fā)展來看，其發(fā)展前景非常可觀。

隨著國(guó)家和市場(chǎng)的重視，如今已經(jīng)有很多知名企業(yè)投入增材制造技術(shù)的研發(fā)中。截止到2019年，全球3D打印市場(chǎng)的規(guī)模已經(jīng)高達(dá)138億美元，與上一年相比增長(zhǎng)了將近21.2%。從細(xì)分領(lǐng)域來看，最主要的收入來源為3D打印機(jī)和3D打印材料。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，主要其中在獨(dú)立制造、醫(yī)療保健、教育領(lǐng)域、專業(yè)服務(wù)領(lǐng)域以及消費(fèi)者服務(wù)領(lǐng)域等幾個(gè)方面。增材制造技術(shù)用于器官移植和醫(yī)療器械制造，同時(shí)還能夠應(yīng)用到毀容患者面部重建，在骨科、牙科等眾多領(lǐng)域中已經(jīng)開始應(yīng)用這一技術(shù)。在教育中應(yīng)用這一技術(shù)可以讓學(xué)生自行設(shè)計(jì)、建模并打印。如今，很多高校、職業(yè)院校都開設(shè)了3D打印技術(shù)專業(yè)。在2020年抗擊新冠病毒疫情期間，3D打印技術(shù)也發(fā)揮了有效的助力作用，3D打印無需模具、快速成型的技術(shù)優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮，快速、靈活的響應(yīng)醫(yī)療物資生產(chǎn)需求。例如，匹克、萬華化學(xué)、安世亞太、華翔增量制造、湖南云箭集團(tuán)等眾多中國(guó)企業(yè)以自身技術(shù)力量、商業(yè)資源，生產(chǎn)3D打印護(hù)目鏡、3D打印口罩扣等醫(yī)用物資，與前線抗擊疫情的醫(yī)護(hù)人員攜手共克時(shí)艱。

三、增材制造技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前景分析

（一）應(yīng)用的范圍和領(lǐng)域會(huì)逐步擴(kuò)大

如今增材制造技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用到很多行業(yè)中，隨著不斷的研發(fā)，未來增材制造技術(shù)的應(yīng)用范圍會(huì)越來越廣。3D打印機(jī)操作簡(jiǎn)單，而且體積面積也將朝著小型化的方向發(fā)展，更加適用于設(shè)計(jì)制造一體化的產(chǎn)品需求，設(shè)計(jì)者可以直接利用互聯(lián)網(wǎng)和3D打印機(jī)實(shí)施實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，在醫(yī)學(xué)、建筑學(xué)以及日常生活的各個(gè)領(lǐng)域中，都能看到很多3D打印技術(shù)的創(chuàng)造性應(yīng)用。

（二）加強(qiáng)零件的精度和質(zhì)量

精度和質(zhì)量是增材制造的關(guān)鍵，盡管增材制造技術(shù)的工藝手段有很多種，但是部分技術(shù)的精度是比較的，精度和質(zhì)量貫穿整個(gè)過程，在成型之前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化和處理，成型時(shí)所要選擇的切片方向以及工藝參數(shù)的選取，成型后的支撐等各個(gè)方面都需要涉及精度和質(zhì)量問題，因此，未來增材制造技術(shù)需要不斷提升零件制造的精度和質(zhì)量。

（三）開發(fā)高效的成型材料和設(shè)備

對(duì)于不同的產(chǎn)品來說，所需要的成型材料和設(shè)備也是有所不同的，材料和設(shè)備是成型工藝的基礎(chǔ)，目前所使用的材料有熱塑性材料、光敏樹脂等，但是這些材料的價(jià)格相對(duì)較高，而且在成型過程中還比較容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和物理變形，這就導(dǎo)致所生產(chǎn)出的最終材料可能無法直接使用，還需做進(jìn)一步的加工處理，為此，在以后的研究中還需加大對(duì)低成本、高效能材料的開發(fā)。未來設(shè)備應(yīng)該是朝著精密化、智能化、通用化及便捷化等方向發(fā)展，既能滿足工業(yè)生產(chǎn)需求，能高速、高效、高精度地用于產(chǎn)品制造，又能滿足家庭日常應(yīng)用需求。

（四）綠色化方向發(fā)展

如今工業(yè)生產(chǎn)都開始朝著集約化和綠色化的方向發(fā)展，這符合可持續(xù)發(fā)展的要求和目標(biāo)，對(duì)于增材制造來說也應(yīng)如此，清潔、無污染才能是增材制造技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的王道。增材制造技術(shù)的某些工藝手段會(huì)產(chǎn)生較高程度的污染，為此，在增材制造技術(shù)發(fā)展中需要不斷改進(jìn)手段和方式，從而實(shí)現(xiàn)其綠色發(fā)展。

四、結(jié)語

當(dāng)前增材制造技術(shù)已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用，相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非常迅速，利用增材制造技術(shù)可以有效解決傳統(tǒng)技術(shù)中復(fù)雜零部件的成型問題。增材制造技術(shù)彌補(bǔ)并融入當(dāng)前生產(chǎn)模式，從經(jīng)濟(jì)、社交和創(chuàng)意等方面改變著我們的生活。