增材制造技术的发展历史

1. 增材制造技术的发展历史

增材制造(Additive Manufacturing, AM)的历史基础几乎可以追溯到150年前，当时人们利用二维图层叠加来成型三维的地形图。20世纪60年代和70年代的研究工作验证了第一批现代AM工艺，包括20世纪60年代末的光聚合技术，1972年的粉末熔融工艺，以及1979年的薄片叠层技术。然而，当时的AM技术尚处于起步阶段，几乎完全没有商业市场，对研发的投入也很少。
到20世纪80年代和90年代初，AM相关专利和学术出版物的数量明显增多，出现了很多创新的AM技术，例如1989年麻省理工学院的3D打印技术（3DP），与90年代的激光束熔化工艺。同一时期，一些AM技术被成功商业化，包括光固化（SL）技术、固体熔融沉积技术（FDM），以及激光烧结技术（SLS）。但是在当时，高成本、有限的材料选择，尺寸限制以及有限的精度，限制了AM技术在工业上的应用，只能用于小量快速原型件或模型的制作。
20世纪90年代和2000年代是AM的增长期。电子束熔化（EBM）等新技术实现了商业化，而现有技术得到了改进。研究者的注意力开始转向开发AM相关软件。出现了AM的专用文件格式，AM的专用软件，如Materialise的Magics开发完成。设备的改进和工艺的开发使3D增材制造产品的质量得到了很大提高，开始被用于工具甚至最终零件。
2000年代后期，金属的AM技术在众多AM技术中脱颖而出，成为了市场关注的重点。金属增材制造技术的设备，材料和工艺相互促进发展，多种不同的金属增材技术互相竞争，互相促进，不同的技术特点开始展现，应用方向也逐渐明朗。

2. 增材制造的优缺点？

对于不同的增材制造技术，其优缺点也各不相同，对于不同需求的人群而言，在选择增材制造技术时，更需要深入了解不同增材制造技术优缺点。FDM技术
优点：清洁易用，适合办公室环境，可打印复杂几何形状和内腔模型，并且支持小批量直接生产。
缺点：在打印内腔模型时，需要配合支撑结构，支撑面效果相对弱一些，同时由于需要对整个截面逐步打印，成型速度较SLA更慢一些。                PolyJet技术
优点：可同时打印7种材料，实现50万种颜色、渐变和纹理，其制作的模型表面平滑、细节把握较好，办公环境也较友好。通过PolyJet技术打印的模型可以直接处理和使用，不需要再做进一步的固化。
缺点：同样需要支撑结构，使用光敏树脂为耗材，打印成本较高，成型模具强度较低。                                                                                                      除了上述增材制造技术，目前较新的增材制造技术还有SAF 技术，3D打印领军企业Stratasys公司2021年为生产级3D打印设备引入的就是SAF 技术，可以满足大规模生产需求。                                                                                    总的来说，增材制造技术主要问题还是集中在打印成本、打印强度、打印精度和可打印材料的限制上。

3. 增材制造的技术优势

AM技术不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现了零件“自由制造”，解决了许多复杂结构零件的成形，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且产品结构越复杂，其制造速度的作用就越显著。

4. 增材制造的概述

增材制造技术是指基于离散-堆积原理，由零件三维数据驱动直接制造零件的科学技术体系。基于不同的分类原则和理解方式，增材制造技术还有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多种称谓，其内涵仍在不断深化，外延也不断扩展，这里所说的“增材制造”与“快速成形”、“快速制造”意义相同。　　工业化的LSF-V大型激光立体成形装备所谓数字化增材制造技术就是一种三维实体快速自由成形制造新技术，它综合了计算机的图形处理、数字化信息和控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高技术的优势，学者们对其有多种描述。西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东教授称这种新技术为“数字化增材制造”，中国机械工程学会宋天虎秘书长称其为“增量化制造”，其实它就是不久前引起社会广泛关注的“三维打印”技术的一种。西方媒体把这种实体自由成形制造技术誉为将带来“第三次工业革命”的新技术。

5. 增材制造的关键技术

一是材料单元的控制技术。即如何控制材料单元在堆积过程中的物理与化学变化是一个难点，例如金属直接成型中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界气氛控制直接影响制造精度和制件性能。　　二是设备的再涂层技术。增材制造的自动化涂层是材料累加的必要工序，再涂层的工艺方法直接决定了零件在累加方向的精度和质量。分层厚度向0.01mm发展，控制更小的层厚及其稳定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的关键。　　三是高效制造技术。增材制造在向大尺寸构件制造技术发展，例如金属激光直接制造飞机上的钛合金框睴结构件，框睴结构件长度可达6m，制作时间过长，如何实现多激光束同步制造，提高制造效率，保证同步增材组织之间的一致性和制造结合区域质量是发展的难点。　　此外，为提高效率，增材制造与传统切削制造结合，发展材料累加制造与材料去除制造复合制造技术方法也是发展的方向和关键技术。

6. 增材制造的政策建议

3D打印技术正在成为发达国家实现制造业回流、提升产业竞争力的重要载体。可以说，新一轮的全球制造业竞争，极有可能是3D打印与机器人等高端装备的竞争。以3D打印为代表的数字化、智能化制造以及新型材料的应用将重塑制造业和服务业的关系，重塑国家和地区比较优势，重塑经济发展格局，加快第三次工业革命的进程。作为一项正在发展中的制造技术，增材制造的成熟度还远不能同金属切削、铸、锻、焊、粉末冶金等制造技术相比，还有大量研究工作需要进行，包括激光成型专用合金体系、零件的组织与性能控制、应力变形控制、缺陷的检测与控制、先进装备的研发等，涉及到从科学基础、工程化应用到产业化生产的质量保证各个层次的研究工作。　　我国在快速成型技术新设备研发和应用上投入不足，在许多方面落后于国外。相对于美欧国家，我们在新技术的开发上已显落后，例如三维彩色打印技术缺少研究与开发。在应用上，我们许多行业缺少后续技术研发，例如在快速制造的原型向模具和功能零件转化方面没有形成系统技术体系，企业没有很好地将此技术应用在产品开发方面。　　快速成型尤其适合于航空航天产品中的零部件单件小批量的制造，具有成本低和效率高的优点。这体现出了快速成型在复杂曲面和结构制造上的快速性和经济性优势。国外快速成型技术在航空领域超过8%的应用量，而我国的应用量则非常低。　　在国内，一些快速成型设备制造企业都是各自为政，而且一些研究相关技术的高校及科研院所也是各自为政，这种松散型的行业关系，使得国内的快速成型技术发展缓慢，很难与国外技术相抗衡。为此，专家建议政府部门和行业高度关注新技术的发展，并给予政策扶持。除了产业政策和资金支持外，希望可以组成行业联盟。　　专家建议，国家相关政府部门牵头组织成立行业协会或技术联盟之类的紧密型组织，整合国内相关资源，发挥科研单位及生产制造企业的各自优势，扬长补短，真正使国内的快速成型技术赶超国外、使快速成型设备制造水平得到提高，使我国增材制造技术快速发展，以引领制造业加快转型升级。

7. 增材制造的技术应用

 高速、高机动性、长续航能力、安全高效低成本运行等苛刻服役条件对飞行器结构设计、材料和制造提出了更高要求。轻量化、整体化、长寿命、高可靠性、结构功能一体化以及低成本运行成为结构设计、材料应用和制造技术共同面临的严峻挑战，这取决于结构设计、结构材料和现代制造技术的进步与创新。　　首先，增材制造技术能够满足航空武器装备研制的低成本、短周期需求。随着技术的进步，为了减轻机体重量，提高机体寿命，降低制造成本，飞机结构中大型整体金属构件的使用越来越多。大型整体钛合金结构制造技术已经成为现代飞机制造工艺先进性的重要标志之一。美国F-22后机身加强框、F-14和“狂风”的中央翼盒均采用了整体钛合金结构。大型金属结构传统制造方法是锻造再机械加工，但能用于制造大型或超大型金属锻坯的装备较为稀缺，高昂的模具费用和较长的制造周期仍难满足新型号的快速低成本研制的需求；另外，一些大型结构还具有复杂的形状或特殊规格，用锻造方法难以制造。而增量制造技术对零件结构尺寸不敏感，可以制造超大、超厚、复杂型腔等特殊结构。除了大型结构，还有一些具有极其复杂外形的中小型零件，如带有空间曲面及密集复杂孔道结构等，用其他方法很难制造，而用高能束流选区制造技术可以实现零件的净成形，仅需抛光即可装机使用。传统制造行业中，单件、小批量的超规格产品往往成为制约整机生产的瓶颈，通过增量制造技术能够实现以相对较低的成本提供这类产品。　　据统计，我国大型航空钛合金零件的材料利用率非常低，平均不超过10 %；同时，模锻、铸造还需要大量的工装模具，由此带来研制成本的上升。通过高能束流增量制造技术，可以节省材料三分之二以上，数控加工时间减少一半以上，同时无须模具，从而能够将研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低，节省国家宝贵的科研经费。　　通过大量使用基于金属粉末和丝材的高能束流增材制造技术生产飞机零件，从而实现结构的整体化，降低成本和周期，达到“快速反应，无模敏捷制造”的目的。随着我国综合国力的提升和科学技术的进步，为了缩小与发达国家的差距，保证研制速度、加快装备更新速度，急需要这种新型无模敏捷制造技术——金属结构快速成形直接制造技术。　　其次，增材制造技术有助于促进设计-生产过程从平面思维向立体思维的转变。传统制造思维是先从使用目的形成三维构想，转化成二维图纸，再制造成三维实体。在空间维度转换过程中，差错、干涉、非最优化等现象一直存在，而对于极度复杂的三维空间结构，无论是三维构想还是二维图纸化已十分困难。计算机辅助设计（CAD）为三维构想提供了重要工具，但虚拟数字三维构型仍然不能完全推演出实际结构的装配特性、物理特征、运动特征等诸多属性。采用增量制造技术，实现三维设计、三维检验与优化，甚至三维直接制造，可以摆脱二维制造思想的束缚，直接面向零件的三维属性进行设计与生产，大大简化设计流程，从而促进产品的技术更新与性能优化。在飞机结构设计时，设计者既要考虑结构与功能，还要考虑制造工艺，增材制造的最终目标是解放零件制造对设计者的思想束缚，使飞机结构设计师将精力集中在如何更好实现功能的优化，而非零件的制造上。在以往的大量实践中，利用增量制造技术，快速准确地制造并验证设计思想在飞机关键零部件的研制过程中已经发挥了重要的作用。另一个重要的应用是原型制造，即构建模型，用于设计评估，例如风洞模型，通过增材制造迅速生产出模型，可以大大加快“设计-验证”迭代循环。　　再次，增材制造技术能够改造现有的技术形态，促进制造技术提升。利用增量制造技术提升现有制造技术水平的典型的应用是铸造行业。利用快速原型技术制造蜡模可以将生产效率提高数十倍，而产品质量和一致性也得到大大提升；利用快速制模技术可以三维打印出用于金属制造的砂型，大大提高了生产效率和质量。在铸造行业采用增量制造快速制模已渐成趋势。

8. 增材制造的分类