增材制造的概述

251理论研究

1　概述 纵观人类发展史，制造技术和人类文明总是相互映衬。人类文明发展至今，制造技术的发展主要有两个方向：材料的发展和工具的发展。但是随着人类文明的不断进步，制造技术的特点也会发生巨大改变。如果可以站在更长的人类历史展望制造技术，那么或许未来制造将发生本质的改变。 进入21世纪，未来制造初现端倪。随着3D打印技术的不断成熟和推广应用，减材制造和增材制造的概念不断出现。在现阶段，减材制造是为了区别新兴的堆积材料加工的制造技术而对传统去除材料加工的制造技术的统称。由于目前各种先进加工技术刚刚产生还不能形成统一的体系，所以增材制造的概念还很模糊。虽然如此，但是用“增材制造”这个名词来形容未来制造发展的特点是非常形象的。由于本文的目的是探讨未来制造业的发展，这里就大胆以“增材制造”代表“未来制造”，希望通过对“增材制造”的展望来勾勒出未来制造的美好图景。2　增材制造的发展方向 制造技术的发展总是和社会需求密切相关。未来高效节约型的社会势必会让制造技术变得绿色和更加精确。根据堆积材料的特点，增材制造将会把原材料变得越来越小，也会越来越单一。根据现代原子物理基本知识，不同元素的区别在于原子核内质子数量或者核外电子的数量，也就是说组成元素的基本粒子（这里指质子和电子）是相同的。增材制造最终将以组成物质的基本粒子作为原材料。3　增材制造的发展特点 可以想象，与传统减材制造不同，增材制造可以不依靠材料，不产生废弃物，不受被制造物品复杂的几何形状约束，不需要繁冗的多级工艺处理和各种加工设备，而可以实现极为快速和轻松的制造过程。 增材制造可以不依靠材料。这里是指可以不用事先获得满足某个属性的原材料。在传统的减材制造过程中，需要针对性的选用不同特点的材料进行加工。比如制造汽车时要获得具有弹性的轮胎而需要弹性材料橡胶，要获得具有足够强度和耐磨性的支撑零件而需要高强度和硬度的合金材料。在未来增材制造中，满足产品特征的所有性能可以在制造过程中而不是事先获得。比如未来制造一辆汽车，那么汽车车身各个部分在形成过程中自然获得相应的属性特点。 增材制造不产生废弃物。由于增材制造现实的是基本粒子水平的构建行为，因此所有参与构建的基本元素之间没有任何差异而不会造成无用的浪费。在未来文明世界中，废弃物将彻底消失。 增材制造不受产品复杂程度的影响。因为增材制造的制造过程实质是根据产品的结构信息利用基本粒子重构产品的过程，因此只要获得了产品的结构信息，就可以完整复制出和信息一模一样的产品。至此产品本身的复杂程度和精细程度不会成为加工过程的障碍。 增材制造不需要繁冗的多级工艺处理和各种加工设备。正因为产品构建的原理相同，因而生产实现产品的机器甚至一样，从而可以摆脱繁冗的多级工艺处理和各种加工设备。4　增材制造发展面临的困难 从目前的发展来看，要实现以上特点的增材制造至少需要克服两大问题。首先是实现原子甚至亚原子水平上的建造，这是一个无比精细和庞大的工程。其次是人类必须获取并掌控足够多的能源以应付庞大工程的能量消耗。 实现原子甚至亚原子水平上的建造是非常困难的。在我们常规的生产中，产品的尺寸越小，对加工工具的精度要求就越高。不过，人类已经向实现粒子操控迈向了第一步。比如，我国科学家就利用隧道扫描显微镜的针尖在硅原子表面通过移动硅原子排列出了“中国”两个汉字。虽然目前的技术距离实现粒子水平的加工制造还有很长的距离，但给我们指出了这种可能。同时，这种建造工程是无比庞大的，就算是一件很小的钥匙其中所包含的原子的数量就可以达到1023数量级之多，这个数量是传统加工技术所难以想象的。 增材制造还必须克服能源的限制。不论是将物品分解以获取基本粒子或者是将基本粒子重新组建成新的物品都是需要耗费难以想象的巨大能量。就算现在能够利用操控粒子来增材制造一把钥匙，其生产成本也远远大于传统的加工方法。很显然，如此浪费能量的制造方法要能够获得应用就必须使能源的获得变得容易和廉价。我们知道太阳每时每刻都在向宇宙辐射能量，而地球吸收的能量仅占其中数十亿分之一，就算这数十亿分之一的吸收率，地球每年从太阳上获取的能量的总和也要比人类有史以来使用的能量的总和还要多得多。况且宇宙中像太阳一样的恒星数不尽数，不怕人类不够用，只怕人类用不到。科幻小说里，高度文明的外星人通过无数的小型能量收集机器人可以将一颗恒星的能量全部吸收，虽然人类还只能想象这样的场景，但是人类的确也迈出了自己的一大步。全球核聚变研究蓬勃的发展让人类看到了未来无限能源的曙光。5　增材制造的美好景愿 未来的模样实在让人难以想象却又让人忍不住去猜想。也许未来的某一天，一个人在家里就可以制造出他想要的任何东西。如果真的出现了这样的场景，未来人的想法也会变得和我们大不一样。但只要增材制造能够在人类的明天实现，那么有几点是可以肯定的。没有人将因为物资的匮乏而贫穷，人类文明将高度发达，人类将摆脱物质的束缚而追求最富足的精神快乐。参考文献：[1]王英.机械自动化技术应用与发展前景[J].科技传播,2010(24).[2]乔固.机械自动化控制系统浅谈[J].科技风,2010(07).[3]冯衡滨.试论我国机械自动化技术的发展[J].民营科技,2008(02). 作者简介：廖伟强（1987-），男，湖北宜昌人，工科学士，研究方向：机械设计制造及其自动化。展望“增材制造”廖伟强（雅安职业技术学院,四川 雅安 625000）摘　要：与传统减材制造不同，增材制造可以不依靠材料，不产生废弃物，不受被制造物品复杂的几何形状约束，不需要繁冗的多级工艺处理和各种加工设备，而可以实现极为快速和轻松的制造过程。增材制造的最终目标应当是实现以基本粒子为基本单元来构建任何可以想象的结构。随着人类文明的不断发展，人类对能源的掌控和对物质的利用将会变得非常巨大和精细。关键词：增材制造; 减材制造; 现代制造; 未来制造DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2017.10.216

增材制造介绍

一、增材制造的概述

增材制造，又称为3D打印，是一种通过逐层堆积材料来构建物体的制造技术。它利用数字化模型文件作为基础，将材料逐层堆积成为实际的物品，不同于传统的去除材料加工方式。这种技术的起源可以追溯到上世纪80年代，但近年来随着科技的进步，增材制造得到了广泛的应用和发展。

二、增材制造的原理

增材制造的原理基于离散-堆积原理，它将物品进行层层分解，得到一系列的二维平面数据，然后通过逐层堆积的方式将材料重新组合起来。具体过程如下：

1. 通过计算机辅助设计（CAD）软件或三维扫描仪建立数字化三维模型。

2. 将三维模型进行切片处理，得到一系列的二维截面数据。

3. 打印设备根据切片数据，逐层堆积材料，形成三维实体。

4. 经过后处理，得到最终的制成品。

三、增材制造的应用

增材制造的应用广泛，涵盖了航空航天、医疗、建筑、汽车、教育等多个领域。以下是增材制造的一些主要应用：

1. 航空航天：增材制造被用于制造航空航天领域的复杂零部件，如发动机零件、飞机框架等。

2. 医疗领域：通过增材制造技术，可以定制个性化的医疗器械、人体植入物、组织工程等。例如，通过3D打印技术制作牙齿、骨骼和器官的模型，用于手术规划和训练。

3. 建筑领域：建筑师使用增材制造来制作建筑模型，能够更好地理解设计方案的空间效果和比例关系，从而提高设计效率。 4. 汽车制造：汽车行业利用增材制造技术生产复杂和高质量的零件，例如汽车零部件原型或生产工具。此外，增材制造还可以用于生产定制的汽车零件或配件，以满足客户的个性化需求。

5. 教育领域：在教育领域中，增材制造被用于制作教学模型和演示工具，帮助学生更好地理解复杂的概念和结构。例如，教师可以使用3D打印机制作生物学或物理学的教学模型，以便学生更好地理解结构和功能。

6. 食品加工：近年来，食品加工行业也开始探索增材制造技术的应用。通过使用3D食品打印机，可以按照数字模型制作出各种形状和质地的食品。这种技术为食品加工提供了更多的创意和定制化可能性。

增材制造技术的概念

增材制造技术是一种先进的制造工艺，也被称为3D打印技术。它利用数字化设计文件，通过逐层堆叠材料的方式，制造出三维实体物体。与传统的减材制造技术相比，增材制造技术具有快速、灵活、节约材料、可定制性强等特点，因此在航空航天、医疗、汽车制造等领域得到广泛应用。本文将从增材制造技术的基本原理、应用领域、未来发展趋势等方面进行详细阐述。

一、增材制造技术的基本原理

增材制造技术的基本原理是根据数字化的三维模型，通过一层层的堆叠材料来逐渐构建出所需的实体物体。其工艺流程可以简单描述为：根据设计要求，使用CAD软件绘制出三维模型并进行优化；通过CAM软件将模型切片，生成逐层堆叠的路径信息；然后，将材料（如金属粉末、塑料丝等）按照路径信息逐层加工，通过激光束或其他形式的能量源将材料熔化、固化，逐渐堆叠而成；去除支撑结构、表面处理等工艺，使得最终的产品符合设计要求。整个制造过程快速、灵活，可大大节约材料和加工时间，实现了低成本、高效率的制造。

二、增材制造技术的应用领域

1.航空航天领域

增材制造技术在航空航天领域具有广泛的应用前景。可以利用增材制造技术生产轻量化的航空发动机零部件，提高发动机的性能和燃烧效率；还可以制造复杂的内部结构零件，如燃烧室等，大大提高零部件的整体性能。在航天器件制造方面，增材制造技术也可以实现快速、灵活的生产，并且可根据具体需求进行个性化定制，符合航空航天产品的特殊要求。

2.医疗领域

在医疗领域，增材制造技术可以应用于定制化医疗器械的制造，包括假体植入件、牙科种植体等。通过增材制造技术，可以根据患者个体化的需求，精确制造符合其身体结构的医疗器械，提高手术的成功率和患者的生活质量。增材制造技术还可以用于生物医学领域的研究，如生物打印技术等，为医学研究和临床应用提供新的可能性。

3.汽车制造领域

在汽车制造领域，增材制造技术也发挥着重要的作用。通过增材制造技术，可以制造轻量化、复杂形状的汽车零部件，提高汽车的燃油效率和安全性能，减少车辆的自重。增材制造技术还可以为汽车制造业提供快速样件、个性化零部件等解决方案，提高制造效率和产品质量。 三、增材制造技术的未来发展趋势

Logo

增材制造

增材制造（Additive

Manufacturing，AM）技术是采用材料逐渐累

加的方法制造实体零件的技术，相对于传统的

材料去除－切削加工技术，是一种“自下而上”

的制造方法。

Company Logo

Logo

增材制造按能量源分类

激光束

电子束

等离子或等离子束

Company Logo通过热源加热材料使之结合、直接制造零

件，统称高能束流快速制造

Logo

增材制造按工艺分类

Company LogoLMD技术

SLM技术

Logo

LMD技术

Company LogoLMD技术基本原理LMD技术作为增材制造技术的一种，是通过快速成型（RapidPrototyping，RP）技术和激光熔覆技术有机结合，以金属粉末为加工原料，采用高能密度

激光束将喷洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。整个LMD系统包括激光器、激光制冷机组、激光光路系统、激光加工机床、激光熔化沉积腔、送粉系统及工艺监控系统等。LMD快速成型技术的基本原理为：首先，利用切片技术将连续的三维CAD

数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片；第二，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强度等，并转换成相应的计算机数字控制程序；第三，将激光溶化沉积腔抽真

空，并充入一定压力的惰性保护气体，防止粉末熔化时被氧化；第四，计算

机控制送粉系统向工作台上的基板喷粉，同时激光器在计算机指令控制下，

按照预先设置的扫描程序进行扫描，溶化喷洒出来的粉末，熔覆生成与这一

层形状、尺寸一致的熔覆层；最后，激光阵镜、同轴送粉喷嘴等整体上移

（或工作台下移）一个切片厚度并重复上述过程，逐层熔覆堆积直到形成CAD

模型所设计的形状，加工出所需的金属零件。