增材制造技术在工业制造领域中的意义是什么

近年来，随着制造技术和经济发展水平的提高，人们的消费习惯逐步往个性化消费模式转变，这种转变带来了传统制造模式的改变，相对应的制造技术手段也发生了变化。为了适应这种变化，技术专家们一直在寻找合适的技术手段。20世纪80年代中期，增材制造技术开始发展，为未来制造业、未来社会生产模式以及人类生活方式的变革提供了一种前所未有的技术方法。

美国汽车研究中心（CAR）于2019年3月发布了白皮书《推动增材制造进入移动行业——商业案例：增材制造移动行业联盟（MCAM）》。此白皮书站在汽车行业发展的角度，阐述了近年来由于人们对移动出行越来越多的个性化、安全性、信息化服务需求，汽车制造行业在设计、制造、商业模式、快速反应能力等环节需要进行快速彻底的改进。而增材制造技术为以上目标的实现提供了一种可行的技术保障手段，肯定了以美国汽车研究中心为核心建立的“增材制造移动行业联盟”对汽车行业个性化发展所具有的重要意义。 

表1：增材制造技术种类、典型材料、主要应用和示例公司

（来源：美国混合动力制造技术公司（HMT）、3D科学谷、汽车研究中心调查）

汽车制造只是全球制造业的一个缩影，我们可看出增材制造技术对整个制造业发展所带来的深刻影响。

表2：汽车制造商的增材制造应用方案（来源：汽车研究中心调查）

传统的制造手段严重制约了设计师的想象力和创造力，扼杀了人们对更加个性化产品需求的欲望。增材制造技术的应用无疑会使设计人员挣脱禁锢创造力的无形枷锁，设计出更加优秀的产品，这全靠增材制造独具特色的成型方式带来的变革，这是因为：

●设计师可在保证产品性能的前提下设计出结构更复杂的零部件，并最大可能的减少零部件数量，优化装配流程；

●可以最大限度地应用拓扑优化方法，使产品轻量化设计变得更加容易实现；

●更多的高性能复合材料在设计中得以应用；

●可以最大限度地满足人们对个性化产品的需求。

在制造环节方面，主要体现为：

●由于增材制造原则上无需模具，设计限制少，因此可以大幅度缩短原型制造周期；

●在单体或小批量生产时，可使用增材制造生产模具，大幅度降低一些由于设计变更导致的昂贵的前期成本；

●引入增材制造生产的模具，可使模具制造交付周期缩短40%-90%，产品废品率减少近90%。

随着增材制造技术的引入，产品商业模式也会发生深刻变革，例如：按需生产、分散式生产、降低产品维护周期、客户参与制造、降低物流成本等。

总之，增材制造给传统制造业带来的改变及发展远景是令人鼓舞和期待的，但该技术现阶段面临的挑战也需要我们正确地去面对。

现有增材制造技术在制造行业面临的挑战

增材制造技术始一出现，带给人们传统思维方式的冲击是无以复加的，经过三十多年的飞速发展，更令人欣喜若狂、期待满满。但任何技术的出现、发展、走向成熟的历程从来都不是一马平川的，增材制造技术现阶段面临的挑战主要有：

●在打印产品质量方面：一是不同设备、不同批次的产品质量存在差异；二是制造过程中可操作变量对零部件质量有何影响，尚无深层次的认知；三是目前还没有打印成品无损检测评价技术和标准。

●打印技术缺陷急需解决：一是打印过程中由于零部件各个位置几何尺寸不连续，造成冷却速度不同，易发生变形，影响尺寸精度；二是层与层之间粘结强度不足，易产生应力集中；三是混合材料打印技术还有待开发、完善。

●由于现有设备打印效率不高，故零部件制造周期不适合大批量生产，而且打印部件的后处理工序复杂耗时，人工浪费巨大；

●增材制造相应耗材现阶段市场供应品种还显匮乏，质量无规范控制标准，现有材料认证标准都偏向于传统制造模式。

但是，无论面临多大挑战，人类在新技术上探索、应用的脚步永远不会停止。 

对我国制造业发展的启示

我国的增材制造产业经过近三十年的发展，在国家的大力推动下，已经形成可观的产业规模，发展势头迅猛。但不可否认的是，我们在原创技术的掌握、研发上还与发达国家有较大差距，例如软件开发能力不足、关键硬件依赖进口、打印材料品种较少等。未来如再不加以重视，产业发展势必受到严重制约。

以美德为代表的发达国家，早已将增材制造放在战略发展的高度，已经形成国家重视扶持、企业踊跃参与、研发机构积极配合的良好态势。而我国自从2013年对增材技术呈现出不理性的热度之后，经过几年来的行业洗礼，逐步到达目前正常发展的理性阶段，很多企业尤其是大型企业已经开始在生产中应用增材制造技术，尤其是在航空航天、医疗、机械制造、轻工行业、文化创意、复合材料等行业，已经显示出增材制造技术的应用所带来的增值效应，解决了很多以前无法解决的制造难题，推动了相应行业的发展。

经过多年的发展和行业内的艰难探索，增材制造行业得到了长足的进步，但是由于增材制造技术特点的先天限制，导致这种技术依然处于适用于难加工材料、复杂形状、复杂装配空间所需或者传统制造方法无法实现的零部件，或者这些零部件能够承受高成本、长时间制造的约束。大规模的市场应用目前依然有困难。个人认为增材制造技术虽然本质上是属于个性化制造方法，但是应该在充分发挥个性化制造特点的基础上，寻找适用于批量生产扩大市场应用范围的可能，从而推动增材制造行业的快速发展，特别是在以下几个方面：

●提高增材制造设备的打印效率，这就要从关键零部件入手，如：激光打印头的改进、打印物理速度的提高等。目前国内有厂家已经在提供激光打印头效率方面取得了突破性的进展。

●着重发展间接增材制造，如：铸造打印（包括砂型砂芯、蜡型、陶瓷型芯型壳等）金属模具的打印尤其是具有复杂随形流道的注塑模具。

●继续大力发展医疗打印，尤其是目前已经呈快速发展趋势的物理医疗打印，从政策层面给予一定的优惠支持（如加快医疗器械许可证的发放周期等），同时也要时刻关注生物医疗打印的科研发展，尤其在国家层面上给予多一点的经费和政策扶持。可以预见，医疗打印是未来增材制造发展最快、市场容量最大的一个行业。物理医疗打印为人类提供了一个以前根本无法想象的提高医疗效果、改善生活质量的强有力的技术手段。而人体器官三维的重现，从虚拟到现实通道的物理连接得以实现，为医患双方展现了一个全新的互动空间，大大提高了医疗质量，改善了患者的生活质量。生物医疗打印未来的可能实现为人类展现了一个难以想象的未来世界，一旦真的进入临床应用，也许是比组织基因工程更快得到实际应用效果的一种医工结合的技术手段，未来预期不可想象。增材技术应用于医疗行业是数字化医疗的重要方向，是医工结合的典范，必将对医疗行业的变革产生深远的影响。

●用于绿色再制造行业，是增材制造技术发挥优势的重要领域，也符合绿色循环生产的要求。例如：我国预计到2020年汽车保有量将突破2.7亿辆，每年报废≧1200万辆，大力发展汽车循环经济已经迫在眉睫，而汽车零部件绿色增材再制造技术是废旧汽车循环再利用的最重要环节。该项技术如果在全国范围内普及实施，将对我国绿色循环经济的发展提供强劲助力。

●生产管理模式的变革，要向大规模的区域增材制造服务中心发展，在绿色化、智能化、网络化的基础上发展超级智能增材制造工厂，这是推动增材制造行业发展的一个有效途径。 

●继续寻找其他的增材制造应用领域，如连续碳纤维复合材料打印、建筑结构打印等。

由国家工信部等十二部门联合出台的《增材制造产业发展行动计划(2017～2020年)》提出，到2020年，增材制造产业年销售收入超过200亿元人民币，年均增速在30%以上。增材制造技术发展是不可逆转的！目前，我国增材制造的产业规模已实现快速增长，在航空航天、汽车、军工、医疗等领域得到广泛应用。同时，涌现出了西安铂力特增材技术股份有限公司、湖南华曙高科技有限责任公司、广州爱司凯股份有限公司等一批具有一定竞争力的增材制造骨干企业，一大批工艺装备实现产业化，行业应用不断深化,产业支撑体系初步建立。只要我们坚定信心，勇于创新，踏实工作，以国家民族利益为己任，不久的将来增材制造技术必将在我国各行各业开花结果，助力“中国制造”领跑世界制造业！