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1概述

增材制造技術(shù)是指基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅(qū)動直接制造零件的科學技術(shù)體系?；诓煌姆诸愒瓌t和理解方式，增材制造技術(shù)還有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多種稱謂，其內(nèi)涵仍在不斷深化，外延也不斷擴展，這里所說的“增材制造”與“快速成形”、“快速制造”意義相同。
　　工業(yè)化的LSF-V大型激光立體成形裝備所謂數(shù)字化增材制造技術(shù)就是一種三維實體快速自由成形制造新技術(shù)，它綜合了計算機的圖形處理、數(shù)字化信息和控制、激光技術(shù)、機電技術(shù)和材料技術(shù)等多項高技術(shù)的優(yōu)勢，學者們對其有多種描述。西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室的黃衛(wèi)東教授稱這種新技術(shù)為“數(shù)字化增材制造”，中國機械工程學會宋天虎秘書長稱其為“增量化制造”，其實它就是不久前引起社會廣泛關(guān)注的“三維打印”技術(shù)的一種。西方媒體把這種實體自由成形制造技術(shù)譽為將帶來“第三次工業(yè)革命”的新技術(shù)。 

2分類

關(guān)橋院士提出了“廣義”和“狹義”增材制造的概念（如圖所示），“狹義”的增材制造是指不同的能量源與CAD/CAM技術(shù)結(jié)合、分層累加材料的技術(shù)體系；而“廣義”增材制造則以材料累加為基本特征，以直接制造零件為目標的大范疇技術(shù)群。如果按照加工材料的類型和方式分類，又可以分為金屬成形、非金屬成形、生物材料成形等（如圖所示）。

3關(guān)鍵技術(shù)

一是材料單元的控制技術(shù)。即如何控制材料單元在堆積過程中的物理與化學變化是一個難點，例如金屬直接成型中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界氣氛控制直接影響制造精度和制件性能。
　　二是設備的再涂層技術(shù)。增材制造的自動化涂層是材料累加的必要工序，再涂層的工藝方法直接決定了零件在累加方向的精度和質(zhì)量。分層厚度向0.01mm發(fā)展，控制更小的層厚及其穩(wěn)定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的關(guān)鍵。
　　三是制造技術(shù)。增材制造在向大尺寸構(gòu)件制造技術(shù)發(fā)展，例如金屬激光直接制造飛機上的鈦合金框睴結(jié)構(gòu)件，框睴結(jié)構(gòu)件長度可達6m，制作時間過長，如何實現(xiàn)多激光束同步制造，提高制造效率，保證同步增材組織之間的一致性和制造結(jié)合區(qū)域質(zhì)量是發(fā)展的難點。
　　此外，為提率，增材制造與傳統(tǒng)切削制造結(jié)合，發(fā)展材料累加制造與材料去除制造復合制造技術(shù)方法也是發(fā)展的方向和關(guān)鍵技術(shù)。

4技術(shù)優(yōu)勢

AM技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具和夾具以及多道加工工序，在一臺設備上可快速精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現(xiàn)了零件“自由制造”，解決了許多復雜結(jié)構(gòu)零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復雜，其制造速度的作用就越顯著。

5發(fā)展趨勢

國外發(fā)展現(xiàn)狀

歐美發(fā)達國家紛紛制定了發(fā)展和推動增材制造技術(shù)的國家戰(zhàn)略和規(guī)劃，增材制造技術(shù)已受到政府、研究機構(gòu)、企業(yè)和媒體的廣泛關(guān)注。2012年3月，美國白宮宣布了振興美國制造的新舉措，將投資10億美元幫助美國制造體系的改革。其中，白宮提出實現(xiàn)該項計劃的三大背景技術(shù)包括了增材制造，強調(diào)了通過改善增材制造材料、裝備及標準，實現(xiàn)創(chuàng)新設計的小批量、低成本數(shù)字化制造。2012年8月，美國增材制造創(chuàng)新研究所成立，聯(lián)合了賓夕法尼亞州西部、俄亥俄州東部和弗吉尼亞州西部的14所大學、40余家企業(yè)、11家非營利機構(gòu)和專業(yè)協(xié)會。
　　英國政府自2011年開始持續(xù)增大對增材制造技術(shù)的研發(fā)經(jīng)費。以前僅有拉夫堡大學一個增材制造研究中，諾丁漢大學, 謝菲爾德大學、?？巳卮髮W和曼徹斯特大學等相繼建立了增材制造研究中心。英國工程與物理科學研究委員會中設有增材制造研究中心，參與機構(gòu)包括拉夫堡大學、伯明翰大學、英國國家物理實驗室、波音公司以及德國EOS公司等15家*大學、研究機構(gòu)及企業(yè)。
　　除了英美外，其他一些發(fā)達國家也積極采取措施，以推動增材制造技術(shù)的發(fā)展。德國建立了直接制造研究中心， 主要研究和推動增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)輕量化方面的應用；法國增材制造協(xié)會致力于增材制造技術(shù)標準的研究；在政府資助下，西班牙啟動了一項發(fā)展增材制造的專項，研究內(nèi)容包括增材制造共性技術(shù)、材料、技術(shù)交流及商業(yè)模式等四方面內(nèi)容；澳大利亞政府于2012年2月宣布支持一項航空航天領(lǐng)域革命性的項目“微型發(fā)動機增材制造技術(shù)”，該項目使用增材制造技術(shù)制造航空航天領(lǐng)域微型發(fā)動機零部件；日本政府也很重視增材制造技術(shù)的發(fā)展，通過優(yōu)惠政策和大量資金鼓勵產(chǎn)學研用緊密結(jié)合，有力促進該技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的應用。

國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

大型整體鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件成形制造技術(shù)被國內(nèi)外*為是對飛機工業(yè)裝備研制與生產(chǎn)具有重要影響的核心關(guān)鍵制造技術(shù)之一。西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室已經(jīng)建立了系列激光熔覆成形與修復裝備，可滿足大型機械裝備的大型零件及難拆卸零件的原位修復和再制造。應用該技術(shù)實現(xiàn)了C919 飛機大型鈦合金零件激光立體成形制造。民用飛機越來越多地采用了大型整體金屬結(jié)構(gòu)，飛機零件主要是整體毛坯件和整體薄壁結(jié)構(gòu)件，傳統(tǒng)成形方法非常困難。商飛決定采用*的激光立體成形技術(shù)來解決C919飛機大型復雜薄壁鈦合金結(jié)構(gòu)件的制造。西北工業(yè)大學采用激光成形技術(shù)制造了大尺寸達2.83m的機翼緣條零件，大變形量<1mm，實現(xiàn)了大型鈦合金復雜薄壁結(jié)構(gòu)件的精密成形技術(shù)，相比現(xiàn)有技術(shù)可大大加快制造效率和精度，顯著降低生產(chǎn)成本。
　　北航在金屬直接制造方面開展了長期的研究工作，突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形工藝、成套裝備和應用關(guān)鍵技術(shù)，解決了大型整體金屬構(gòu)件激光成形過程零件變形與開裂“瓶頸難題”和內(nèi)部缺陷和內(nèi)部質(zhì)量控制及其無損檢驗關(guān)鍵技術(shù)，飛機構(gòu)件綜合力學性能達到或超過鈦合金模鍛件，已研制生產(chǎn)出了我國飛機裝備中迄今尺寸大、結(jié)構(gòu)復雜的鈦合金及超高強度鋼等高性能關(guān)鍵整體構(gòu)件，并在大型客機C919等多型重點型號飛機研制生產(chǎn)中得到應用。
　　西安交大以研究光固化快速成型（SL）技術(shù)為主，于1997年研制并銷售了國內(nèi)臺光固化快速成型機；并分別于2000年、2007年成立了教育部快速成形制造工程研究中心和快速制造國家工程研究中心，建立了一套支撐產(chǎn)品快速開發(fā)的快速制造系統(tǒng)，研制、生產(chǎn)和銷售多種型號的激光快速成型設備、快速模具設備及三維反求設備，產(chǎn)品遠銷印度、俄羅斯、肯尼亞等國，成為具有國際競爭力的快速成型設備制造單位。
　　西安交大在新技術(shù)研發(fā)方面主要開展了LED紫外快速成型機技術(shù)、陶瓷零件光固化制造技術(shù)，鑄型制造技術(shù)、生物組織制造技術(shù)、金屬熔覆制造技術(shù)和復合材料制造技術(shù)的研究。在陶瓷零件制造的研究中，研制了一種基于硅溶膠的水基陶瓷漿料光固化快速成型工藝，實現(xiàn)了光子晶體、一體化鑄型等復雜陶瓷零件的快速制造。
　　西安交大與中國空氣動力研究與發(fā)展中心及成都飛機設計研究所合作開展了風洞模型制造技術(shù)的研究，圍繞測壓模型、測力模型、顫振模型和氣彈模型等方面進行了研究工作。設計了樹脂—金屬復合模型的結(jié)構(gòu)方案，采用有限元方法計算校核樹脂—金屬復合模型的強度、剛度以及固有頻率。通過低速風洞試驗，研究了復合模型的氣動特性，并與金屬模型試驗數(shù)據(jù)相對比。強度校核試驗顯示，模型的整體性能良好，滿足低速風洞的試驗要求，研制的復合模型在低速風洞試驗下具有良好的前景。復合材料構(gòu)件是航空制造技術(shù)未來的發(fā)展方向，西安交大研究了大型復合材料構(gòu)件低能電子束原位固化纖維鋪放制造設備與技術(shù)，將低能電子束固化技術(shù)與纖維自動鋪放技術(shù)相結(jié)合，研究開發(fā)了一種無需熱壓罐的大型復合材料構(gòu)件率綠色制造方法，可使制造過程能耗降低70%，節(jié)省原材料15%，并提高了復合材料成型制造過程的可控性、可重復性，為我國復合材料構(gòu)件綠色制造提供了新的自動化制造方法與工藝。

上海理工大學“增材制造國際實驗室”通過整建制引進海外科學家（院士）團隊，澳大利亞工程院院士吳鑫華，澳大利亞科學院、工程院院士、中國工程院外籍院士余艾冰，美國科學院院士Rodney R. Boyer，美國工程院院士James C. Williams接受我校聘任，分別擔任我?！霸霾闹圃靽H實驗室”主任和方向帶頭人?！?span style="color:rgb（51, 102, 204）; font-size:12px"> [3] 

AM已成為*制造技術(shù)的一個重要的發(fā)展方向，其發(fā)展趨勢有三：（1）復雜零件的精密鑄造技術(shù)應用；（2）金屬零件直接制造方向發(fā)展，制造大尺寸航空零部件；（3）向組織與結(jié)構(gòu)一體化制造發(fā)展。未來需要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括精度控制技術(shù)、大尺寸構(gòu)件制造技術(shù)、復合材料零件制造技術(shù)。AM技術(shù)的發(fā)展將有力地提高航空制造的創(chuàng)新能力，支撐我國由制造大國向制造強國發(fā)展。

我國在電子、電氣增材制造技術(shù)上取得了重要進展。稱為立體電路技術(shù)（SEA，SLS+LDS）。電子電器領(lǐng)域增材技術(shù)是建立了現(xiàn)有增材技術(shù)之上的一種綠色環(huán)保型電路成型技術(shù)，有別于傳統(tǒng)二維平面型印制線路板。傳統(tǒng)的印制電路板是電子產(chǎn)業(yè)的糧食，一般采用傳統(tǒng)的不環(huán)保的減法制造工藝，即金屬導電線路是蝕刻銅箔后形成的，新一代增材制造技術(shù)采用加法工藝：用激光先在產(chǎn)品表面鐳射后，再在藥水中浸泡沉積上去。這類技術(shù)與激光分層制造的增材制造相結(jié)合的一種途徑是：在SLS（激光選擇性燒結(jié)）粉體中加入特殊組份，先3D打印（增材制造成型）再用微航3D立體電路激光機沿表面鐳射電路圖案，再化學鍍成金屬線路。

“立體電路制造工藝”涉及的SLS+LDS技術(shù)是我國本土企業(yè)發(fā)明的制造工藝。是增材制造在電子、電器產(chǎn)品領(lǐng)域分支應用技術(shù)。也涉及到激光材料、激光機、后處理化學藥水等核心要素。目前立體電路技術(shù)已經(jīng)成為智能手機天線主要制造技術(shù)，產(chǎn)業(yè)界已經(jīng)崛起了立體電路產(chǎn)業(yè)板塊。

6技術(shù)應用

應用領(lǐng)域

以激光束、電子束、等離子或離子束為熱源，加熱材料使之結(jié)合、直接制造零件的方法，稱為高能束流快速制造，是增材制造領(lǐng)域的重要分支，在工業(yè)領(lǐng)域為常見。
　　在航空航天工業(yè)的增材制造技術(shù)領(lǐng)域，金屬、非金屬或金屬基復合材料的高能束流快速制造是當前發(fā)展快的研究方向。
　　經(jīng)過20多年的發(fā)展，增材制造經(jīng)歷了從萌芽到產(chǎn)業(yè)化、從原型展示到零件直接制造的過程，發(fā)展十分迅猛。美國專門從事增材制造技術(shù)咨詢服務的Wohlers協(xié)會在2012年度報告中，對各行業(yè)的應用情況進行了分析。在過去的幾年中，航空零件制造和醫(yī)學應用是增長快的應用領(lǐng)域。2012年產(chǎn)能規(guī)模將增長25%至21.4億美元，2019年將達到60億美元。增材制造技術(shù)正處于發(fā)展期，具有旺盛的生命力，還在不斷發(fā)展；隨著技術(shù)發(fā)展，應用領(lǐng)域也將越來越廣泛。

航空領(lǐng)域應用

高速、高機動性、長續(xù)航能力、安全低成本運行等苛刻服役條件對飛行器結(jié)構(gòu)設計、材料和制造提出了更高要求。輕量化、整體化、長壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)功能一體化以及低成本運行成為結(jié)構(gòu)設計、材料應用和制造技術(shù)共同面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，這取決于結(jié)構(gòu)設計、結(jié)構(gòu)材料和現(xiàn)代制造技術(shù)的進步與創(chuàng)新。
　　首先，增材制造技術(shù)能夠滿足航空武器裝備研制的低成本、短周期需求。隨著技術(shù)的進步，為了減輕機體重量，提高機體壽命，降低制造成本，飛機結(jié)構(gòu)中大型整體金屬構(gòu)件的使用越來越多。大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)制造技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代飛機制造工藝*性的重要標志之一。美國F-22后機身加強框、F-14和“狂風”的中央翼盒均采用了整體鈦合金結(jié)構(gòu)。大型金屬結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)制造方法是鍛造再機械加工，但能用于制造大型或超大型金屬鍛坯的裝備較為稀缺，高昂的模具費用和較長的制造周期仍難滿足新型號的快速低成本研制的需求；另外，一些大型結(jié)構(gòu)還具有復雜的形狀或特殊規(guī)格，用鍛造方法難以制造。而增量制造技術(shù)對零件結(jié)構(gòu)尺寸不敏感，可以制造超大、超厚、復雜型腔等特殊結(jié)構(gòu)。除了大型結(jié)構(gòu)，還有一些具有極其復雜外形的中小型零件，如帶有空間曲面及密集復雜孔道結(jié)構(gòu)等，用其他方法很難制造，而用高能束流選區(qū)制造技術(shù)可以實現(xiàn)零件的凈成形，僅需拋光即可裝機使用。傳統(tǒng)制造行業(yè)中，單件、小批量的超規(guī)格產(chǎn)品往往成為制約整機生產(chǎn)的瓶頸，通過增量制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)以相對較低的成本提供這類產(chǎn)品。
　　據(jù)統(tǒng)計，我國大型航空鈦合金零件的材料利用率非常低，平均不超過10 %；同時，模鍛、鑄造還需要大量的工裝模具，由此帶來研制成本的上升。通過高能束流增量制造技術(shù)，可以節(jié)省材料三分之二以上，數(shù)控加工時間減少一半以上，同時無須模具，從而能夠?qū)⒀兄瞥杀居绕涫?、小批量的研制成本大大降低，節(jié)省國家寶貴的科研經(jīng)費。
　　通過大量使用基于金屬粉末和絲材的高能束流增材制造技術(shù)生產(chǎn)飛機零件，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化，降低成本和周期，達到“快速反應，無模敏捷制造”的目的。隨著我國綜合國力的提升和科學技術(shù)的進步，我國經(jīng)濟體已經(jīng)處于世界經(jīng)濟體前列，與發(fā)達國家的一樣，保證研制速度、加快裝備更新速度，急需要這種新型無模敏捷制造技術(shù)——金屬結(jié)構(gòu)快速成形直接制造技術(shù)。
　　其次，增材制造技術(shù)有助于促進設計-生產(chǎn)過程從平面思維向立體思維的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)制造思維是先從使用目的形成三維構(gòu)想，轉(zhuǎn)化成二維圖紙，再制造成三維實體。在空間維度轉(zhuǎn)換過程中，差錯、干涉、非優(yōu)化等現(xiàn)象一直存在，而對于極度復雜的三維空間結(jié)構(gòu)，無論是三維構(gòu)想還是二維圖紙化已十分困難。計算機輔助設計（CAD）為三維構(gòu)想提供了重要工具，但虛擬數(shù)字三維構(gòu)型仍然不能*推演出實際結(jié)構(gòu)的裝配特性、物理特征、運動特征等諸多屬性。采用增量制造技術(shù)，實現(xiàn)三維設計、三維檢驗與優(yōu)化，甚至三維直接制造，可以擺脫二維制造思想的束縛，直接面向零件的三維屬性進行設計與生產(chǎn)，大大簡化設計流程，從而促進產(chǎn)品的技術(shù)更新與性能優(yōu)化。在飛機結(jié)構(gòu)設計時，設計者既要考慮結(jié)構(gòu)與功能，還要考慮制造工藝，增材制造的終目標是解放零件制造對設計者的思想束縛，使飛機結(jié)構(gòu)設計師將精力集中在如何更好實現(xiàn)功能的優(yōu)化，而非零件的制造上。在以往的大量實踐中，利用增量制造技術(shù)，快速準確地制造并驗證設計思想在飛機關(guān)鍵零部件的研制過程中已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用。另一個重要的應用是原型制造，即構(gòu)建模型，用于設計評估，例如風洞模型，通過增材制造迅速生產(chǎn)出模型，可以大大加快“設計-驗證”迭代循環(huán)。
　　再次，增材制造技術(shù)能夠改造現(xiàn)有的技術(shù)形態(tài)，促進制造技術(shù)提升。利用增量制造技術(shù)提升現(xiàn)有制造技術(shù)水平的典型的應用是鑄造行業(yè)。利用快速原型技術(shù)制造蠟?？梢詫⑸a(chǎn)效率提高數(shù)十倍，而產(chǎn)品質(zhì)量和一致性也得到大大提升；利用快速制模技術(shù)可以三維打印出用于金屬制造的砂型，大大提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。在鑄造行業(yè)采用增量制造快速制模已漸成趨勢。

7政策建議

3D打印技術(shù)正在成為發(fā)達國家實現(xiàn)制造業(yè)回流、提升產(chǎn)業(yè)競爭力的重要載體?？梢哉f，新一輪的全球制造業(yè)競爭，極有可能是3D打印與機器人等裝備的競爭。以3D打印為代表的數(shù)字化、智能化制造以及新型材料的應用將重塑制造業(yè)和服務業(yè)的關(guān)系，重塑國家和地區(qū)比較優(yōu)勢，重塑經(jīng)濟發(fā)展格局，加快第三次工業(yè)革命的進程。

作為一項正在發(fā)展中的制造技術(shù)，增材制造的成熟度還遠不能同金屬切削、鑄、鍛、焊、粉末冶金等制造技術(shù)相比，還有大量研究工作需要進行，包括激光成型專用合金體系、零件的組織與性能控制、應力變形控制、缺陷的檢測與控制、*裝備的研發(fā)等，涉及到從科學基礎(chǔ)、工程化應用到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的質(zhì)量保證各個層次的研究工作。
　　我國在增材制造技術(shù)新設備研發(fā)和應用上投入不足，在許多方面落后于國外。相對于美歐國家，我們在新技術(shù)的開發(fā)上已顯落后，例如三維彩色打印技術(shù)缺少研究與開發(fā)。在應用上，我們許多行業(yè)缺少后續(xù)技術(shù)研發(fā)，例如在快速制造的原型向模具和功能零件轉(zhuǎn)化方面沒有形成系統(tǒng)技術(shù)體系，企業(yè)沒有很好地將此技術(shù)應用在產(chǎn)品開發(fā)方面。
　　增材制造尤其適合于航空航天產(chǎn)品中的零部件單件小批量的制造，具有成本低和效率高的優(yōu)點。這體現(xiàn)出了增材制造在復雜曲面和結(jié)構(gòu)制造上的快速性和經(jīng)濟性優(yōu)勢。國外快速成型技術(shù)在航空領(lǐng)域超過8%的應用量，而我國的應用量則非常低。
　　在國內(nèi)，一些3D打印設備制造企業(yè)都是各自為政，而且一些研究相關(guān)技術(shù)的高校及科研院所也是各自為政，這種松散型的行業(yè)關(guān)系，使得國內(nèi)的快速成型技術(shù)發(fā)展緩慢，很難與*相抗衡。為此，專家建議政府部門和行業(yè)高度關(guān)注新技術(shù)的發(fā)展，并給予政策扶持。除了產(chǎn)業(yè)政策和資金支持外，希望可以組成行業(yè)聯(lián)盟。
　　專家建議，國家相關(guān)政府部門牽頭組織成立行業(yè)協(xié)會或技術(shù)聯(lián)盟之類的緊密型組織，整合國內(nèi)相關(guān)資源，發(fā)揮科研單位及生產(chǎn)制造企業(yè)的各自優(yōu)勢，揚長補短，真正使國內(nèi)的增材制造技術(shù)趕超國外、3D打印設備制造水平得到提高，建設3D打印創(chuàng)業(yè)基地，建立3D打印中心，促進3D打印產(chǎn)業(yè)集群集聚發(fā)展，使我國增材制造技術(shù)快速發(fā)展，以制造業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級。