增材制造与3D打印全解析：核心概念、优势与应用前景
围绕“增材制造”与“3D打印”两术语存在诸多困惑。
不足为奇。两者指向极其相似的过程。
两者均描述通过逐层堆积材料创建物体的过程。
本文将明确界定两者含义、关联及用途。
增材制造在3D打印中的用途
传统制造中，零件常从大块材料切削而成——即从起始块减去材料成型。必然造成大量浪费。若看过机加工师将实心金属/木块加工成成品的视频，定会被废料量震惊。
反之，增材制造通过逐层堆积材料成型。如何运作？取决于采用的增材制造类型。
据美国材料与试验协会(ASTM)，增材制造分七大类：
- 槽光聚合：液态光敏树脂分层，紫外光固化
- 粉末床熔融：材料粉末分层，热能/强激光熔融。常见技术含选择性激光烧结(SLS)
- 材料喷射：喷头沉积液态材料滴于构建面快速固化，每层紫外固化
- 片材叠层：金属薄片/带经超声焊接结合。非完全增材，通常需CNC等传统工艺去除多余材料
- 材料挤出：材料经喷嘴加热熔融分层沉积平台。无需额外固化，因各层以熔融态沉积
- 定向能量沉积：含修复/向现有部件添加材料的复杂增材技术。熔融材料经喷嘴沉积目标面固化。原理似材料挤出，但喷嘴需多向移动适应不同形状目标面
- 粘结剂喷射：即3D打印
本文聚焦增材制造中的3D打印，深入剖析第七类。
增材制造(3D打印)工艺流程
3D打印使用两种材料：
- 粉末基材料（通常为塑料、金属、陶瓷）
- 粘结剂（层间粘合剂），多为液态
“3D打印”术语源于粘结剂喷射与2D打印视觉相似。普通喷墨打印机中，喷头沿X/Y轴水平移动喷墨于纸上。
同理，3D打印构建物体时，喷头沿机器X/Y轴移动，交替沉积构建材料层和粘结材料层。每层完成，托持物体的构建平台微降，为下层腾空间。
视物体大小，可能需数百至数万层完成。可参考3D打印埃菲尔铁塔模型延时视频直观理解。
增材制造与3D打印软件的重要性
所有增材制造技术（含3D打印）均依赖计算机辅助设计(CAD)等数字化设计技术。事实上，3D打印的全部目的就是将数字设计转化为实物。
过去工程师用CAD软件配合严谨仿真建模设计鲁棒有效的实物。但有难题：CNC加工、注塑等传统工艺有局限，使那些“完美”设计无法生产。
CAD与3D打印的和谐关系由此诞生。3D打印最重要优势之一：不受传统制造约束，将数字设计变为现实。
CAD和3D打印让制造由设计驱动，而历史上设计过程必须受限于传统工艺可行性。这赋予工程师前所未有的设计自由，推动多行业重大突破。
多数商业CAD软件已引入增材制造模块，但借助Spatial的3D SDK构建面向增材制造的定制CAD应用轻而易举。访问www.spatial.com了解更多。
延伸学习：增材制造与3D打印的区别
- 增材制造七大主流类型
- 3D打印医疗六大突破
- 如何在增材制造流程中充分利用CAD
3D打印增材制造相对传统制造的优势
设计自由非唯一优势。其他核心优势：
- 用增材制造与3D打印材料制造复杂且轻量结构
已述3D打印能制造传统工艺无法生产的物体。值得一提：分层构建使高复杂零件可一体成型；材料多样性使复杂3D打印件兼具低重量与高抗拉强度。
- 单件/小批量更便宜
3D打印无需模具或专用装配夹具，小批量单件易于低成本生产。
- 废料更少
3D打印是增材技术，许多传统技术涉及材料减除. 仅此一点，3D打印废料远少于常见制造技术。
- 更快上市
无其他技术能像3D打印这样让制造商如此快速设计制造物体。对原型构建测试尤为宝贵。这也是3D打印成为快速原型代名词的原因。
3D打印增材制造用于快速原型构建
快速原型即物理物体/零件/模型的快速生产。
任何制造技术均可用于快速原型，从CNC加工到3D焊接等现代技术。但显而易见，增材技术如3D打印最常用。
顾名思义，快速原型主用于构建一系列原型，快速测试弃用直至找到最佳设计。这种迭代设计制造法由来已久，随增材制造工艺演进愈发有效。
3D打印结合快速原型为制造商带来三大红利：
- 高性价比：流程高度自动化，所需人员极少。材料和制造工艺建置成本远低于替代技术
- 速度：制造商比以往更快生产弃用设计，每次迭代学习逼近最终产品。转化为更快上市时间(TTM)，常为显著竞争优势
- 降低风险：制造错误代价高昂。因生产额外原型成本时间极低，快速原型大幅降低量产阶段昂贵错误风险
3D打印用于何处？
目前除制造外，3D打印的炒作和媒体关注多集中于消费级应用。任何人拥有笔记本和千美元以内预算即可设计制造几乎任何可想象物体，这不可否认很“酷”。
但3D打印真正价值在于商业应用。主要受益行业：
航空航天——3D打印优势显著。最著名的是让航空企业快速低成本制造原型，用坚固轻量材料。现用于制造从座椅后背桌、头枕等内饰件到发动机部件、武器系统。
随大尺寸3D打印机发展，近期将见更多部件3D打印制造——甚至整台航空发动机。
医疗——植入物和假肢获取曾是患者护理的巨大成本障碍。数年来，3D打印用于开发各类手术切割导板、假肢、甚至患者专用植入体。
随材料演进，行业能用3D打印制造更轻、更强、更安全产品，同时缩短交付周期、降低成本。
汽车——数十年来汽车业用3D打印和其他增材技术生产原型。初期材料不够强健，仅限原型用途。
但随材料进化，3D打印角色扩大。现常规用于生产制造所需的各类模具、热成型工具、夹具、治具。即3D打印在增强其他制造技术。
不仅如此。3D打印同样用于生产定制车身外壳、内部组件以定制特定车辆。
建筑——建筑业依赖比例模型向客户/投资者展示落成效果。模型历史上手工制作，常耗数百工时。3D打印改变一切。
建筑项目已用计算机软件设计，是3D打印天然候选者。CAD文件完成即可直送打印，节省大量时间并保证模型精准复刻。
3D打印与增材制造的未来
目前大规模商业采用仍局限于以技术前沿著称的行业——制造、航空、汽车、医疗。
但硬件材料持续改进，3D打印未来必将持续增长。
从3D打印房屋到汽车，不久几乎所有日用品都将用这看似太空时代的技术制造。
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