增材制造解释：工艺、应用和材料选择

增材制造，也称为 3D 打印，是一种尖端制造工艺，正在彻底改变全球各行业。它涉及使用数字模型逐层叠加地构建对象，这与传统的减材方法不同，传统的减材方法会去除材料。

增材制造能够创建复杂的几何形状，而这对于传统技术来说是具有挑战性或不可能实现的。此外，它还提供广泛的材料兼容性，包括塑料、金属、陶瓷和复合材料，为不同的应用提供了材料选择的灵活性。增材制造为开发创意新产品以及提高材料使用效率提供了机会。

本文将讨论什么是增材制造、其工艺、用途、材料、优点和缺点。

什么是增材制造？

增材制造 (AM) 也称为 3D 打印，通过在 3D 数字计算机模型的指导下逐层构建物体，彻底改变了制造方式。与机械加工等从固体块中切削掉材料的减材方法不同，增材制造逐渐添加材料以形成所需的形状。这种创新方法赋予了无与伦比的设计自由度，允许复杂的几何形状和定制。

增材制造包含多种技术，每种技术都具有独特的优势。长丝沉积涉及通过喷嘴熔化和挤出热塑性材料，而激光烧结则利用激光逐层熔化粉末材料。此外，立体光刻技术还利用紫外激光或液晶屏将光固化液态树脂固化成精确的形状。

从历史上看，增材制造已应用于多个行业，包括航空航天、汽车、医疗保健和消费品。它最初用于快速原型设计，现已发展到包括生产级组件。然而，逐层制造可能会导致界面处存在潜在的弱点，因此需要仔细的设计考虑。

AM 的最大优势之一在于其定制能力，允许定制解决方案来满足特定需求。从个性化医疗植入物到复杂的建筑模型，增材制造使设计师和工程师能够精确高效地将他们的愿景变为现实。

谁发明了增材制造？

由于发明了立体光刻技术，查克·赫尔 (Chuck Hull) 通常被认为是增材制造的先驱。然而，逐层制造的概念早于他的工作。增材制造的根源可以追溯到 20 世纪 70 年代。在此期间，研究人员和工程师开始探索逐层构建对象的各种技术。现代增材制造的一个著名先驱是日本研究员 Hideo Kodama 的工作。

Kodama 1981 年的论文详细介绍了用于 3D 物体制造的光敏聚合物的紫外固化，尽管当时的商业后续行动有限，但仍奠定了基础。 Carl Deckard 与顾问 Joseph Beaman 于 20 世纪 80 年代中期在德克萨斯大学奥斯汀分校首创了选择性激光烧结 (SLS)，用激光熔合粉末材料，推进了增材制造。

增材制造何时开始？

随着 Chuck Hull 发明立体光刻技术，增材制造的商业化始于 20 世纪 80 年代中期。 1986 年，Hull 获得了该系统的专利，并由此成立了他的公司 3D Systems Corporation。随后，1988 年，3D Systems 公司发布了第一台商用 3D 打印机 SLA-1。

大约在同一时间，埃克森美孚的 Skunkworks 项目开发了 3D 喷墨打印机，尽管这项技术直到 1991 年才实现商业化。商业化的早期阶段见证了 3D Systems Corporation 等公司的出现，以及立体光刻和喷墨打印等工艺引入市场。

这一突破为后续增材制造工艺和技术奠定了基础。多年来，随着材料、工艺和应用的进步，增材制造已经取得了显着的发展。

增材制造的流程是什么？

增材制造的过程涉及几个步骤：

1. 首先使用 CAD 程序创建数字 3D 模型。将设计保存为 STL 文件格式，其中包含对象几何形状。将STL文件导入切片机软件中，对模型进行切片并生成打印路径。调整材料类型和速度等打印参数以实现优化。将切片模型转换为 G 代码（3D 打印机可以理解的语言）。最后，将G代码发送到打印机，指示其逐层打印对象。
2. 通过校准温度、速度和层高设置并将 G 代码文件下载到打印机来准备 3D 打印机。
3. 将选定的材料加载到增材打印设备中。可用于 3D 打印的材料包括复合材料、塑料、金属、陶瓷、纸张，甚至细胞或蛋白质等生物材料。
4. 开始打印。打印机将解释每个连续层的 G 代码指令，在该层所需的确切位置沉积或固化材料。
5. 确保各层之间正确粘合。在某些技术中，这可能只是作为打印过程的一部分发生，例如熔融沉积成型 (FDM)，但对于其他技术，可能需要单独的烧结或固化步骤。
6. 在构建每一层时允许打印对象不间断地进行。
7. 执行所需的整理任务，包括去除支撑，这对于具有悬垂或复杂几何形状的设计可能是必需的，在打印过程中需要使用支撑来防止下垂或变形。此外，可能需要进行表面细化、机加工或额外固化才能获得最终产品。
8. 根据需要进行最后的收尾或处理，例如喷漆、电镀或与其他组件组装。

增材制造有哪些用途？

如今，增材制造已成为许多行业产品制造过程中不可或缺的一部分。它有多种可能的用途，包括：

1. 它有助于快速且经济高效地生产原型，以进行设计验证、功能测试和概念验证。
2. 它可以生产高度定制和个性化的产品，例如医疗植入物、假牙和消费品。
3. 增材制造可以生产传统方法难以生产的复杂几何形状。在航空航天领域，带有内部冷却通道的涡轮叶片可提高发动机效率。在医学上，个性化植入物适合个体解剖结构，促进更快的愈合。汽车零部件受益于可提高性能的轻质、复杂的设计。
4. 它有助于小批量或定制制造，无需昂贵的工具，从而实现敏捷制造并降低库存成本。
5. 它在医疗领域用于制造适合患者的定制植入物、假肢装置、用于手术准备和指导的解剖复制品，以及协助手术的手术指南。
6. 它可用于原型设计、加工和生产具有改进的强度重量比和定制选项的轻质组件。
7. 3D 打印可在教育机构和研究机构中用于教学、实验和探索各个学科的新颖应用。
8. 通过减少废物、能源消耗和碳排放，为可持续生产提供机会。