增材制造详解：类型、工艺与应用
什么是增材制造？
增材制造（AM），俗称3D打印，是一种变革性的工业生产方法，能创造更轻、更强的零件和系统。顾名思义，增材制造通过添加材料来构建物体。
增材制造（AM）或增材分层制造（ALM）是3D打印的工业生产名称，一种计算机控制的过程，通过逐层沉积材料创建三维物体。
据GE增材制造所述，这是从模拟向数字化转型带来的又一技术进步。过去几十年，通信、成像、建筑和工程经历了各自的数字化革命。如今，AM将数字化的灵活性和效率带入制造领域。
增材制造利用CAD（计算机辅助设计）软件或3D物体扫描仪控制硬件，使材料按精确几何形状逐层沉积。正如其名，增材制造通过添加材料创建物体。相比之下，传统制造往往需要通过机加工、雕刻、铣削、模塑等方式去除材料。
尽管“3D打印”和“快速成型”常被随意用来讨论增材制造，但每个过程实际上都是增材制造的子集。
虽然增材制造对许多人来说似乎是新事物，但它实际上已存在数十年。在合适的应用中，增材制造能带来性能提升、复杂几何结构和制造简化的完美三重奏。因此，对于致力于增材制造的人来说，机会无限。
- 相关文章： 什么是3D打印？
- 相关文章： 什么是快速成型？
谁发明了增材制造？
最早的3D打印生产设备由名古屋市工业研究所的Hideo Kodama开发，他发明了两种制作3D模型的增材方法。
增材制造如何工作？
在CAD（计算机辅助设计）或3D物体扫描仪的帮助下，增材制造能创建具有精确几何形状的物体。这些物体逐层构建，与传统制造往往需要机加工或其他技术去除多余材料形成对比。
3D打印、快速成型和增材制造是描述同一过程的通用术语。复杂结构和组件通过逐层堆叠材料逐步构建而成。
这项已存在三十多年的技术，近年才广受欢迎，不再仅是制作3D打印原型的手段，而是提供全功能组件。可能性近乎无限，3D打印行业服务于从重工业到医疗等想利用精密技术的各个领域。
虽然增材制造为科学带来新机遇，但其概念和工作原理出奇地简单。
增材制造技术分类
1. 烧结
烧结利用热量在不液化的情况下形成固体块。烧结类似于传统的2D复印，其中碳粉选择性熔融在纸上形成图像。
2. 直接金属激光烧结（DMLS）
DMLS中，激光烧结每层金属粉末使金属颗粒相互粘结。DMLS设备生产高分辨率物体，具有理想的表面特性和所需的机械性能。而SLS则用激光烧结热塑性粉末使颗粒粘结。
3. 直接金属激光熔化（DMLM）与电子束熔化（EBM）
相比之下，DMLM和EBM工艺中材料完全熔化。DMLM用激光完全熔化每层金属粉末，EBM用高能电子束熔化金属粉末。两种技术均适合制造致密、无孔隙物体。
4. 光固化立体成型（SLA）
立体光刻（SLA）利用光聚合打印陶瓷物体。工艺使用紫外激光选择性照射装有光聚合树脂的容器。紫外固化树脂生产的零件耐扭矩、耐极端温度。
工艺耗时多久？
打印时间取决于零件尺寸、打印设置等因素。成品质量也影响打印时间，高质量物品耗时更长。
增材制造耗时从几分钟到数小时甚至数天不等——速度、分辨率和材料体积是关键因素。
增材制造材料
可用多种不同材料创建3D打印物体。AM技术既能用先进金属合金制造喷气发动机零件，也能制作巧克力等食品。
- 热塑性塑料： 热塑性聚合物仍是增材制造最流行的材料类别。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯（PC）在不同应用中各有优势。水溶性聚乙烯醇（PVA）通常用于制造临时支撑结构，后溶解移除。
- 金属： 增材制造使用多种金属和合金，从金、银等贵金属到不锈钢、钛等战略金属。
- 陶瓷： 氧化锆、氧化铝、磷酸三钙等多种陶瓷已用于增材制造。此外，玻璃粉与粘结剂交替烘烤可创造全新类别的玻璃产品。
- 生物化学材料： 医疗生化应用包括用硅、磷酸钙、锌制成的硬化材料支撑新骨生长时的骨结构。研究者还在探索用干细胞制成的生物墨水形成血管、水泡等组织。
增材制造工艺类型
有多种不同的AM工艺及其标准，包括：
- 粘结剂喷射
- 定向能量沉积
- 材料挤出
- 粉末床熔融
- 片材叠层
- 槽式光聚合
- 材料喷射
1. 粘结剂喷射
粘结剂喷射使用两种材料：粉末基材和粘结剂。粘结剂作为层间粘结剂，通常为液态，成型材料为粉末态。
打印头在机器X、Y轴水平移动，交替沉积成型材料层和粘结材料层。每层后，构建平台下降一个层厚。
因粘结方式，材料性能不总适合功能性组件，尽管打印速度相对较快，但后处理可能显著延长整体工序。
与其他粉末基制造工艺一样，待打印物体在粉末床中自支撑，完成后从未结合粉末中取出。
粘结剂喷射——逐步解析
- 滚刀将粉末材料铺平在构建平台上。
- 打印头在所需位置的粉末上沉积粘结剂。
- 构建平台按模型层厚下降。
- 再铺一层粉末覆盖前一层。粉末与液体结合处形成物体。
- 未结合粉末保持原位包围物体。
- 重复上述过程直至整个物体制成。
2. 定向能量沉积 (DED) / 电子束熔化 (EBM)
定向能量沉积（DED）涵盖多个术语：“激光工程净成形、定向光制造、直接金属沉积、3D激光覆层”。这是一种更复杂的打印工艺，常用于修复或向现有组件添加材料。
典型DED设备由安装在多轴机械臂上的喷嘴组成，在指定表面沉积熔融材料并固化。原理类似材料挤出，但喷嘴可多向移动，不固定于特定轴。
材料可从任意角度沉积（得益于4/5轴机床），沉积时经激光、电子束或等离子弧熔化。该方法可用于聚合物和陶瓷，但通常用金属粉末或丝材。典型应用包括结构件修复维护。
定向能量沉积——逐步解析
- 4或5轴机械臂绕固定物体移动喷嘴。
- 材料从喷嘴沉积到物体现有表面。
- 材料以丝材或粉末形式提供。
- 沉积时用激光、电子束或等离子弧熔化材料。
- 进一步材料逐层添加并固化，在现有物体上创建或修复新材料特征。
3. 材料挤出
熔融沉积建模（FDM）是常见的材料挤出工艺，由Stratasys注册商标。材料经喷嘴加热后逐层沉积。喷嘴水平移动，平台每沉积一层垂直上下移动。这是许多低成本家用/爱好者3D打印机常用技术。
该工艺有许多因素影响最终模型质量，但成功控制这些因素时潜力巨大且可行。虽然FDM同其他3D打印工艺一样逐层构建，但其通过喷嘴在恒定压力下连续流淌添加材料，这点不同。
压力和速度必须恒定以获得精准结果。层间可通过温度控制或化学手段粘结。材料常以线圈形式加入机器（如图所示）。
材料挤出——逐步解析
- 第一层：喷嘴在首个物体切片横截面积所需位置沉积材料。
- 后续层在前一层之上添加。
- 材料熔融状态下沉积即熔融粘结。
4. 粉末床熔融
粉末床熔融工艺包含以下常用打印技术：直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔化（EBM）、选择性热烧结（SHS）、选择性激光熔化（SLM）、选择性激光烧结（SLS）。
粉末床熔融（PBF）工艺用激光或电子束熔融粉末材料并融合。电子束熔化（EBM）需真空环境，但可用金属和合金制造功能性零件。所有PBF工艺中，粉末材料分布在前一层之上。
有多种机制实现此过程，包括滚刀或刮刀。料斗或床下储料器保证新鲜材料供应。直接金属激光烧结（DMLS）同SLS原理相同，但用金属而非塑料。
工艺逐层烧结粉末。选择性热烧结与其他方法不同，使用加热热打印头熔融粉末。同样，滚刀在熔融层间铺层。平台相应降低模型。
粉末床熔融——逐步解析
- 约0.1mm厚的一层材料铺平在构建平台上。
- 激光熔融第一层或模型首个横截面。
- 滚刀将新粉层铺在前一层上。
- 进一步层/横截面熔融添加。
- 重复直至整个模型制成。松散未熔融粉末保留原位，后处理时移除。
5. 片材叠层
片材叠层工艺包括超声波增材制造（UAM）和层压物体制造（LOM）。超声波增材制造使用金属板/带，通过超声波焊接连接。
工艺需额外CNC加工和移除未结合金属，常在焊接过程中进行。层压物体制造（LOM）采用类似逐层方法但用纸材和胶水代替焊接。LOM打印时用排线法便于成型后移除。
层压物体常用于美观和视觉模型，不适合结构用途。UAM用金属，包括铝、铜、不锈钢、钛。工艺温度低，能创建内部几何结构。可结合不同材料，能耗相对低因金属不熔化。
片材叠层——逐步解析
- 材料定位在切割床上。
- 用胶水将材料粘接在前一层上。
- 用激光或刀具从层上切出所需形状。
- 添加下一层。
- 步骤二三可逆序，也可先切割后定位粘接。
6. 槽式光聚合
槽式光聚合使用装液态光聚合树脂的槽，模型逐层构建。紫外光（UV）按需固化树脂，平台随每层固化向下移动制件。
因使用液体成型，构建阶段材料无结构支撑。与粉末工艺中未结合材料提供支撑不同，此处常需添加支撑结构。
树脂通过光聚合过程或紫外光固化，电机镜面将光导向树脂表面。树脂接触光即硬化。
光聚合——逐步解析
- 构建平台从树脂槽顶部按层厚向下降低。
- 紫外光逐层固化树脂。平台持续下降，后续层在前一层之上构建。
- 部分机器用刮刀在层间移动，为下一层提供平滑树脂基面。
- 完成后排空树脂槽取出物体。
7. 材料喷射
材料喷射类似二维喷墨打印创建物体。材料以连续或按需滴落（DOD）方式喷射到构建平台上。
材料喷射到表面/平台固化，模型逐层构建。材料从水平移动的喷嘴沉积。机器复杂度和控制材料沉积的方法各异。材料层经紫外光固化硬化。
因材料必须以液滴形式沉积，可用材料数量有限。聚合物和蜡因粘性适宜、易成液滴，是合适且广泛使用的材料。
材料喷射——逐步解析
- 打印头定位在构建平台上方。
- 打印头按需将材料液滴沉积到表面，采用热法或压电法。
- 材料液滴固化形成第一层。
- 后续层如前在前一层之上构建。
- 层冷却硬化或经紫外光固化。后处理包括移除支撑材料。
增材制造的优势
- 准入成本持续下降
- 节省材料浪费和能源
- 原型成本大幅降低
- 小批量生产往往更快更省
- 减少库存持有
- 更易复现和优化传统零件
- 可提高零件可靠性
- 可将组件整合为单件
- 独特支持AI驱动设计方法
- 独特支持晶格结构
增材制造的应用
航空航天
增材制造擅长制造减重、复杂几何设计的零件，是制造轻量化、高强度航空航天零件的理想方案。
2013年8月，NASA成功热火试验了SLM打印的火箭喷射器，产生20,000磅推力。2015年，FAA批准首个3D打印零件用于商用发动机。CFM LEAP发动机含19个3D打印燃油喷嘴。据《航空周刊》，2017年巴黎航展展出了FAA认证的波音787钛丝结构件。
汽车
CNN报道迈凯伦车队在F1赛车使用3D打印零件。后翼更换仅需10天而非5周。团队已用增材制造生产50余种不同零件。
汽车行业对AM快速成型潜力高度关注，量产零件已现身。如铝合金用于排气管和泵零件，聚合物用于保险杠。
医疗健康
纽约大学医学院开展300例临床研究，评估增材制造的患者专属多色肾癌模型效果。研究探讨此类模型是否有效支持外科医生术前评估和手术引导。
全球医疗器械制造商Stryker资助澳大利亚研究项目，利用增材制造技术为骨癌患者创建定制、按需、3D打印的手术植入体。
总体而言，随着AM制造医疗器械的安全性和有效性得到验证，医疗应用快速增长。独特合成器官的生产也极具前景。
产品开发
随着AM设计灵活性潜力的实现，曾经不可能的设计概念正成功重塑。增材制造释放设计师创造潜能，使其摆脱曾经束缚的约束。
- 相关文章： 什么是3D打印？
- 相关文章： 什么是快速成型？
常见问题解答
什么是增材制造？
增材制造（AM），俗称3D打印，是一种变革性的工业生产方法，能创造更轻、更强的零件和系统。顾名思义，增材制造通过添加材料来构建物体。
什么是增材制造工艺？
增材制造是一种特定的3D打印工艺。该工艺按数字3D设计数据逐层沉积材料构建零件。例如，不是从实心块铣削工件，而是从细粉末供料逐层构建零件。
增材制造有哪些类型？
增材制造类型：
- 粘结剂喷射
- 定向能量沉积
- 粉末床熔融
- 片材叠层
- 材料挤出
- 材料喷射
- 槽式光聚合
增材制造是什么意思？
增材制造是通过逐层构建来创建物体的过程。它与减材制造相反，后者通过切割实心材料块直到完成最终产品。
增材制造能生产什么产品？
常见应用包括环境控制系统（ECS）管道、定制飞机内饰美容件、火箭发动机部件、燃烧室衬里、复合材料工装、油箱和燃料箱、无人机组件。3D打印交付复杂、集成、高强度零件。
为什么叫增材制造？
这不同于其他传统制造/锻造形式，后者从大块材料切割/去除材料以获得最终产品。简单回答“为什么叫增材制造？”，因为构建过程添加而非减去原材料。
增材制造等同于3D打印吗？
3D打印和增材制造两术语无差别。它们是同一过程的同义词。两者均指从CAD文件逐层连接材料构建零件的过程。
什么是立体光刻？
立体光刻（SLA）是一种增材制造工艺，从CAD图纸构建实体原型、样件和产品。SLA利用CAD驱动的激光束构建实体塑料原型。
增材制造的优势？
增材制造优势：
- 准入成本持续下降
- 节省材料浪费和能源
- 原型成本大幅降低
- 小批量生产往往更快更省
- 减少库存持有
- 更易复现和优化传统零件
焊接属于增材制造吗？
焊接在增材制造（AM）中用于制造金属组件，是增长最快的研发领域之一。激光、电子束、电弧焊等能源用于熔化并沉积粉末或丝材原料。
增材制造的缺点？
缺点——生产成本高——采用非增材制造技术可更快制造零件，额外时间导致成本增加。此外，高质量增材制造设备可能昂贵。
谁发明了增材制造？
Chuck Hull是3D Systems联合创始人、执行副总裁兼首席技术官。他是SLA 3D打印机发明者之一，该技术是首个商业化快速成型技术，也是广泛使用的STL文件格式发明者。
增材技术用于哪些任务？
- 航空航天。 航空航天业是增材制造先锋领域，正铺平量产之路。
- 军工与国防。
- 医疗。
- 工业制造。
- 汽车
- 航天。
增材制造与快速成型的区别？
快速成型指快速制作原型。增材制造指通过逐层添加材料制造产品的任何制造工艺。
生成式制造与增材制造的区别？
虽然生成式设计足够成熟可配合传统方法，但增材制造给技术最大自由度。不难理解为何。左侧两个设计经生成式设计针对三轴铣削和铸铝优化。
增材制造的历史？
增材制造1987年随3D Systems的立体光刻（SL）诞生，该工艺用激光固化薄层紫外光敏液态聚合物。SLA-1是世界上首个商用AM系统，曾流行的SLA 250前身。
为什么发明3D打印？
Crump 1988年试图用胶枪挤蜡烛蜡给女儿做玩具青蛙时萌生想法。1989年申请专利，与妻子共同创立Stratasys Ltd.生产销售用于快速成型或商业制造的3D打印机。
立体光刻用什么液体？
立体光刻（SLA）是最古老的3D打印技术之一。该增材制造工艺用光化学过程3D打印树脂材料。使用可固化的液态光聚合物树脂槽。
谁发明了3D打印机？
Charles Hull是立体光刻发明者，即首个商业化快速成型技术，俗称3D打印。最早应用于研发实验室和工具室，如今3D打印应用似乎无穷无尽。
增材制造是未来吗？
2021年进展将持续，大大小小软件公司聚焦软件解决方案满足增材技术需求。这种演进将推动下一代软件工具，驱动AM走向工业化。
增材制造昂贵吗？
视工艺和组件设计，增材生产可变成本可能比传统生产高5-50倍，如聚合物和金属加工。
什么是GE增材制造？
GE Additive现提供设备、材料、工程设计专长，合作帮助客户引入增材技术。Concept Laser和Arcam设备已支持航空航天、医疗、牙科、珠宝行业客户。
什么是增材焊接？
丝材电弧增材制造结合自动化金属惰性气体保护焊（MIG）或激光热丝焊与直接沉积3D打印。
增材与减材制造的区别？
增材制造通过逐层添加材料构建物体，减材制造通过去除材料制造零件。
增材制造在增长吗？
增材制造预计2020-2026年全球市场增长。2020-2023年全球增材制造市场预计年增长约17%。尽管3D打印材料市场目前以塑料为主，但金属材料预计将推动市场增长。
增材制造有多可持续？
作为过程本身，增材制造已代表更可持续的生产方式。尤其中3D打印从源头几乎消除多余材料使用，从而避免不必要浪费。
增材制造的主要挑战？
挑战在于识别由当前制造技术决定的零件和组件设计，并考虑AM能否改善性能。AM使创建常规制造不可行的几何结构成为可能，设计自由度增加。
什么是增材制造（简述）？
增材制造（AM）或增材分层制造（ALM）是3D打印的工业生产名称，一种计算机控制的过程，通过逐层沉积材料创建三维物体。
为什么引入增材制造？
金属增材制造，或3D打印，提供在无传统制造设计约束下生产复杂零件的可能性。
制造工艺