工业增材制造
增材制造史及其对全球制造业的颠覆性影响
什么是增材制造？
增材制造（AM）俗称“3D打印”，已经彻底改变了各行业的生产制造过程。通过计算机辅助设计（CAD）逐层构建或打印3D对象，这一过程让曾经的科幻小说成为现实。近年来，增材制造取得了重大进展，为制造业的未来开创了更大的可能性。
尽管与现代制造和尖端创新关系密切，但增材制造1987年首次面世时却是以光固化立体造型术（SL）的方式出现的。这种增材制造方式通常用于以聚合树脂创建原型的过程中，目前仍被广泛使用。
增材制造的类型
历史上，制造加工一直都使用减材工艺，例如模具、切割和钻孔。这些过程被视为一种浪费，因为整个加工过程中有多余材料未被使用。
顾名思义，增材制造提供了另一种成本效益更高的生产工艺，减少了材料浪费。增材制造技术种类繁多，且各有优劣：
- 粘合剂喷射成型技术– 最常见的增材制造技术之一，该技术主要是利用粘合剂将粉末材料逐层粘合起来。该技术较其它工艺更为便捷，但由于材料是粘合在一起的，可能不适用于结构件。
- 粉末床熔合技术（PBF）– 该技术是用激光或电子束将材料熔化并融合在一起。这种工艺适用于各种材料，包括钛、铝和不锈钢，是结构件的理想选择，但通常加工速度较慢。
- 电子束熔融成型技术– 该技术采用聚焦热能在沉积时熔化并融合材料。所用材料通常为粉末状或丝状金属，如钛、铝、不锈钢或铜，原料会通过喷嘴沉积到表面上。该技术非常适合用于对现有器物进行修复或添加部件。
- 材料挤压– 原料加热后经喷嘴挤出，再逐层沉积。由于材料呈熔融状态，每一层都会自然地融合到上一层上，使其能够连续打印。这样就给设计方面提供了良好的弹性，可以实现更高的精度。
- 薄材叠层– 顾名思义，这种技术是通过堆叠和层压薄材来构建3D对象，然后经激光切割数控加工以形成最终形状。这种方法经济高效，多用于原型制作。
- 光聚合– 该技术使用的原料为液态光聚合物，加工时以精确的紫外光使容器中的树脂硬化为所需的物体形状。由于原料为液态物质，所以无需结构支撑，精度和细节均可达到较高水平。
- 材料喷射– 该技术类似于传统的2D喷墨打印机，将材料喷射到已固化的表面逐层进行构建。虽然精度高，但仅限于打印聚合物和蜡质部件。
哪些产品是采用增材制造技术生产的？
虽然3D打印通常与前沿技术，如航空航天和汽车等创新行业相关，但增材制造正在寻求进入一系列渴望简化其生产工艺的行业。
增材制造最典型的用途是用于原型开发和制造。传统的注塑成型通常成本高昂，生产一个模具就需要数周时间，而3D打印则可以大大缩短生产时间。这样不仅大大节省了成本，还有助于在原型设计的早期阶段进行设计改进时就尝试多次迭代，从而带来更大的灵活性。
从更实际的角度来看，增材制造在建筑业中的作用愈加突显。3D打印技术现在已经完全能够打印出墙壁、结构和预制水泥件。2016年，迪拜未来基金会（Dubai Future Foundation，DFF）以“未来办公室”为主题设计和建造了世界上首幢功能齐全的3D打印建筑。整个施工过程先是用机械臂进行了17天的打印过程，然后再单独进行内饰装潢。该项目是一个极具突破性的尝试，展示了增材制造在建筑施工中的潜力。
随着进入成本的下降，增材制造已成功进入了包括服装制造在内的其它几个行业，已在某些情形下被用于生产运动鞋及其它服饰品，如手表、包袋、珠宝等配饰甚至连衣裙。有人推测，3D打印最终将作为一种更可持续的生产方式用于制造可生物降解服装。
消费级3D打印
过去10年，增材制造在消费市场也取得了长足进步，消费级打印机变得越来越普遍，价格也越来越亲民。发烧友现在可以将他们的3D设计变成实物，同时还可以与他人分享和出售他们的设计以便自行打印。中小型树脂打印机最适合消费者打印各种设计，从小型雕像到厨房用具及手机配件不一而足。几乎所有小型塑料制品都可以通过3D打印技术在家生产。
尽管消费级3D打印目前仅限于打印较小设计的聚合物，但有人推测存在采用不同材料打印出更复杂物件的可能性。摒弃塑料树脂设计，这可能会给消费者带来革命性变化，从而打印出更复杂的设计项目，如服装或电子元件。
3D打印在教育领域的应用
制造业的转变也反映在教育环境中，学生们现在正在学习CAD，这使他们能够亲身体验从概念到最终完成设计的整个设计过程。随着增材制造在更多领域变得不可或缺，学生们必须尽早熟悉它。
除制造业以外，实物模型与其它学科的结合也使教育受益匪浅。教师现在可以通过打印分子、历史文物、器官等实务模型供学生近距离审视，从而创造出更具吸引力的教学体验。
增材制造的未来
最近新冠疫情的大流行凸显了全球供应链中存在的薄弱环节，这极大推动了增材制造行业的发展。供应链管理协会（Association for Supply Chain Management）的报告称，2020年，66%的供应链专业人士经历了某种形式的供应链定期中断。
通过数字化设计和现场打印实现供应链本地化，有助于抵消对国际贸易的过度依赖。这方面的一个典型示例就是在新冠大流行期间打印个人防护装备，以弥补医护人员的短缺。在可预见的未来，随着可持续发展成为全球企业日益关注的问题，这一趋势预计将会持续增长。在降低能源和运输成本的同时，更严格的供应法规也有望推动更多公司转向更环保的生产方式。
回收增材制造粉末
为了提高可持续性和产品质量，回收增材制造粉末是3D打印过程中的关键一步。3D构建完成后，粉末床上通常会残留不少可在下一个制造过程中重复使用的粉末原料，但再利用前需分离出较大颗粒和污染物。
为了解决这一问题，Russell Finex这类公司已拟定了自动化粉末处理解决方案，以简化回收过程。增材制造粉末处理解决方案使制造商能够检定增材制造粉末的品质，并在投入生产加工前对其进行筛选。
增材制造所面临的挑战
那么，影响增材制造在全球各行业推广的障碍是什么？尽管其具有灵活性，但仍存在一些重要的限制因素，如兼容材料的种类、引进成本和时间。
虽然3D打印非常适合于制作不同类型的零件和物品原型，但作为大量生产单一品类的替代方案却意义不大，因为这会导致规模效益欠佳。这种情况下，投资专门用于生产单个零件的单个注塑模具更具经济意义，成本更低，时间效率更高。对于一次性测试或原型制作，3D打印则比注塑模具开模要便宜得多，但后者虽初始成本昂贵，但当前用于专业制造的技术更高效。
目前用于3D打印的材料主要限于聚合物、精选金属和混凝土。同时，石材、木材和布料等不能用于3D打印，因为它们在高温下会燃烧而不是熔化，因此无法挤出或层叠。这种局限性给某些行业带来的问题较其他行业更多，但已经有替代材料的项目，包括3D打印织物。
随着世界变得越来越数字化，增材制造被视为制造业的自然进化，是全球步入数字化时代的体现，文件设计最终将取代注塑模具。允许按需在当地打印产品，使增材制造处于有望解决供应链和能源问题的关键节点。然而，在成为所有制造领域普遍采用的变革性技术之前，它还有很长的路要走。