增材制造定义、产业化历史及技术特点有哪些？

增材制造具备从设计端和制造端解决传统制造技术痛点的 能力。

增材制造又称“3D 打印”，是基于三维模型数据，采用与传统减材制造技术（对 原材料去除、切削、组装的加工模式）完全相反的逐层叠加材料的方式，直接制 造与相应数字模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法，将对传统的工艺流 程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深刻影响，是制造业有代表性的颠覆性 技术，集合了信息网络技术、先进材料技术与数字制造技术，是先进制造业的重 要组成部分。其基本原理为：以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散 和数控成形系统，将三维实体变为若干个二维平面，利用激光束、热熔喷嘴等方 式将粉末、树脂等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成形，制造出实体产品。 增材制造将复杂的零部件结构离散为简单的二维平面加工，解决同类型零部件难 以加工难题。

增材制造产业化历史起始于 1986 年，技术进步带来大规模产业化的提升。1986 年，美国人 Hull 发明光固化技术（SLA）并成立了全球首家 3D 打印公司 3D Systems，标志着 3D 打印技术产业化的开端。1995 年德国 Fraunhofer 激光技术 研究所(ILT)推出 SLM 技术，激光技术开始被应用于增材制造并逐步普及，开启了 3D 打印大规模产业化试制和应用阶段。而对于我国来说，起步相对较晚，增材制 造产业化相对短暂，随着美欧的3D打印底层技术专利在2009-2015年陆续到期， 我国增材制造技术发展进入快速的技术追赶阶段，据统计 2011 年-2016 年期间， 我国 3D 打印专利数由 2011 年的 5 个迅速攀升至 2016 年的 6564 个。2016 年以 来，我国逐渐从技术积累向商业化批量应用过渡，进入到快速放量发展的起步阶 段。

作为新兴的制造方式，金属增材制造与传统精密加工技术相比具备以下特点： 缩短新产品研发及实现周期。3D 打印工艺成形过程由三维模型直接驱动，无 需模具、夹具等辅助工具，可以极大的降低产品的研制周期，并节约昂贵的模 具生产费用，提高产品研发迭代速度。 可高效成形更为复杂的结构。3D 打印的原理是将复杂的三维几何体剖分为二 维的截面形状来叠层制造，故可以实现传统精密加工较难实现的复杂构件成形， 提高零件成品率，同时提高产品质量。 实现一体化、轻量化设计。金属 3D 打印技术的应用可以优化复杂零部件的 结构，在保证性能的前提下，将复杂结构经变换重新设计成简单结构，从而起 到减轻重量的效果，3D 打印技术也可实现构件一体化成形，从而提升产品的 可靠性 。材料利用率较高。与传统精密加工技术相比，金属 3D 打印技术可节约大量 材料，特别是对较为昂贵的金属材料而言，可节约较大的成本。 实现优良的力学性能。基于 3D 打印快速凝固的工艺特点，成形后的制件内 部冶金质量均匀致密，无其他冶金缺陷；同时快速凝固的特点，使得材料内部 组织为细小亚结构，成形零件可在不损失塑性的情况下使强度得到较大提高。

金属 3D 打印工艺原理主要分为粉末床选区熔化和定向能量沉积两大类别，采用 这两类工艺原理的金属 3D 打印技术都可以制造达到锻件标准的金属零件。根据 Wohlers 对包括铂力特在内的全球 36 家主要的金属 3D 打印企业统计，2018 年 度，采用粉末床选区熔化技术为 18 家，采用定向能量沉积技术为 8 家，合计占 比达到 72%。为了获得更为广泛的应用，这两类主流金属 3D 打印技术都在努力 向兼顾高性能、高精度、高效率、低成本、更大的尺寸范围和更广泛的材料适用 性方向发展。

基于增材制造的五大特点，其能够解决下游在使用传统精密制造技术中的： ①设计端：研发迭代周期长、“制造决定设计”等问题； ②制造端：材料利用率低，小批量生产成本偏高、库存偏高等痛点。

设计端：增材制造加快产品设计端落地与迭代，提升设计自由度，可以有效结合 拓扑优化设计等轻量化、一体化设计方式。增材制造的在设计端优势突出，更易 于从设计端切入下游行业，不断提升渗透率，其优势主要体现在： 缩短产品研发和制造周期，帮助产品厂商从设计端快速实现“图纸——实物” 的转化。相较传统精密加工技术需要更长的周期来准备模具、工装等能够实现 设计端的快速落地和迭代。 二维截面叠层制造复杂结构件能够给予产品设计端更高的自由度，突破传统的 “制造决定设计”问题，实现“设计引导制造”。增材制造可以协助产品厂商在 设计上突破传统精密加工技术在复杂结构件制造的限制，给予产品设计端更高 的自由度；另外，增材制造技术能够有效结合拓扑优化设计、点阵结构设计、 一体化结构设计等，解决了结构优化存在的“制造决定设计”的问题，在产品 一体化、轻量化方面实现设计端的突破。

制造端：去模具、减废料、降库存，小批量生产优势显著。增材制造材料利用率 高、三维模型直接驱动、生产周期短等优势，能够在制造端实现降本、降库存等 优势。另外，其边际成本随打印数量下降相对平缓，相对传统制造方式存在规模 效应阈值，在小批量生产方面优势显著。增材制造材料利用率高。使用金属粉末、树脂等各种材料，以逐层叠加材料方 式制造产品，相较传统精密加工方式材料利用率更高，甚至能够达到 95%以上。 增材制造生产周期短，可以有效降低库存量。由于增材制造不需要模具和工装 等，使用原材料和设备即可打印产品，生产周期有效缩短，例如 GE 航空的燃 油喷嘴采用增材制造后库存量降低 95%。 增材制造规模经济效应相较传统制造方式存在阈值，降低最低有效生产规模所 需的资本投入，小批量生产方面优势显著。根据艾瑞咨询，随着生产规模的增 加，增材制造的边际成本下降相对传统制造方式更缓慢，这使得其在达到一定 的生产规模后将可能丧失其成本优势，但在阈值前的小批量生产方面优势显著。 增材制造灵活性强，具备高柔性生产能力。增材制造能够根据下游不同需求领 域灵活切换，具备高柔性的生产能力，但需要对设备扫描速度、分区扫描、激 光功率等参数设置等具备很深的理解。