編者按：人人都在談論3D打印技術將如何改變目前的製造環境，這項技術也成為了工業4.0創新浪潮的一部分，人們希望它能夠徹底變革現有的生產方式。這或許有點誇張，但增材製造 (AM) 確實昭示著生產力的巨大革新。
增材製造在每個行業的應用步伐取決於行業自身的特點，例如監管水平，以及現有及潛在的業界客戶對創新和風險所持的態度。毫無疑問，製造業市場蘊含著巨大的變革機會。但問題是，當機遇來臨時，您如何讓自己的企業立於不敗之地？
最好先思考一下，增材製造會給市場帶來什麽樣的本質性改變，而您希望如何應用這技術來增強您的競爭力。階梯模型簡要介紹了應用增材製造的不同階段：
增材製造的生產效益
應用增材製造可能獲得的各種效益，包括在產品製造過程中累積的生產效益，以及在產品投入使用之後累積的長期效益。沿階梯上行時，在新產品設計和驗證方麵的投入，及新製造工藝方麵的投入都會上升，但獲得的效益也會隨之增加：
增材製造帶來的效益會隨著階梯的爬升而提高，因為能夠更多地利用到它所具有的獨特功能。這些功能應用越多，增材製造產品就越具有創新性和突破性，價值也越大。
那麽這有什麽實踐意義呢？
您可以逐步應用哪些功能？
接下來將重點介紹：
增材製造在階梯模型的四級台階您可以發揮的功能。
台階0—快速原型製造和加工
這通常是許多公司開始應用增材製造的起點，即快速製造模型和工具，此時的產品設計尚未定型。在這一級台階，有兩個增材製造功能可發揮作用：
a可重複的數控加工
增材製造是一種高度自動化的過程，在裝填好粉倉並啟動激光之後，整個加工過程便無需任何人工幹預。因此，它可替代傳統的加工流程，提高生產成本效益，而加工結果的精度和可預測性也更好。增材製造在口腔領域的應用就是很好的例子，手工製作的模型被采用數字化設計並自動加工出的植入體替代。這是增材製造的內在特性，在階梯的所有階段都能獲得這些效益。
b隨形冷卻
這是一個可以成功應用於模具製造的複雜功能。隨形冷卻需要根據零件輪廓構建冷卻液通道，確保快速均勻的熱量傳遞。通道本身應設計成具有流暢的圓角，可避免冷卻液滯留而導致腐蝕，同時確保冷卻液能以較小壓降順暢流動。可將多條冷卻液通道設計到一個複雜模具中，每條長度相同，確保均勻冷卻。最終生產出的模具製造周期短、使用壽命長。
也可將隨形冷卻功能應用到產品本身，但這需要更改產品設計，在應用階梯模型中屬於最高一級台階了。
台階1 — 直接零件替換
我們在階梯模型中向上移動一級，來到零件製造階段，但這僅是對現有零件的複製。這裏隻有製造工序發生變化，而零件的幾何形狀並未發生改變。這個階段可實現增材製造的另外兩個功能：
a近淨成型製造
相較於切削式加工方法，增材製造的一個重要特性是，材料浪費非常少。我們要考慮批量生產，那麽單位浪費率就變得十分重要。
在航空航天領域，BTF比率（原材料與成品零件之間的重量比值）是衡量加工效率的一個關鍵指標，在生產過程中，有多少原材料成為了切屑？增材製造是一種“近淨成型”工序，盡管通常仍需要一些後處理操作，用於確保成型體成功的必要支撐結構也屬於一種材料浪費。增材製造並非完美無瑕，但它帶來的優勢卻極具吸引力，GKN Aerospace就是一個例子：
b本地化生產
增材製造無需模具，能消除與模具製造相關的高昂固定成本，有助於提高小規模製造企業的經濟效益 —即使是一家小型企業，也能獲得成本競爭優勢，同時憑借臨近客戶的便利性，可提供更優質的服務。可借此機會革新現有供應鏈，或改造現有供應鏈以提高響應速度。
台階2-零件集成
這是開始改變產品設計的第一步，以便充分利用增材製造能夠加工複雜形狀的特性。在這種情況下，希望通過將多個零件集成到單一且完整的加工件中，精簡產品中的零件數量。這一級台階，有三個增材製造功能可發揮作用：
a多特征部件
增材製造允許為部件設計細節特征，然後隻需一次操作便可完成加工，無需額外的流程步驟。可消除工藝的複雜性，轉而將其注入到零件中。
將多個加工步驟合並為單一的增材製造操作，自動加工出的單一加工件便可替代複雜的裝配流程，降低模具成本、縮短總加工時間以及縮短交貨時間等。
b消除結合點
在產品設計中，對傳統製造過程無法一次完成的複雜形狀，需加入接合點。接合點是指配對特征、緊固件、插頭、墊片和密封圈等。它們會增加產品的零件數量、重量、加工和裝配時間，也會導致產品結構中出現薄弱環節，各部件之間匹配不佳，埋下故障和性能隱患。因此最好避免接合點！
增材製造可在一次操作中加工出複雜形狀。例如下圖所示的扭曲狀波導管，有助於節省裝配成本，提高長期使用效益。
c連環結構
可在一次增材製造過程中生產具有連環結構的部件，無需進一步裝配操作。如此可製造出外觀整潔、極具吸引力的多功能零件。
台階3—DfAM優化
到達階梯頂部可利用最為高級的增材製造功能。運用增材製造專用設計(DfAM)原理，充分利用其帶來的設計自由，獲得創新、定製的解決方案。
a空心/多孔結構
傳統方法生產的許多零件為實心結構，盡管空心結構的強度並不遜色，但傳統加工方法費時費力，成本昂貴。增材製造通過單一加工過程輕鬆加工出空心結構，材料使用少、加工時間短。例如網狀結構在保持強度的同時，重量減輕50%。
b拓撲優化
拓撲優化也可減輕零件重量，原理是定義相鄰結構的接觸麵及其所承受的載荷。考慮這些載荷對材料產生的應力，並去除應力最小區域中的材料，隻保留能以最有效方式傳輸指定載荷的區域中的材料。
以下為空間探測設備使用的一支架，其重量是極為關鍵的因素。通過拓撲優化，支架變為空心結構，“命運之手指”—重量減少了三分之一，設計和生產時間也大大縮短。
c增強美觀性
增材製造技術讓我們能隨心所欲地設計各種不尋常的天然形狀，生產出創新且富有吸引力的產品，例如珠寶。
d增加表麵積
承載接觸麵需較大的表麵積，以確保良好的附著性。骨科植入體尤其如此，醫生希望提高金屬植入體和鄰近骨骼間的相容性，確保二者穩固接合，盡量防止出現“應力遮擋效應”，避免後續手術修複治療。大麵積接觸表麵，還有利於提高金屬與複合材料之間的接合強度。
e提高傳熱性
設計新型熱交換器是增材製造技術的一個重要應用。為最大限度提高一種液體與另一種之間的換熱效率，熱交換器內部應具有大量複雜的微型薄壁管道和二次表麵。增材製造能經濟高效地加工出內外部細節特征，產品性能更高，重量更輕。對賽車、公路車輛及綠色能源產品設計具有明顯優勢。
f高強度合金
某些合金材料具有理想的熱屬性和機械屬性，但加工難度大，實際應用受到限製。增材製造本質是熔接過程，隻要能將合金“霧化”為粉末，就可使用激光技術加工材料。
g微型結構材料
增材製造可加工出精細的網狀結構，為生產具有特定屬性的金屬“泡沫”創造了機會。此類微型結構材料經過設計可具有各向異性的屬性，例如不同平麵具有不同的剛性和導熱性。標準和定製的微型結構材料為生產輕質、高性能產品開啟新的機遇。
h按照物料清單進行生產
增材製造無需刀具、模具，可將不同產品組件的製造過程集成到單一的加工工序中，一次性製造所有主要組件，對其進行後處理並完成組裝。有助於簡化生產調度、減少庫存。還可有選擇地將其與本地化生產，大規模定製相結合雷尼紹為全球第一輛3D打印山地自行車製造的車架就是個應用典範。
i大規模定製
隻要有想要製造零件的CAD模型，無論是製造與之前完全相同的零件，或有稍許差異，使用增材製造在成本和加工時間方麵幾乎沒有差別，能以經濟實惠的方式生產定製零件。雷尼紹的種植牙業務每天要根據不同口腔技工所的設計文件，製造形狀各異的修複體。這些修複體可在一次加工過程中完成，降低成本。
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