增材製造(Additive Manufacturing，AM)技術是采用材料逐漸累加的方法製造實體(ti) 零件的技術，相對於(yu) 傳(chuan) 統的材料去除一切削加工技術，是一種“自下而上”的製造方法。近20年來，增材製造技術取得了快速的發展。快速原型製造、增材製造、實體(ti) 自由製造等，各異的叫法分別從(cong) 不同側(ce) 麵表達了該製造技術的特點。這一技術不需要傳(chuan) 統的刀具、夾具及多道加工工序，在一台設備上可快速而精密地製造出任意複雜形狀的零件，從(cong) 而實現“自由製造”，解決(jue) 許多過去難以製造的複雜結構零件的成形，並大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且越是複雜結構的產(chan) 品，其製造的速度作用越顯著。 

   1 發展狀況 

   增材製造原理與(yu) 不同的材料和工藝結合形成了許多增材製造設備，目前已有的設備種類達到20多種。該技術一出現就取得了快速發展，在消費電子產(chan) 品、汽車、航天航空、醫療、軍(jun) 工、地理信息、藝術設計等多個(ge) 領域都得到了廣泛的應用。其特點是單件或小批量的快速製造，這一技術特點決(jue) 定了快速成形在產(chan) 品創新中具有顯著的作用。美國專(zhuan) 門從(cong) 事增材製造技術的技術谘詢服務協會(hui) (Wohlers)在2011年度報告中，對各行業(ye) 的應用情況進行了分析。過去3年快速成形技術應用的產(chan) 業(ye) 領域狀況，消費商品和電子領域仍占主導地位，但比例從(cong) 23.7%降低到20.6%；機動車領域從(cong) 19.1%降低到17.9%；研究機構為(wei) 7.9%；醫學和牙科領域從(cong) 13.6%增加到15.9%；工業(ye) 設備領域為(wei) 12,9%；航空航天領域為(wei) 9.9%。在過去幾年中，醫學和牙科是快速成形製造技術的第三大應用領域。 

    圖1是快速成形技術的主要應用功能的比例。它包括：①直觀展具：用於(yu) 工程師，設計師，工具製造者，建築師，醫學專(zhuan) 家與(yu) 用戶溝通交流的輔助工具；②展示模型：如地理信息係統模型；③功能模型；④裝配模型；⑤快速模具原型：如矽橡膠模具；⑥金屬鑄造模型；⑦工模具部件；⑧直接數字/快速製造：如定製化零件，替代物零件等。

   主要應用功能的比例

   世界上許多國家與(yu) 地區都在開發或應用增材製造技術。增材製造係統的數量一定程度上表現了國家的經濟活力與(yu) 創新能力。自1988～2010年，主要國家和地區的AM設備的數量情況。美國、日本、德國、中國成為(wei) 主要的設備擁有國。 

    2 發展趨勢 

    增材製造技術發展趨勢有三個(ge) 方麵： 

    (1)向日常消費品製造方向發展。三維打印技術是國外近年來的發展熱點，其設備稱為(wei) 三維打印機，將其作為(wei) 計算機一個(ge) 外部輸出設備而應用。它可直接將計算機中的三維圖形輸出為(wei) 三維的塑料零件。在工業(ye) 造型、產(chan) 品創意、工藝美術等方麵有著廣泛的應用前景和巨大的商業(ye) 價(jia) 值。 

    (2)向功能零件製造發展。采用激光或電子束直接熔化金屬粉，逐層堆積金屬，形成金屬直接成形技術。該技術可直接製造複雜結構金屬功能零件，製件力學性能可達到鍛件性能指標。進一步的發展方向是陶瓷零件的快速成形技術和複合材料的快速成形技術。 

    (3)向組織與(yu) 結構一體(ti) 化製造發展。實現從(cong) 微觀組織到宏觀結構的可控製造。如：在製造複合材料零件中，將複合材料組織設計製造與(yu) 外形結構設計製造同步完成，從(cong) 而實現結構體(ti) “設計-材料-製造”的一體(ti) 化。美國正在開展梯度材料結構的人工關(guan) 節、陶瓷渦輪葉片等零件增材製造的研究。 

    增材製造技術的應用，為(wei) 許多新產(chan) 業(ye) 和新技術的發展提供了快速製造技術。在生物假體(ti) 與(yu) 組織工程上的應用，為(wei) 人工定製化假體(ti) 製造、三維組織支架製造提供了有效的技術手段，為(wei) 汽車車型快速開發和飛機外形設計提供原型的快速製造技術，加快了產(chan) 品設計速度。如：國外增材製造技術在航空領域的應用量超過9%，而我國的應用量則非常低。增材製造技術尤其適合於(yu) 航空航天產(chan) 品中的零部件單件小批量的製造，具有成本低和效率高的優(you) 點，在航空發動機的空心渦輪葉片、風洞模型製造和複雜精密結構件製造方麵具有巨大的應用潛力。因此，增材製造技術與(yu) 企業(ye) 產(chan) 品創新結合，是增材製造技術發展的根本方向，也是實現創新性國家的銳利工具。增材製造的發展目標是實現微納米級的製造精度，有效提高大構件的製造效率，發展多材料和多工藝複合的控形控性製造技術。 

    3 關(guan) 鍵技術 

    增材製造有廣闊的發展前景，但也存在巨大的挑戰。目前最大的難題是材料的物理與(yu) 化學性能製約了其實現技術。如：在成形材料上，目前主要是有機高分子材料和金屬材料。金屬材料直接成形是近十多年的研究熱點，正逐漸向工業(ye) 應用，難點在於(yu) 如何提高精度。新的研究方向是用增材製造技術直接把軟組織材料（生物基質材料和細胞）堆積起來，形成類生命體(ti) ，經過體(ti) 外培養(yang) 和體(ti) 內(nei) 培養(yang) 去製造複雜組織器官。關(guan) 鍵技術的研發將有力地推動增材技術的發展。 

    3.1 精度控製技術 

    增材製造的精度取決(jue) 於(yu) 材料增加的層厚和增材單元的尺寸和精度控製。增材製造與(yu) 切削製造的最大不同是材料需要一個(ge) 逐層累加的係統，因此再塗層(recoating)是材料累加的必要工序，再塗層的厚度直接決(jue) 定了零件在累加方向的精度和表麵粗糙度，增材單元的控製直接決(jue) 定了製件的最小特征製造能力和製件精度。現有的增材製造方法中，多采用激光束或電子束在材料上逐點形成增材單元進行材料累加製造，如：金屬直接成形中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界氣氛控製，直接影響製造精度和製件性能。激光光斑在0.1～0.2mm，激光作用於(yu) 金屬粉末，金屬粉末熔化形成的熔池對成形精度有著重要影響。通過激光或電子束光斑直徑、成形工藝（掃描速度、能量密度）、材料性能的協調，有效控製增材單元尺寸是提高製件精度的關(guan) 鍵技術。 

    隨著激光、電子束及光投影技術的發展，未來將發展兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵技術：一是金屬直接製造中控製激光光斑更細小，逐點掃描方式使增材單元能達到微納米級，提高製件精度；另一個(ge) 方向是光固化成形技術的平麵投影技術，投影控製單元隨著液晶技術的發展，分辨率逐步提高，增材單元更小，可實現高精度和高效率製造。發展目標是實現增材層厚和增材單元尺寸減小10～100倍，從(cong) 現有的0.1mm級向0.01～0.001mm發展，製造精度達到微納米級。 

    3.2 高效製造技術 

   增材製造在向大尺寸構件製造方向發展，如金屬激光直接製造飛機上的鈦合金框粱結構件，框粱結構件長度可達6m，目前製作時間過長，如何實現多激光束同步製造、提高製造效率、保證同步增材組織之間的一致性和製造結合區域質量是發展的關(guan) 鍵技術。此外，為(wei) 提高效率，增材製造與(yu) 傳(chuan) 統切削製造結合，發展增材製造與(yu) 材料去除製造的複合製造技術是提高製造效率的關(guan) 鍵技術。 

   為(wei) 實現大尺寸零件的高效製造，發展增材製造多加工單元的集成技術。如：對於(yu) 大尺寸金屬零件，采用多激光束(4～6個(ge) 激光源)同步加工，提高製造效率，成形效率提高10倍。對於(yu) 大尺寸零件，研究增材製造與(yu) 切削製造結合的複合關(guan) 鍵技術，發揮各工藝方法的其優(you) 勢，提高製造效率。發展目標是：增材製造零件尺寸達到20m，製件效率提高10倍。形成增材製造與(yu) 傳(chuan) 統切削加工結合，使複雜金屬零件的高效高精度製造技術在工業(ye) 生產(chan) 上得到廣泛應用。 

    3.3 複合材料零件增材製造技術 

   現階段增材製造主要是製造單一材料的零件，如單一高分子材料和單一金屬材料，目前正在向單一陶瓷材料發展。隨著零件性能要求的提高，複合材料或梯度材料零件成為(wei) 迫切需要發展的產(chan) 品。如：人工關(guan) 節未來需要Ti合金和CoCrMo合金的複合，既要保證人工關(guan) 節具有良好的耐磨界麵(CoCrMo合金保證)，又要與(yu) 骨組織有良好的生物相容界麵(Ti合金)，這就需要製造的人工關(guan) 節具有複合材料結構。由於(yu) 增材製造具有微量單元的堆積過程，每個(ge) 堆積單元可通過不斷變化材料實現一個(ge) 零件中不同材料的複合，實現控形和控性的製造。 

   未來將發展多材料的增材製造，多材料組織之間在成形過程中的同步性是關(guan) 鍵技術。如：不同材料如何控製相近的溫度範圍進行物理或化學轉變，如何控製增材單元的尺寸和增材層的厚度。這種材料的複合，包括金屬與(yu) 陶瓷的複合、多種金屬的複合、細胞與(yu) 生物材料的複合，為(wei) 實現宏觀結構與(yu) 微觀組織一體(ti) 化製造提供新的技術。發展目標是：實現不同材料在微小製造單元的複合，達到陶瓷與(yu) 金屬成份的主動控製，實現生命體(ti) 單元的受控成形與(yu) 微結構製造，從(cong) 結構自由成形向結構與(yu) 性能可控成形方向發展。 

   4 結束語 

   增材製造已成為(wei) 先進製造技術的一個(ge) 重要發展方向，有著廣闊的發展前景，也存在著巨大的挑戰。該技術將向著三個(ge) 方向發展：一是日常消費品製造方向；二是功能零件製造方向；三是組織與(yu) 結構一體(ti) 化製造方向。未來需解決(jue) 的關(guan) 鍵技術包括：精度控製技術、高效製造技術、複合材料零件製造技術。增材製造技術的發展將有力提高我國工業(ye) 產(chan) 品和日用消費品的創新能力，支撐我國由製造大國向製造強國發展。

                                                               作者：李滌塵 田小永 王永信 盧秉恒