增材制造技术的应用领域概述

1.工业制造

增材制造技术在汽车、航空航天、军事等工业领域有广泛的应用价值，可以提高效率、降低成本。目前，增材制造技术在工业领域主要用于设计模型的快速制造、小批量产品的制造和复杂结构产品的制造。

（1）机械制造。增材制造技术在机械领域的应用比较广泛。可以制造用于验证设计的机械零部件，加快开发速度。比如目前在家电开发过程中，已经广泛采用增材制造技术制造零部件样品，加快开发进程。增材制造技术也可以生产小批量的机械部件，生产用于维修的零件，甚至制作有相互运动机构或部件的零件，如轴承、啮合齿轮或其他机构（李怀学等，2012）。

（2）航空工业。航空工业产品附加值高，是各类新技术应用推广的重点。在军用飞机制造领域，沈飞集团在组装J-31飞机过程中，使用了大量增材制造技术生产的零部件。在民用航空领域，空中客车已经用增材制造技术制造了几千个部件，其中既有用于设计打样的零件，用于加快空客A350的开发速度，也有直接应用于商用飞机的零件^[1]。此外增材制造技术可定制零配件，降低空客公司的零配件储量，节约库存空间和资金。

（3）汽车工业。汽车工业也开始应用增材制造技术。通用公司在设计其2014款雪佛兰迈瑞宝车型过程中，使用了增材制造技术来降低设计成本和加快设计进程^[2]。欧宝于2014年开始，在其生产线上使用40余款增材制造技术生产装配工具，这些工具目前已在其多款车型上使用^[3]。同时多家汽车制造企业也开始尝试用增材制造技术定制零配件，以减少零配件库存。

2.文化创意

增材制造技术在文化创意领域应用价值大，既可以进行个性化艺术品定制，也可以进行现代艺术品制造，还可以进行有古代艺术的再现（张楠，李飞，2013）。

（1）艺术设计。各种类型的艺术设计师可借助增材制造技术，方便地把设计图变成实体，以更好地验证和展示自己的作品。目前，建筑设计师和玩具设计师们已广泛使用增材制造技术制造建筑和玩具模型，这种快速、低成本、制作精美的模型，为他们验证和展示作品提供了方便。

（2）艺术品的复制和制造。增材制造技术相比传统制造技术，在小批量艺术作品的精细度、制造效率和方便性方面都有极大的改善和提高。对于文物等高端艺术品的复制、艺术作品的高效小批量生产、艺术作品不受时空限制的高保真再现等工作都有重要意义，可以促进文化艺术品的保存、传播和交流。

（3）文化创意跨界整合。增材制造技术也为文化创意产业带来了大量跨界整合和创造的机会，给艺术家们带来了更为广阔的创作空间。借助增材制造技术，动漫形象可以方便地制作成玩具，艺术照片可以快速制作成精美的雕塑，巧克力和糖果也可以变出更多定制化的造型，促进了动漫、玩具、摄影、视频、糖果等多个文化创意产业的跨界整合。(www.xing528.com)

3.生物医学领域

生物医学领域的产品附加值高，是各类新技术应用推广的重点。生物医学领域的市场规模巨大，而每个人的身体构造和病理状况均存在差异，增材制造在生物医学领域有巨大的应用价值，在个性化定制人工假体、组织工程支架、组织器官的制造等方面有独特优势（罗强，刘德荣，2014）。

（1）手术辅助（见图4.27）。增材制造技术可以被用于制作复杂手术的术前设计和手术操作练习，尤其是骨科及颅颌面外科手术。根据患者术前三维影像学资料，增材制造技术可直接、精确地打印手术区域解剖结构。与三维数字模型相比，增材制造技术制作的实物模型更加直观。医生可在术前作出更准确诊断，制定更详细的手术方案，评估术中可能存在的风险，并在实物模型上操作，预测手术效果，从而缩短手术时间，提高手术成功率。

图4.27　手术辅助

（2）个性化医疗器械（见图4.28）。病人的体型和疾病情况各不相同，目前标准形制的支架、手术导板、假体、钢板等植入或非植入性医疗器械只能契合标准型患者的临床需求，其余患者则达不到最佳治疗效果。而增材制造技术可以根据患者定制个性化的医疗器械，以满足诊断和治疗的需求，达到最佳治疗效果。如增材制造技术能够制作与骨骼结构相似的植入物，宏观结构匹配骨缺损部位，微观上具有利于骨骼生成的多层次微孔，这样的人造骨骼植入物可以缩短病人康复过程。

图4.28　个性化的医疗器械

（3）组织器官的制造（见图4.29）。全球目前每年有超过600万人需要移植器官来维持生命，其中只有不到10万人可以获得移植器官。而器官的结构复杂，传统的制造技术无法制造这样复杂的结构。增材制造技术理论上可以制造出任意复杂的结构，这为在体外制造人工组织器官提供了技术可能，这是增材制造技术未来重要的应用方向。

目前增材制造技术在这一领域正处于从基础研究到应用的转化阶段。活细胞3D打印技术是研究的最前沿，Clemson大学开发的3D-cell printer（Cris Wilson，Boland，2003），Drexel大学开发的Multi-nozzle deposition（Khalil et al.，2005），清华大学开发的Cell assembly等都是该领域技术研究的代表。Organnovo公司和Regenovo公司则成功将这一领域的技术进行了商业化应用，他们用细胞3D打印技术制造的人工肝组织，已经作为药物筛选工具在制药工业得到应用。

图4.29　组织器官