探索增材制造技术，增材制造的定义

1）增材制造的定义

增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗称3D 打印（Three-Dimensional Printing，3D Printing），曾被美国测试和材料协会（American Society of Testing and Measuring，ASTM）定义为“一种利用三维模型数据通过连接材料获得实体的工艺，通常为逐层叠加，是与传统的去材制造（Material Subtractive Manufacturing）方式截然不同的工艺”。作为“快速成型（Rapid Prototyping，RP）”技术的一种，增材制造技术以数字模型文件为基础，融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术，通过软件与数控系统将末状、丝化、液化等可粘合材料（包括专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料），按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，构造出三维实体物品，因而，其又被称为“具有工业革命意义的制造技术”。

2）增材制造的起源

增材制造技术可视为“19 世纪的思想，20 世纪的技术，21 世纪的市场”。早在1892 年，J.E.Blanther 就提议利用分层制造的方法来构造地形图。1902 年，Carlo Bases 提出了利用光敏聚合物来制造塑料件。Perera 在1940 年提出了使用通过切割轮廓线的硬纸板粘结成三维地图的方法。

20 世纪70 年代末80 年代初，增材制造的概念才被正式提出，相关专利和学术出版物不断涌现。1983 年，Charles W.Hull 发明了液态树脂光固化成型（Stereo Lithography Apparatus，SLA）技术，并在美国UVP（Ultra-Violet Products）公司的资助下，完成了第一套立体光固化快速成型制造装置的研发。1988 年，3D Systems 公司根据Charles W.Hull的专利生产并出售了第一台现代化立体光固化成型设备SLA-250，标志增材制造技术的商业化、工业化时代的正式到来。同年，Michael Feygin 发明了分层实体制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）成型技术。在此后的10 年中，增材制造技术蓬勃发展，涌现出了大量的成型工艺和设备，包括1991 年美国Stratasys 公司提出的熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling，FDM）、以色列Cubital 公司的实体平面固化（Solid Ground Curing，SGC）以及1992 年美国DTM 公司研发的选区激光烧结（Selected Laser Sintering，SLS）等。随着时间的推移，新的增材制造技术层出不穷，已有技术也不断完善，截至1996 年，全球已成立284 个3D 打印服务中心，且3D 打印产业的市场价值不断提升。

总体而言，美国的增材制造技术在全球处于主导地位，欧洲、日本等国家也不断地进行相关技术和设备的研发。而我国的增材制造技术的起步并不晚，早在20 世纪80 年代末就已经进行了相关方面的研究，主要集中在清华大学、西安交通大学、华中科技大学和上海交通大学等几所高等院校。

3）3D 打印的原理及特点

任何3D 打印过程的起点都是3D 数字模型，即可通过AutoCAD、SketchUp、Creo、SolidWorks、3DS Max 等3D 建模软件进行正向模型设计，或者借助访问程序、直接使用3D扫描仪进行扫描，逆向构建3D 数据模型。3D 打印技术将所建立的模型进行“切片”成层处理后，形成3D 打印机可读的STL 文件，同时修复缺失的模型数据。其根据设计和工艺进行分层处理和离散，得到各层截面的二维轮廓模型，进而实现可由3D 打印机加工3D 打印材料以形成实体模型。由于3D 打印技术面向不同对象有不同的处理方式和使用材料，因而存在不同类型的3D 打印机，但基本的打印原理都是“分层打印，逐层增加”。其中，常见的打印类型有SLA（激光固化光敏树脂成型）、FDM（熔融挤压堆积成型）、3DP（三维喷涂黏结成型）以及SLS（选择性激光烧结成型）等。

3D 打印的基本原理是基于离散—堆积成型，与传统的“减材制造”不同，是一种不需要刀具、夹具和机床就可以制造出任何形状产品的制造技术。它利用产品的三维模型数据，通过软件分层离散和数控成型系统，采用逐层制造的方式对专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料进行堆积粘结，形成实体模型。因此，3D 打印技术具有下述特点。

（1）快速性(www.xing528.com)

与传统制造方式相比，3D 打印通过STL 文件实现与3D 数字模型的无缝连接，然后由3D 打印机加工3D 打印材料完成原型制作，不仅具有制造工艺流程短、全自动等特点，而且可以使得产品按需就近生产，实现零时间交付，进而促进制造过程向快速化、高效化迈进。

（2）高度集成化

在成型工艺中，3D 打印技术首先借助CAD 等软件进行产品数字化建模，然后通过“切片”成层处理将模型转化为可以直接驱动3D 打印机的数控指令，最后根据数控指令完成相应零部件的制造，实现设计和制造过程一体化。

（3）与工件复杂程度无关

3D 打印是基于三维模型数据，采用逐层制造的方式来构造三维实体。因此在制造过程中无须模具，任何高性能难成型的产品均可通过“打印”的方式一次性直接成型，不需要组装，大大简化了加工过程，实现了产品多样化、设计空间无限化等。

（4）高度柔性

3D 打印技术是以3D 数字模型为基础的真正数字化制造技术，仅需改变数字模型，调整或重新设置加工参数，就可以实现不同类型产品的制作。同时在成型过程中，3D 打印无须使用专门的夹具或工具，从而使成型过程具有极高的柔性。

（5）自动化程度高

3D 打印是一种完全自动的成型过程，操作者只需要在成型之初输入一些基本的工艺参数，后期无须或较少地实行干预。当出现故障时，设备会自动停止并发出警报；当产品完成后，设备会自动停止并呈现相应的成果。因此3D 打印技术大幅度降低技术人员的依赖程度，做到零技能制造。