增材制造的優(yōu)勢

增材制造大大簡化了供應(yīng)鏈。在小規(guī)模操作中，它與計算機和3D打印機一樣重要，可以大大縮短制造過程的時間，你幾乎可以創(chuàng)建各種尺寸的幾何形狀，從可以在幾小時內(nèi)打印的小物體到需要數(shù)天才能完成的設(shè)計。正是這種靈活性真正使增材制造受益。

此外，雖然小批量減法制造并不劃算，但少量增材制造就可以了，你可以打印單個對象，也可以按比例放大。實際上，增材制造的一個很好的例子是NASA對3D打印航天器零件的使用在軌道上組裝的，通常，宇宙飛船所需的零件是非常特定的，并且以更傳統(tǒng)的減法制造方法來打印它們并不劃算。然而，增材制造允許按需印刷特殊零件。

增材制造的缺點

但是增材制造并不完美。盡管小批量生產(chǎn)更可行，但擴大規(guī)模對于增材制造可能是一個挑戰(zhàn)。它可以實現(xiàn)，但不能以減法制造實現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模化的速度來實現(xiàn)，有質(zhì)量保證。通常，增材制造需要后處理，范圍從小到大。另一方面，減法制造需要很少的后處理。

增材制造是一個徹底的游戲規(guī)則改變者。與傳統(tǒng)的減法制造工藝相比，這是一種經(jīng)濟高效的生產(chǎn)解決方案，適用于較小的物品。通過將供應(yīng)鏈動態(tài)減少到幾乎PC和3D打印機，從構(gòu)思到生產(chǎn)的速度要快得多。但是，存在局限性，尤其是在擴大規(guī)模時。在增材制造中，創(chuàng)建大量產(chǎn)品可能很困難，因為后處理可能會占用大量人力。但這不僅僅是利用增材制造的初創(chuàng)企業(yè)。NASA等主要的工業(yè)企業(yè)已采用3D打印作為以合理的成本生成定制項目的方法。總體而言，增材制造可能是原型的未來。

增材制造的應(yīng)用

以激光束、電子束、等離子或離子束為熱源，加熱材料使之結(jié)合、直接制造零件的方法，稱為高能束流快速制造，是增材制造領(lǐng)域的重要分支，在工業(yè)領(lǐng)域最為常見。

在航空航天工業(yè)的增材制造技術(shù)領(lǐng)域，金屬、非金屬或金屬基復(fù)合材料的高能束流快速制造是當前發(fā)展最快的研究方向。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，增材制造經(jīng)歷了從萌芽到產(chǎn)業(yè)化、從原型展示到零件直接制造的過程，發(fā)展十分迅猛。美國專門從事增材制造技術(shù)咨詢服務(wù)的Wohlers協(xié)會在2012年度報告中，對各行業(yè)的應(yīng)用情況進行了分析。在過去的幾年中，航空零件制造和醫(yī)學(xué)應(yīng)用是增長最快的應(yīng)用領(lǐng)域。2012年產(chǎn)能規(guī)模將增長25%至21.4億美元，2019年將達到60億美元。增材制造技術(shù)正處于發(fā)展期，具有旺盛的生命力，還在不斷發(fā)展；隨著技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也將越來越廣泛。

航空領(lǐng)域應(yīng)用高速、高機動性、長續(xù)航能力、安全高效低成本運行等苛刻服役條件對飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料和制造提出了更高要求。輕量化、整體化、長壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)功能一體化以及低成本運行成為結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料應(yīng)用和制造技術(shù)共同面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，這取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)材料和現(xiàn)代制造技術(shù)的進步與創(chuàng)新。

首先，增材制造技術(shù)能夠滿足航空武器裝備研制的低成本、短周期需求。隨著技術(shù)的進步，為了減輕機體重量，提高機體壽命，降低制造成本，飛機結(jié)構(gòu)中大型整體金屬構(gòu)件的使用越來越多。大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)制造技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代飛機制造工藝先進性的重要標志之一。美國F-22后機身加強框、F-14和“狂風”的中央翼盒均采用了整體鈦合金結(jié)構(gòu)。大型金屬結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)制造方法是鍛造再機械加工，但能用于制造大型或超大型金屬鍛坯的裝備較為稀缺，高昂的模具費用和較長的制造周期仍難滿足新型號的快速低成本研制的需求；另外，一些大型結(jié)構(gòu)還具有復(fù)雜的形狀或特殊規(guī)格，用鍛造方法難以制造。而增量制造技術(shù)對零件結(jié)構(gòu)尺寸不敏感，可以制造超大、超厚、復(fù)雜型腔等特殊結(jié)構(gòu)。除了大型結(jié)構(gòu)，還有一些具有極其復(fù)雜外形的中小型零件，如帶有空間曲面及密集復(fù)雜孔道結(jié)構(gòu)等，用其他方法很難制造，而用高能束流選區(qū)制造技術(shù)可以實現(xiàn)零件的凈成形，僅需拋光即可裝機使用。傳統(tǒng)制造行業(yè)中，單件、小批量的超規(guī)格產(chǎn)品往往成為制約整機生產(chǎn)的瓶頸，通過增量制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)以相對較低的成本提供這類產(chǎn)品。

據(jù)統(tǒng)計，我國大型航空鈦合金零件的材料利用率非常低，平均不超過10 %；同時，模鍛、鑄造還需要大量的工裝模具，由此帶來研制成本的上升。通過高能束流增量制造技術(shù)，可以節(jié)省材料三分之二以上，數(shù)控加工時間減少一半以上，同時無須模具，從而能夠?qū)⒀兄瞥杀居绕涫鞘准⑿∨康难兄瞥杀敬蟠蠼档停?jié)省國家寶貴的科研經(jīng)費。

通過大量使用基于金屬粉末和絲材的高能束流增材制造技術(shù)生產(chǎn)飛機零件，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化，降低成本和周期，達到“快速反應(yīng)，無模敏捷制造”的目的。隨著我國綜合國力的提升和科學(xué)技術(shù)的進步，我國經(jīng)濟體已經(jīng)處于世界經(jīng)濟體前列，與發(fā)達國家的一樣，保證研制速度、加快裝備更新速度，急需要這種新型無模敏捷制造技術(shù)——金屬結(jié)構(gòu)快速成形直接制造技術(shù)。

其次，增材制造技術(shù)有助于促進設(shè)計-生產(chǎn)過程從平面思維向立體思維的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)制造思維是先從使用目的形成三維構(gòu)想，轉(zhuǎn)化成二維圖紙，再制造成三維實體。在空間維度轉(zhuǎn)換過程中，差錯、干涉、非最優(yōu)化等現(xiàn)象一直存在，而對于極度復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)，無論是三維構(gòu)想還是二維圖紙化已十分困難。計算機輔助設(shè)計（CAD）為三維構(gòu)想提供了重要工具，但虛擬數(shù)字三維構(gòu)型仍然不能完全推演出實際結(jié)構(gòu)的裝配特性、物理特征、運動特征等諸多屬性。采用增量制造技術(shù)，實現(xiàn)三維設(shè)計、三維檢驗與優(yōu)化，甚至三維直接制造，可以擺脫二維制造思想的束縛，直接面向零件的三維屬性進行設(shè)計與生產(chǎn)，大大簡化設(shè)計流程，從而促進產(chǎn)品的技術(shù)更新與性能優(yōu)化。在飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，設(shè)計者既要考慮結(jié)構(gòu)與功能，還要考慮制造工藝，增材制造的最終目標是解放零件制造對設(shè)計者的思想束縛，使飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計師將精力集中在如何更好實現(xiàn)功能的優(yōu)化，而非零件的制造上。在以往的大量實踐中，利用增量制造技術(shù)，快速準確地制造并驗證設(shè)計思想在飛機關(guān)鍵零部件的研制過程中已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用。另一個重要的應(yīng)用是原型制造，即構(gòu)建模型，用于設(shè)計評估，例如風洞模型，通過增材制造迅速生產(chǎn)出模型，可以大大加快“設(shè)計-驗證”迭代循環(huán)。

再次，增材制造技術(shù)能夠改造現(xiàn)有的技術(shù)形態(tài)，促進制造技術(shù)提升。利用增量制造技術(shù)提升現(xiàn)有制造技術(shù)水平的典型的應(yīng)用是鑄造行業(yè)。利用快速原型技術(shù)制造蠟?zāi)？梢詫⑸a(chǎn)效率提高數(shù)十倍，而產(chǎn)品質(zhì)量和一致性也得到大大提升；利用快速制模技術(shù)可以三維打印出用于金屬制造的砂型，大大提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。在鑄造行業(yè)采用增量制造快速制模已漸成趨勢。
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