增材制造使创建具有复杂几何结构的对象变得可能。图片来源:麻省理工学院斯隆管理学院

 

　　增材制造是通过每次构建一个层，之后不断叠加直至生产出产品的制造过程。它的制造过程与减材制造相反，减材制造是在一个固体材料块上进行切割，直到终完成产品。从技术上讲，增材制造可以应用于任何通过构建一些结构来制造产品的过程，比如成型技术，但通常将它用于3D打印。

 

　　在上世纪80年代，增材制造技术先被用于开发原型——这些原型通常都不是功能性的。这个过程被称为快速原型设计，因为它使人们能够快速创建终对象的比例模型，省去很多传统的加工步骤的同时还可以节省原型创建的成本。

 

　　随着增材制造的改进，它的用途扩展到为终产品创建模具的快速制模领域。到21世纪初，增材制造开始被用于制造功能性产品。而在近，像波音和通用电气这样的公司更是已经开始将增材制造作为其业务流程的重要一环。

 

　　工作原理

 

　　在使用增材制造技术创建一个对象之前，必须先将这个对象设计出来。这个过程通常是通过计算机辅助设计或者CAD软件来完成的，或者你也可以将想要打印的物体进行扫描来完成这个设计过程。接着可以通过软件将设计转换为层框架，以供增材制造机器完成接下来的制造过程。终的指令会发送到3D打印机，它会立即开始打印工作。麻省理工学院斯隆管理学院的高级讲师兼麻省理工学院行动计划的执行主任Thomas Roemer说:“你直接将数字转化为实体，这是一个相当大的变化。” 增材制造使用了各种各样的材料，从聚合物、金属、陶瓷到泡沫、凝胶，甚至生物材料。麻省理工学院的材料科学和工程博士研究生Arvind Kalidindi表示，“你几乎可以使用任何材料，只要你能找到使两部分局部连接在一起的方法，你就可以使用3D打印把它打印出来。”

 

　　实际生产中增材制造技术可以通过多种方式进行，所有的这些方法可能都要花费数个小时到几天的时间，这具体取决于产品的大小。一种常见的增材制造的方法是使用喷嘴将连续的材料一层层叠在一起，直到终产品完成。

 

　　另一种方法是使用粉末，通常是金属粉末。Kalidindi表示，这种方法的原理是:“在工作台上填满粉末，然后将你想要形成固体部分的粉末一层一层熔化掉。等完成全部过程后，剩余的粉末会自动从终制品上脱落掉。” 融化过程通常是用激光或电子束完成的，但还有另一项技术是使用聚合物来将粉末粘结在一起。之后把制品放在一个熔炉中，塑料部分会熔融除掉，而粉末则会烧结成一体，形成终产品。

 

　　增材制造的优点

 

　　增材制造有一些明显的好处。在传统制造业中，整个供应链可能需要耗费几个月的时间，而且需要巨额投资——有时是数百万或数十亿美元的投资——而这些投入只有通过大规模生产才能获得补偿。利用增材制造，供应链的大部分中间环节都被省略了。Roemer说:“你获得一件产品的速度要比以前快得多。”因为人们可以直接将设计方案从他们的电脑上直接发送到3D打印机。

 

　　另外，增材制造也可以制造一些功能性的材料，这意味着它们可以在内部和外部使用不同的材料。Roemer说：“想象一下，你需要一件产品具有高导电率的同时还需要具有耐磨性。那么在产品外部，你可以使用陶瓷之类的耐磨材料而在产品内部，你可以使用金属等导电材料。这样的产品依靠传统制造业是很难做到的。”

 

　　不过，Roemer认为增材制造具备两个大的优点，一是可以制造复杂几何结构的产品，一是能够实现小规模生产。

 

　　Roemer还表示：“利用增材制造你可以逐层制造几乎所有你想要创建的几何图形。你可以制造更加复杂并且具有不同材料属性的3D实体。” 在减材制造过程中，有些物体由于太小或具有很尴尬的角度而导致无法用理想的方式切除材料。而增材制造则没有这方面的限制。这也意味着制造商可以据此来降低终产品的重量，这一点在航空航天和汽车工业中尤为重要，因为重量可以影响终产品的功能。

 

　　增材制造也使得小批量生产变得更加容易。在传统的制造过程中，高额的安装成本使得小批量生产很不划算。但是使用增材制造，安装成本会大大降低，因此小批量生产就变得更加合理了。这也使得定制产品（如假肢或植入物）的生产变得更容易，这无疑是病人的福音。就比如助听器，它是为每个人量身定制的，并且几乎完全是采用增材制造法制造的。

 

　　增材制造面临的问题

 

　　增材制造同样也面临着挑战。增材制造机器是昂贵的，有时动辄数十万美元。用它们来制造大尺寸产品要比传统制造花费更多的时间。此外，许多由增材制造生产出的产品都需要经过后加工处理来清理粗糙的边缘使之变得更加平滑。

 

　　不过，根据Kalidindi的说法，增材制造大的挑战之一是“如何确保你的终产品具有良好的性能。从材料科学的角度来看，这甚至可能是增材制造的大挑战。如何减少增材制造过程中可能形成的缺陷数量?”

 

　　Kalidindi研究了金属粉末的化学成分之后表示，金属的属性和生产过程都会对终产品产生影响。Kalidindi说:“如果粉末不能完全粘结在一起，它就会形成缺陷并导致生产失败。你选取的加工过程有可能使金属存在残余应力，同时材料内部可能还会存在一些内部压力，这些因素将使产品自然而然地弯曲。”

 

　　在产品中存在缺陷并不是金属的特有现象。由于增材制造是刚刚兴起，研究人员仍在努力了解它许多不同的方面，比如材料是如何协同工作的，以及如何减少终产品的缺陷。

 

　　增材制造与传统制造

 

　　尽管增材制造有着这么多的优点，Roemer仍然表示认为传统制造业不会被取代。这是因为除了一些特例之外，传统制造业的速度仍然更快，成本也更低。在制造颗粒产品时便是如此。层的尺寸越小，制造的速度就越慢。虽然初的部分用增材制造法更便宜且更快，但从长远来看，打印出每一个单位要花费更长的时间。

 

　　然而，对于有些公司而言，使用增材制造是值得的。Roemer表示：“当我们需要小批量生产且对功能性要求较高的产品时，也即是增材制造大显神通的时候。”

 

　　3D打印出的低成本假肢。图片来源：维基百科

 

　　Roemer认为在生产中应该建立传统制造和增材制造结合起来的混合模式。在这种情况下，增材制造将被用于制造初的产品，但当生产规模增加到一定程度时，就发挥传统制造的作用。另外，当产品需求量较大的时候，企业应该继续使用传统制造，相反，如果库存较大，那么企业应该随着产品需求量的减少而采用使用增材制造。

 

　　Roemer说，增材制造技术即使是对那些从未使用过这种技术的公司来生产短期使用寿命的产品也会很有用。像卡特彼勒这样在24小时内就需要更换零件的公司，在战略地点配置3D打印机来打印和配送这些零件就是一个不错的选择，这远远比保留库存更加明智。梅赛德斯公司，一家承诺会一直为任何汽车提供零部件的公司，使用3D打印的方式来生产1928年SSK的零件所需要的成本比使用传统制造的方式所需要的成本要低得多。

 

　　潜在的行业影响

 

　　在一些行业中，使用3D打印来制造零部件或产品比使用传统制造更有意义。航空航天、赛车和医疗领域都是适合增材制造大展身手的行业。这是因为它们对功能的要求比对价格的要求要高得多的行业。或者说，在小批量或定制化的情况下，使用3D打印制造一个产品的成本比使用传统制造要低得多。

 

　　许多其他的行业也可能会使用增材制造。根据Roemer的说法，省去了制造新产品所需要的装备成本，企业家们就可以使用增材制造快速地制造产品或部件，以了解这些产品是否能达到预期的标准。如果这些产品无法达到预期标准，企业家们还可以重复使用这些增材制造机器，直到他们生产出合格的产品。他们甚至不需要自己购置3D打印机器来做这些事情——UPS等公司已经在不同的地方设立了3D打印设备供任何人使用。

 

　　成熟的企业也可以评估是否需要将增材制造纳入他们商业模式的一部分。如果一家公司生产的是专业化产品，或者需要制作具有复杂几何形状的产品，那么是否使用增材制造技术来改进它们的产品是他们必须要考量的问题。像阿迪达斯这样的公司正在使用增材制造来制造运动鞋鞋底，以使其适合大规模定制。

 

　　4D打印和一些其它应用

 

　　典型的增材制造是利用机器制造出一个固定的三维物体。而使用4D打印能够在没有人工交互的情况下随着时间的推移而改变或转换生产的3D产品。

 

　　4D打印有以下几个应用。一个是在诸如太空这种极端的环境中，这种自我配置的材料将会非常有用。另一个是将4D打印用于生物材料，随着时间的推移，它会继续进化。

 

　　其他领域对于增材制造技术的需求将会逐渐增多——一些公司已经在试验增材制造技术来制造从房屋到食品的各种产品，尤其是在成本降低和实际制造速度加快的应用上。与此同时，企业家并不是唯一对增材制造的发展感兴趣的人;随着该技术的发展，也出现了一群业余爱好者。虽然商业化的增材制造机器可能体积很大并且很昂贵，但3D打印公司正在越来越多地制造只需要几百美元到几千美元就能买到的小型的、桌面大小的3D打印机。

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