增材制造技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域中的意義是什么

近年來，隨著制造技術(shù)和經(jīng)濟發(fā)展水平的提高，人們的消費習(xí)慣逐步往個性化消費模式轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變帶來了傳統(tǒng)制造模式的改變，相對應(yīng)的制造技術(shù)手段也發(fā)生了變化。為了適應(yīng)這種變化，技術(shù)專家們一直在尋找合適的技術(shù)手段。20世紀(jì)80年代中期，增材制造技術(shù)開始發(fā)展，為未來制造業(yè)、未來社會生產(chǎn)模式以及人類生活方式的變革提供了一種前所未有的技術(shù)方法。

美國汽車研究中心（CAR）于2019年3月發(fā)布了白皮書《推動增材制造進(jìn)入移動行業(yè)——商業(yè)案例：增材制造移動行業(yè)聯(lián)盟（MCAM）》。此白皮書站在汽車行業(yè)發(fā)展的角度，闡述了近年來由于人們對移動出行越來越多的個性化、安全性、信息化服務(wù)需求，汽車制造行業(yè)在設(shè)計、制造、商業(yè)模式、快速反應(yīng)能力等環(huán)節(jié)需要進(jìn)行快速徹底的改進(jìn)。而增材制造技術(shù)為以上目標(biāo)的實現(xiàn)提供了一種可行的技術(shù)保障手段，肯定了以美國汽車研究中心為核心建立的“增材制造移動行業(yè)聯(lián)盟”對汽車行業(yè)個性化發(fā)展所具有的重要意義。?

表1：增材制造技術(shù)種類、典型材料、主要應(yīng)用和示例公司

（來源：美國混合動力制造技術(shù)公司（HMT）、3D科學(xué)谷、汽車研究中心調(diào)查）

汽車制造只是全球制造業(yè)的一個縮影，我們可看出增材制造技術(shù)對整個制造業(yè)發(fā)展所帶來的深刻影響。

表2：汽車制造商的增材制造應(yīng)用方案（來源：汽車研究中心調(diào)查）

傳統(tǒng)的制造手段嚴(yán)重制約了設(shè)計師的想象力和創(chuàng)造力，扼殺了人們對更加個性化產(chǎn)品需求的欲望。增材制造技術(shù)的應(yīng)用無疑會使設(shè)計人員掙脫禁錮創(chuàng)造力的無形枷鎖，設(shè)計出更加優(yōu)秀的產(chǎn)品，這全靠增材制造獨具特色的成型方式帶來的變革，這是因為：

●設(shè)計師可在保證產(chǎn)品性能的前提下設(shè)計出結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的零部件，并最大可能的減少零部件數(shù)量，優(yōu)化裝配流程；

●可以最大限度地應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化方法，使產(chǎn)品輕量化設(shè)計變得更加容易實現(xiàn)；

●更多的高性能復(fù)合材料在設(shè)計中得以應(yīng)用；

●可以最大限度地滿足人們對個性化產(chǎn)品的需求。

在制造環(huán)節(jié)方面，主要體現(xiàn)為：

●由于增材制造原則上無需模具，設(shè)計限制少，因此可以大幅度縮短原型制造周期；

●在單體或小批量生產(chǎn)時，可使用增材制造生產(chǎn)模具，大幅度降低一些由于設(shè)計變更導(dǎo)致的昂貴的前期成本；

●引入增材制造生產(chǎn)的模具，可使模具制造交付周期縮短40%-90%，產(chǎn)品廢品率減少近90%。

隨著增材制造技術(shù)的引入，產(chǎn)品商業(yè)模式也會發(fā)生深刻變革，例如：按需生產(chǎn)、分散式生產(chǎn)、降低產(chǎn)品維護周期、客戶參與制造、降低物流成本等。

總之，增材制造給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來的改變及發(fā)展遠(yuǎn)景是令人鼓舞和期待的，但該技術(shù)現(xiàn)階段面臨的挑戰(zhàn)也需要我們正確地去面對。

現(xiàn)有增材制造技術(shù)在制造行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)

增材制造技術(shù)始一出現(xiàn)，帶給人們傳統(tǒng)思維方式的沖擊是無以復(fù)加的，經(jīng)過三十多年的飛速發(fā)展，更令人欣喜若狂、期待滿滿。但任何技術(shù)的出現(xiàn)、發(fā)展、走向成熟的歷程從來都不是一馬平川的，增材制造技術(shù)現(xiàn)階段面臨的挑戰(zhàn)主要有：

●在打印產(chǎn)品質(zhì)量方面：一是不同設(shè)備、不同批次的產(chǎn)品質(zhì)量存在差異；二是制造過程中可操作變量對零部件質(zhì)量有何影響，尚無深層次的認(rèn)知；三是目前還沒有打印成品無損檢測評價技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。

●打印技術(shù)缺陷急需解決：一是打印過程中由于零部件各個位置幾何尺寸不連續(xù)，造成冷卻速度不同，易發(fā)生變形，影響尺寸精度；二是層與層之間粘結(jié)強度不足，易產(chǎn)生應(yīng)力集中；三是混合材料打印技術(shù)還有待開發(fā)、完善。

●由于現(xiàn)有設(shè)備打印效率不高，故零部件制造周期不適合大批量生產(chǎn)，而且打印部件的后處理工序復(fù)雜耗時，人工浪費巨大；

●增材制造相應(yīng)耗材現(xiàn)階段市場供應(yīng)品種還顯匱乏，質(zhì)量無規(guī)范控制標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有材料認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)都偏向于傳統(tǒng)制造模式。

但是，無論面臨多大挑戰(zhàn)，人類在新技術(shù)上探索、應(yīng)用的腳步永遠(yuǎn)不會停止。?

對我國制造業(yè)發(fā)展的啟示

我國的增材制造產(chǎn)業(yè)經(jīng)過近三十年的發(fā)展，在國家的大力推動下，已經(jīng)形成可觀的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，發(fā)展勢頭迅猛。但不可否認(rèn)的是，我們在原創(chuàng)技術(shù)的掌握、研發(fā)上還與發(fā)達(dá)國家有較大差距，例如軟件開發(fā)能力不足、關(guān)鍵硬件依賴進(jìn)口、打印材料品種較少等。未來如再不加以重視，產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢必受到嚴(yán)重制約。

以美德為代表的發(fā)達(dá)國家，早已將增材制造放在戰(zhàn)略發(fā)展的高度，已經(jīng)形成國家重視扶持、企業(yè)踴躍參與、研發(fā)機構(gòu)積極配合的良好態(tài)勢。而我國自從2013年對增材技術(shù)呈現(xiàn)出不理性的熱度之后，經(jīng)過幾年來的行業(yè)洗禮，逐步到達(dá)目前正常發(fā)展的理性階段，很多企業(yè)尤其是大型企業(yè)已經(jīng)開始在生產(chǎn)中應(yīng)用增材制造技術(shù)，尤其是在航空航天、醫(yī)療、機械制造、輕工行業(yè)、文化創(chuàng)意、復(fù)合材料等行業(yè)，已經(jīng)顯示出增材制造技術(shù)的應(yīng)用所帶來的增值效應(yīng)，解決了很多以前無法解決的制造難題，推動了相應(yīng)行業(yè)的發(fā)展。

經(jīng)過多年的發(fā)展和行業(yè)內(nèi)的艱難探索，增材制造行業(yè)得到了長足的進(jìn)步，但是由于增材制造技術(shù)特點的先天限制，導(dǎo)致這種技術(shù)依然處于適用于難加工材料、復(fù)雜形狀、復(fù)雜裝配空間所需或者傳統(tǒng)制造方法無法實現(xiàn)的零部件，或者這些零部件能夠承受高成本、長時間制造的約束。大規(guī)模的市場應(yīng)用目前依然有困難。個人認(rèn)為增材制造技術(shù)雖然本質(zhì)上是屬于個性化制造方法，但是應(yīng)該在充分發(fā)揮個性化制造特點的基礎(chǔ)上，尋找適用于批量生產(chǎn)擴大市場應(yīng)用范圍的可能，從而推動增材制造行業(yè)的快速發(fā)展，特別是在以下幾個方面：

●提高增材制造設(shè)備的打印效率，這就要從關(guān)鍵零部件入手，如：激光打印頭的改進(jìn)、打印物理速度的提高等。目前國內(nèi)有廠家已經(jīng)在提供激光打印頭效率方面取得了突破性的進(jìn)展。

●著重發(fā)展間接增材制造，如：鑄造打印（包括砂型砂芯、蠟型、陶瓷型芯型殼等）金屬模具的打印尤其是具有復(fù)雜隨形流道的注塑模具。

●繼續(xù)大力發(fā)展醫(yī)療打印，尤其是目前已經(jīng)呈快速發(fā)展趨勢的物理醫(yī)療打印，從政策層面給予一定的優(yōu)惠支持（如加快醫(yī)療器械許可證的發(fā)放周期等），同時也要時刻關(guān)注生物醫(yī)療打印的科研發(fā)展，尤其在國家層面上給予多一點的經(jīng)費和政策扶持?？梢灶A(yù)見，醫(yī)療打印是未來增材制造發(fā)展最快、市場容量最大的一個行業(yè)。物理醫(yī)療打印為人類提供了一個以前根本無法想象的提高醫(yī)療效果、改善生活質(zhì)量的強有力的技術(shù)手段。而人體器官三維的重現(xiàn)，從虛擬到現(xiàn)實通道的物理連接得以實現(xiàn)，為醫(yī)患雙方展現(xiàn)了一個全新的互動空間，大大提高了醫(yī)療質(zhì)量，改善了患者的生活質(zhì)量。生物醫(yī)療打印未來的可能實現(xiàn)為人類展現(xiàn)了一個難以想象的未來世界，一旦真的進(jìn)入臨床應(yīng)用，也許是比組織基因工程更快得到實際應(yīng)用效果的一種醫(yī)工結(jié)合的技術(shù)手段，未來預(yù)期不可想象。增材技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)是數(shù)字化醫(yī)療的重要方向，是醫(yī)工結(jié)合的典范，必將對醫(yī)療行業(yè)的變革產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

●用于綠色再制造行業(yè)，是增材制造技術(shù)發(fā)揮優(yōu)勢的重要領(lǐng)域，也符合綠色循環(huán)生產(chǎn)的要求。例如：我國預(yù)計到2020年汽車保有量將突破2.7億輛，每年報廢≧1200萬輛，大力發(fā)展汽車循環(huán)經(jīng)濟已經(jīng)迫在眉睫，而汽車零部件綠色增材再制造技術(shù)是廢舊汽車循環(huán)再利用的最重要環(huán)節(jié)。該項技術(shù)如果在全國范圍內(nèi)普及實施，將對我國綠色循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展提供強勁助力。

●生產(chǎn)管理模式的變革，要向大規(guī)模的區(qū)域增材制造服務(wù)中心發(fā)展，在綠色化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上發(fā)展超級智能增材制造工廠，這是推動增材制造行業(yè)發(fā)展的一個有效途徑。?

●繼續(xù)尋找其他的增材制造應(yīng)用領(lǐng)域，如連續(xù)碳纖維復(fù)合材料打印、建筑結(jié)構(gòu)打印等。

由國家工信部等十二部門聯(lián)合出臺的《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃(2017～2020年)》提出，到2020年，增材制造產(chǎn)業(yè)年銷售收入超過200億元人民幣，年均增速在30%以上。增材制造技術(shù)發(fā)展是不可逆轉(zhuǎn)的！目前，我國增材制造的產(chǎn)業(yè)規(guī)模已實現(xiàn)快速增長，在航空航天、汽車、軍工、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時，涌現(xiàn)出了西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司、湖南華曙高科技有限責(zé)任公司、廣州愛司凱股份有限公司等一批具有一定競爭力的增材制造骨干企業(yè)，一大批工藝裝備實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，行業(yè)應(yīng)用不斷深化,產(chǎn)業(yè)支撐體系初步建立。只要我們堅定信心，勇于創(chuàng)新，踏實工作，以國家民族利益為己任，不久的將來增材制造技術(shù)必將在我國各行各業(yè)開花結(jié)果，助力“中國制造”領(lǐng)跑世界制造業(yè)！