了解增材制造：技术与应用案例

增材制造（AM），也称为3D 打印，正在改变产品的制造方式。与传统方法那样切削或塑形材料不同，AM 使用数字 3D 模型逐层构建物体。

从航空航天和医疗保健到汽车和消费品，3D 打印与增材制造正帮助制造商重新思考产品的设计、制造和交付方式。在本文中，我们将深入了解增材制造、它在现实世界中的应用，以及计算机视觉在推动增材制造发展中日益重要的作用。

什么是增材制造？#

增材制造是一种数字化制造流程，按照3D 模型中的指令逐层堆积材料，从而制造实体物品。流程从计算机辅助设计 (CAD)文件开始，将模型切分为薄薄的横截面。这些截面或层为 3D 打印机等设备提供指引，使设备逐层沉积塑料、树脂或金属等材料，直到物体成形。

采用增材制造技术，无需专用工具就能更轻松地创建复杂几何形状、轻量结构和定制零件。它还支持快速原型制作，让团队更快地测试和改进设计，并支持按需生产。

图 1. 增材制造中的零件逐层构建。

增材制造与减材制造#

在深入了解增材 3D 打印为何带来改变之前，我们先快速对比一下它与传统减材制造的区别。

减材制造使用钻头、车床或铣床等工具，从实心材料块上去除材料来制造零件。这是对高精度和大批量生产有要求的行业中常用的方法。

增材制造则采用相反的方法。它根据数字设计逐层构建零件，只在需要的位置添加材料。这种方式效率更高、浪费更少，还能实现传统方法难以完成的复杂和定制化设计。

增材制造为何正在改变制造业#

增材制造生产迅速普及的一个关键原因，是它能够加快产品开发并减少浪费。通过直接依据数字设计构建零件，制造商可以快速从概念转向原型。

此外，AM 在材料利用方面效率很高，与传统制造工艺相比，最多可减少 90% 的浪费。除此之外，AM 还支持大规模定制，让你无需承担重新改造设备的成本或延误，就能更轻松地生产单件或独特零件。

这些优势正在改变产品的生产方式和生产地点。增材制造工艺使生产本地化成为可能，减少对集中式工厂和漫长供应链的依赖。这对航空航天、医疗和汽车等行业影响尤为显著，因为这些行业对快速交付、精度和适应性都有很高要求。

主要增材制造工艺#

增材制造涵盖多种工艺。它是与 3D 打印相关的一组技术的统称。每种具体类型使用的材料和方法各不相同。

以下是一些常见的增材制造技术示例：

• 熔融沉积成型 (FDM)： FDM 是最常见的增材 3D 打印方法之一。它通过加热塑料丝材，并逐层沉积来成型零件。这种方法成本低、易于使用，非常适合快速制作原型，但不适用于对细节或强度要求很高的应用。
• 选择性激光烧结 (SLS)： SLS 使用激光将粉末材料（通常是尼龙）熔合成实体零件。它非常适合制造形状复杂、坚固且可投入实际使用的部件，而且无需支撑结构。其表面可能略显粗糙，因此通常需要进行后处理。
• 立体光刻 (SLA)： SLA 利用紫外线 (UV) 激光将液态树脂逐层固化，制成细节丰富的零件。它以精度高、表面光滑著称，因此在医疗、牙科和设计领域很受欢迎。不过，这种材料通常较脆，更适合制作展示品或轻度使用的物品。
• 粘结剂喷射： 粘结剂喷射逐层将液态粘结剂喷到粉末床上，以形成零件。这种工艺速度快、易于扩展，常用于制作铸造模具或装饰物品。
• 材料喷射： 这种方法将液态材料的液滴喷到表面，再用紫外线固化。它能制造细节丰富、全彩且表面光滑的零件，但材料强度不足以满足实际功能用途。它最适合制作展示模型或医疗导板。
• 定向能量沉积 (DED)： DED 将金属丝材或粉末送入激光等聚焦能源中，在沉积材料的同时将其熔化。它通常用于修复大型金属零件或为其添加特征，在航空航天和重工业领域尤为常见。它的精度不如其他金属打印方法，但非常适合大型作业。

图 2. 主要增材制造工艺一览。(来源)

增材制造在各行业中的重要应用#

了解增材制造的工作原理后，我们来看看它在不同行业中的一些应用，以及它如何推动创新、提升效率。

例如，在航空航天领域，增材制造工艺可用于生产轻质结构部件，帮助降低燃料消耗，同时保持强度和安全性。同样，在医疗保健领域，增材制造能够制作针对患者个人需求定制的植入物、假肢和手术导板，从而改善治疗效果和舒适度。

3D 打印也在推动汽车行业发展，制造商利用增材制造技术快速制作原型、进行功能测试，并小批量生产工具和替换零件。在消费品领域，各种品牌则通过增材 3D 打印提供个性化产品和限量版商品，无需使用传统模具。

到目前为止，我们讨论的例子规模都较小，但增材制造也正在建筑施工和建筑设计等大规模应用中发挥作用。在这一领域，工业级增材制造设备正逐层使用混凝土等材料建造结构部件，甚至整栋住宅。这些方法可以显著缩短施工时间、减少材料浪费并降低人工成本。

图 3. 增材 3D 打印在建筑施工中的应用示例。(来源)

增材制造的创新与未来趋势#

随着增材制造技术不断发展，新趋势正在拓展可能性的边界。

一个有趣的例子是使用 AI 驱动的生成式设计来创建经过优化的零件几何结构。此外，结合增材制造与传统方法的混合制造技术也越来越受欢迎，因为它兼具机械加工的精度和 3D 打印的设计自由度。可持续发展也是日益受到关注的方向，新材料和新工艺旨在减少能源消耗和浪费。

与此同时，增材制造也变得更加智能。随着增材制造技术与数字孪生、物联网 (IoT) 和智能工厂相结合，系统之间的连接更加紧密，智能化程度也越来越高。事实上，AM 被视为工业 4.0 的关键推动力，有助于打造适应性更强、以数据为驱动且效率更高的制造系统。

增材制造的优势#

下面快速了解增材 3D 打印为各行业带来的主要优势：

• 减少浪费和能耗：增材制造工艺只在需要的位置添加材料，显著减少废料，而且通常比传统方法更节能。
• 轻量化潜力：3D 打印能够制造复杂的内部结构，在不牺牲强度的前提下减轻零件重量。
• 零件整合：复杂组件可以打印成一个整体零件，从而减少所需的组件和紧固件数量，并缩短装配时间。

增材制造面临的挑战#

虽然 3D 打印有许多优势，但也有一些局限性需要考虑。以下是增材制造面临的一些主要挑战：

• 可用材料有限：并非所有材料都适用于每种 3D 打印工艺，这可能会限制某些应用。
• 速度与规模之间的取舍：3D 打印非常适合制作原型和小批量生产，但用于大规模生产时可能速度较慢、成本较高。
• 后处理要求：许多零件需要清洁、固化或表面处理等额外工序，这些工序会增加时间、人工和成本。

利用计算机视觉提升增材制造水平#

计算机视觉等技术是 AI 的一个分支，能让机器理解和分析图像，正帮助解决 3D 打印面临的一些挑战。视觉 AI 让制造商能够实时监控打印过程、及早检测缺陷，并提高整体精度。

计算机视觉与制造业中的 AI结合使用时，还能支持预测性维护和流程自动化。例如，如果检测到缺陷或材料不一致，它可以自动暂停打印任务，从而减少浪费并避免打印失败。

图 4. 利用计算机视觉实时分析 3D 打印层并检测缺陷。(来源)

要点#

世界各地的行业都在采用增材制造技术，以更快的速度、更少的浪费和更大的设计自由度生产复杂零件。与传统制造相比，这些增材制造工艺提供了更智能、更可持续的解决方案。随着越来越多的制造商探索 3D 打印和增材制造的能力，生产的未来将变得更加灵活、高效和创新。

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