了解增材制造：技术与用例

增材制造 (AM)，也称为 3D 打印，正在改变产品的制造方式。AM 不是像传统方法那样切割或塑造材料，而是使用数字 3D 模型逐层构建对象。 

从航空航天和医疗保健到汽车和消费品，3D 打印和增材制造正在帮助制造商重新思考他们如何设计、构建和交付产品。在本文中，我们将仔细研究增材制造、它的实际应用以及计算机视觉在推进增材制造中日益重要的作用。让我们开始吧！

什么是增材制造？

增材制造是一种数字制造过程，用于通过逐层沉积材料来创建物理对象，遵循来自 3D 模型的指令。从计算机辅助设计 (CAD) 文件开始，将模型切成薄的横截面。这些截面或层引导机器（如 3D 打印机）沉积塑料、树脂或金属等材料，直到对象完成。

借助增材制造技术，无需专用工具即可轻松创建复杂的几何形状、轻量化结构和定制部件。它还支持快速原型设计，使团队能够更快地测试和改进设计，并实现按需生产。

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增材制造与减材制造

在深入探讨增材 3D 打印为何能发挥作用之前，让我们快速将其与传统的减材制造进行比较。 

减材制造通过使用钻头、车床或铣床等工具从实体块中去除材料来创建零件。这是需要高精度和大批量生产的行业中的一种常用方法。

增材制造采用相反的方法。它从数字设计逐层构建零件，仅在需要的地方添加材料。这使其效率更高，减少了浪费，并能够实现传统方法难以实现的复杂和定制设计。

为什么增材制造正在改变制造业

增材生产被迅速采用的关键原因之一是它能够加速产品开发并减少浪费。通过直接从数字设计构建零件，制造商可以快速地从概念转化为原型。

此外，增材制造 (AM) 非常高效，与传统制造工艺相比，可减少高达 90% 的材料浪费。最重要的是，它能够实现大规模定制，并可以更轻松地生产一次性或独特的零件，而无需重新调整工具的成本或延误。

这些优势正在导致产品制造方式和地点的转变。增材制造工艺使得本地化生产成为可能，减少了对集中式工厂和长供应链的依赖。这在航空航天、医疗和汽车等行业中尤其具有影响力，在这些行业中，快速周转、精度和适应性至关重要。

关键的增材制造工艺

增材制造包含不止一个过程。它是与 3D 打印相关的一组技术的通用术语。每种特定类型都使用不同的材料和方法。

以下是不同增材制造技术的一些常见示例：

• 熔融沉积建模 (FDM)：FDM 是最常见的增材 3D 打印方法之一。它的工作原理是加热塑料丝，然后逐层铺设以形成零件。它经济实惠且易于使用，非常适合快速原型制作，但它不是高细节或高强度应用的最佳选择。
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• 选择性激光烧结 (SLS)：SLS 使用激光将粉末材料（通常是尼龙）熔合成固体部件。它非常适合生产具有复杂形状的坚固、功能性组件，并且不需要支撑结构。表面光洁度可能有点粗糙，因此通常需要进行后处理。
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• 立体光刻 (SLA)：SLA 利用紫外 (UV) 激光将液态树脂层硬化为高度精细的零件。它以其精确和提供光滑的表面而闻名，这使其在医疗、牙科和设计应用中很受欢迎。但是，这些材料通常很脆，更适合展示或轻度使用的物品。
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• 粘合剂喷射：粘合剂喷射将粘合液体逐层喷射到粉末床上，以形成零件。 这是一种快速且可扩展的工艺，通常用于制造铸造模具或装饰品。
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• 材料喷射：此方法将液态材料的液滴喷射到表面上，并用紫外线固化。它可以生产出高度精细、全彩色的零件，表面光洁，但材料的强度不足以用于功能用途。它最适合展示模型或医疗指南。
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• 定向能量沉积 (DED)： DED 的工作原理是将金属丝或粉末送入聚焦的能量源（如激光），该能量源在施加材料时将其熔化。 它通常用于修复或向大型金属零件添加特征，尤其是在航空航天和重工业中。 它不如其他金属打印方法精确，但非常适合大规模工作。

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AM 按行业划分的高影响力用例

现在我们对增材制造的工作原理有了更好的了解，接下来让我们探讨一下它如何在不同行业中被用于推动创新和效率。 

例如，在航空航天领域，增材制造工艺被用于生产轻量化结构部件，有助于降低燃料消耗，同时保持强度和安全性。 同样，在医疗保健领域，增材制造能够创建为个体患者量身定制的定制植入物、假肢和手术导板，从而改善治疗效果和舒适度。 

3D 打印正在增强的另一个领域是汽车行业，制造商使用增材制造技术进行快速原型设计、功能测试以及工具和更换零件的小批量生产。同时，在消费品领域，各种品牌都在使用增材 3D 打印来提供个性化产品和限量版商品，而无需传统的模具。

到目前为止，我们讨论的所有示例都规模较小，但增材制造也在建筑等大规模应用中发挥着作用。在这个领域，工业增材制造机器正被用于逐层建造结构部件，甚至整个房屋，使用的材料包括混凝土。这些方法可以显着缩短施工时间、减少材料浪费并降低劳动力成本。 

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增材制造的创新和未来趋势

随着增材制造技术的不断发展，新的趋势正在突破可能的界限。 

一个有趣的例子是使用 AI 驱动的生成式设计，它可以创建优化的零件几何形状。此外，结合增材制造和传统方法的混合制造技术也越来越受欢迎，因为它们结合了机械加工的精度和 3D 打印的创造自由。可持续性是另一个日益关注的焦点，新的材料和工艺旨在减少能源消耗并最大限度地减少浪费。 

与此同时，增材制造正变得越来越智能。随着增材制造技术与数字孪生、物联网 (IoT) 和智能工厂集成，它们正变得更加互联和智能。事实上，增材制造被认为是工业 4.0 的关键推动因素，支持更具适应性、数据驱动和高效的制造系统。

增材制造的优势

以下是增材 3D 打印在各行业中提供的主要优势的快速概览：

• 减少浪费和能源消耗：通过仅在需要的地方添加材料，增材制造工艺可显著减少废料，并且通常比传统方法使用更少的能源。
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• 轻量化潜力：3D 打印能够实现复杂的内部结构，从而在不牺牲强度的前提下减轻零件重量。
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• 零件整合： 复杂的组件可以作为一个整体打印出来，从而减少了对多个零件、紧固件和组装时间的需求。

增材制造中的挑战

虽然 3D 打印提供了许多优势，但也需要考虑一些局限性。以下是增材制造的一些主要挑战：

• 有限的材料可用性：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。
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• 速度与规模的权衡：3D 打印非常适合原型设计和小批量生产，但对于大规模生产来说，速度可能较慢且成本较高。
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• 后处理要求: 许多零件需要额外的步骤，例如清洁、固化或精加工，这会增加时间、人工和成本。

通过计算机视觉增强增材制造

诸如 计算机视觉 这样的前沿技术（一种使机器能够理解和分析图像的 AI 分支）正在帮助解决 3D 打印的一些挑战。视觉 AI 使制造商能够实时监控打印、及早发现缺陷并提高整体准确性。 

当与制造业中的 AI 结合使用时，计算机视觉还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作业，从而减少浪费并避免构建失败。

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主要要点

世界各地的行业都在采用增材制造技术，以更快地生产复杂零件，减少浪费并提高设计自由度。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打印和增材制造的功能，生产的未来正变得更加灵活、高效和创新。

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