增材制造使創建具有復雜幾何結構的對象變得可能。圖片來源:麻省理工學院斯隆管理學院

 

　　增材制造是通過每次構建一個層，之后不斷疊加直至生產出產品的制造過程。它的制造過程與減材制造相反，減材制造是在一個固體材料塊上進行切割，直到終完成產品。從技術上講，增材制造可以應用于任何通過構建一些結構來制造產品的過程，比如成型技術，但通常將它用于3D打印。

 

　　在上世紀80年代，增材制造技術先被用于開發原型——這些原型通常都不是功能性的。這個過程被稱為快速原型設計，因為它使人們能夠快速創建終對象的比例模型，省去很多傳統的加工步驟的同時還可以節省原型創建的成本。

 

　　隨著增材制造的改進，它的用途擴展到為終產品創建模具的快速制模領域。到21世紀初，增材制造開始被用于制造功能性產品。而在近，像波音和通用電氣這樣的公司更是已經開始將增材制造作為其業務流程的重要一環。

 

　　工作原理

 

　　在使用增材制造技術創建一個對象之前，必須先將這個對象設計出來。這個過程通常是通過計算機輔助設計或者CAD軟件來完成的，或者你也可以將想要打印的物體進行掃描來完成這個設計過程。接著可以通過軟件將設計轉換為層框架，以供增材制造機器完成接下來的制造過程。終的指令會發送到3D打印機，它會立即開始打印工作。麻省理工學院斯隆管理學院的高級講師兼麻省理工學院行動計劃的執行主任Thomas Roemer說:“你直接將數字轉化為實體，這是一個相當大的變化。” 增材制造使用了各種各樣的材料，從聚合物、金屬、陶瓷到泡沫、凝膠，甚至生物材料。麻省理工學院的材料科學和工程博士研究生Arvind Kalidindi表示，“你幾乎可以使用任何材料，只要你能找到使兩部分局部連接在一起的方法，你就可以使用3D打印把它打印出來。”

 

　　實際生產中增材制造技術可以通過多種方式進行，所有的這些方法可能都要花費數個小時到幾天的時間，這具體取決于產品的大小。一種常見的增材制造的方法是使用噴嘴將連續的材料一層層疊在一起，直到終產品完成。

 

　　另一種方法是使用粉末，通常是金屬粉末。Kalidindi表示，這種方法的原理是:“在工作臺上填滿粉末，然后將你想要形成固體部分的粉末一層一層熔化掉。等完成全部過程后，剩余的粉末會自動從終制品上脫落掉。” 融化過程通常是用激光或電子束完成的，但還有另一項技術是使用聚合物來將粉末粘結在一起。之后把制品放在一個熔爐中，塑料部分會熔融除掉，而粉末則會燒結成一體，形成終產品。

 

　　增材制造的優點

 

　　增材制造有一些明顯的好處。在傳統制造業中，整個供應鏈可能需要耗費幾個月的時間，而且需要巨額投資——有時是數百萬或數十億美元的投資——而這些投入只有通過大規模生產才能獲得補償。利用增材制造，供應鏈的大部分中間環節都被省略了。Roemer說:“你獲得一件產品的速度要比以前快得多。”因為人們可以直接將設計方案從他們的電腦上直接發送到3D打印機。

 

　　另外，增材制造也可以制造一些功能性的材料，這意味著它們可以在內部和外部使用不同的材料。Roemer說：“想象一下，你需要一件產品具有高導電率的同時還需要具有耐磨性。那么在產品外部，你可以使用陶瓷之類的耐磨材料而在產品內部，你可以使用金屬等導電材料。這樣的產品依靠傳統制造業是很難做到的。”

 

　　不過，Roemer認為增材制造具備兩個大的優點，一是可以制造復雜幾何結構的產品，一是能夠實現小規模生產。

 

　　Roemer還表示：“利用增材制造你可以逐層制造幾乎所有你想要創建的幾何圖形。你可以制造更加復雜并且具有不同材料屬性的3D實體。” 在減材制造過程中，有些物體由于太小或具有很尷尬的角度而導致無法用理想的方式切除材料。而增材制造則沒有這方面的限制。這也意味著制造商可以據此來降低終產品的重量，這一點在航空航天和汽車工業中尤為重要，因為重量可以影響終產品的功能。

 

　　增材制造也使得小批量生產變得更加容易。在傳統的制造過程中，高額的安裝成本使得小批量生產很不劃算。但是使用增材制造，安裝成本會大大降低，因此小批量生產就變得更加合理了。這也使得定制產品（如假肢或植入物）的生產變得更容易，這無疑是病人的福音。就比如助聽器，它是為每個人量身定制的，并且幾乎完全是采用增材制造法制造的。

 

　　增材制造面臨的問題

 

　　增材制造同樣也面臨著挑戰。增材制造機器是昂貴的，有時動輒數十萬美元。用它們來制造大尺寸產品要比傳統制造花費更多的時間。此外，許多由增材制造生產出的產品都需要經過后加工處理來清理粗糙的邊緣使之變得更加平滑。

 

　　不過，根據Kalidindi的說法，增材制造大的挑戰之一是“如何確保你的終產品具有良好的性能。從材料科學的角度來看，這甚至可能是增材制造的大挑戰。如何減少增材制造過程中可能形成的缺陷數量?”

 

　　Kalidindi研究了金屬粉末的化學成分之后表示，金屬的屬性和生產過程都會對終產品產生影響。Kalidindi說:“如果粉末不能完全粘結在一起，它就會形成缺陷并導致生產失敗。你選取的加工過程有可能使金屬存在殘余應力，同時材料內部可能還會存在一些內部壓力，這些因素將使產品自然而然地彎曲。”

 

　　在產品中存在缺陷并不是金屬的特有現象。由于增材制造是剛剛興起，研究人員仍在努力了解它許多不同的方面，比如材料是如何協同工作的，以及如何減少終產品的缺陷。

 

　　增材制造與傳統制造

 

　　盡管增材制造有著這么多的優點，Roemer仍然表示認為傳統制造業不會被取代。這是因為除了一些特例之外，傳統制造業的速度仍然更快，成本也更低。在制造顆粒產品時便是如此。層的尺寸越小，制造的速度就越慢。雖然初的部分用增材制造法更便宜且更快，但從長遠來看，打印出每一個單位要花費更長的時間。

 

　　然而，對于有些公司而言，使用增材制造是值得的。Roemer表示：“當我們需要小批量生產且對功能性要求較高的產品時，也即是增材制造大顯神通的時候。”

 

　　3D打印出的低成本假肢。圖片來源：維基百科

 

　　Roemer認為在生產中應該建立傳統制造和增材制造結合起來的混合模式。在這種情況下，增材制造將被用于制造初的產品，但當生產規模增加到一定程度時，就發揮傳統制造的作用。另外，當產品需求量較大的時候，企業應該繼續使用傳統制造，相反，如果庫存較大，那么企業應該隨著產品需求量的減少而采用使用增材制造。

 

　　Roemer說，增材制造技術即使是對那些從未使用過這種技術的公司來生產短期使用壽命的產品也會很有用。像卡特彼勒這樣在24小時內就需要更換零件的公司，在戰略地點配置3D打印機來打印和配送這些零件就是一個不錯的選擇，這遠遠比保留庫存更加明智。梅賽德斯公司，一家承諾會一直為任何汽車提供零部件的公司，使用3D打印的方式來生產1928年SSK的零件所需要的成本比使用傳統制造的方式所需要的成本要低得多。

 

　　潛在的行業影響

 

　　在一些行業中，使用3D打印來制造零部件或產品比使用傳統制造更有意義。航空航天、賽車和醫療領域都是適合增材制造大展身手的行業。這是因為它們對功能的要求比對價格的要求要高得多的行業。或者說，在小批量或定制化的情況下，使用3D打印制造一個產品的成本比使用傳統制造要低得多。

 

　　許多其他的行業也可能會使用增材制造。根據Roemer的說法，省去了制造新產品所需要的裝備成本，企業家們就可以使用增材制造快速地制造產品或部件，以了解這些產品是否能達到預期的標準。如果這些產品無法達到預期標準，企業家們還可以重復使用這些增材制造機器，直到他們生產出合格的產品。他們甚至不需要自己購置3D打印機器來做這些事情——UPS等公司已經在不同的地方設立了3D打印設備供任何人使用。

 

　　成熟的企業也可以評估是否需要將增材制造納入他們商業模式的一部分。如果一家公司生產的是專業化產品，或者需要制作具有復雜幾何形狀的產品，那么是否使用增材制造技術來改進它們的產品是他們必須要考量的問題。像阿迪達斯這樣的公司正在使用增材制造來制造運動鞋鞋底，以使其適合大規模定制。

 

　　4D打印和一些其它應用

 

　　典型的增材制造是利用機器制造出一個固定的三維物體。而使用4D打印能夠在沒有人工交互的情況下隨著時間的推移而改變或轉換生產的3D產品。

 

　　4D打印有以下幾個應用。一個是在諸如太空這種極端的環境中，這種自我配置的材料將會非常有用。另一個是將4D打印用于生物材料，隨著時間的推移，它會繼續進化。

 

　　其他領域對于增材制造技術的需求將會逐漸增多——一些公司已經在試驗增材制造技術來制造從房屋到食品的各種產品，尤其是在成本降低和實際制造速度加快的應用上。與此同時，企業家并不是唯一對增材制造的發展感興趣的人;隨著該技術的發展，也出現了一群業余愛好者。雖然商業化的增材制造機器可能體積很大并且很昂貴，但3D打印公司正在越來越多地制造只需要幾百美元到幾千美元就能買到的小型的、桌面大小的3D打印機。

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