增材制造与传统制造的融合 重塑制造业格局

    增材制造（俗称3D打印），是当前受到高度关注的新制造技术。很多媒体将3D打印誉为无所不能，似乎其诞生之日起，就预示着传统制造技术将退出历史的舞台。

何为增材制造？

    增材制造，即通过逐渐增加材料的方法实现制造的过程。传统的机械加工方法是“减材制造”，在其制造过程中材料逐渐减少；锻造、铸造、粉末冶金等热加工方法，可粗略地看作是“等材制造”。

    增材制造技术基于离散——堆积原理，相对于传统的材料去除、切削加工技术，是一种"自下而上"的制造方法。美国材料与试验协会ASTMF42国际委员会对增材制造的定义是：增材制造是依据三维模型数据将材料连接制作物体的过程，相对于减法制造，它通常是逐层累加的过程。3D打印是指采用打印头、喷嘴或其他打印技术沉积材料来制造物体的技术，尽管3D打印也常用来表示“增材制造”技术，但它通常指相对价格或总体功能低端的增材制造设备。

图1 激光增材制造原理

增材制造PK传统制造

    与传统制造技术相比，增材制造技术优势尽显，如：制造复杂物品不增加成本；设计空间无限；减少废弃副产品；材料无限组合等等。被堪称为制造工艺的颠覆性创新。但增材制造技术在具备众多优势的同时，也存在不少局限性。

表1 增材制造技术与传统制造技术对比

理性认识增材制造 加强两种制造方式的融合

    增材制造与传统制造各有千秋，业内专家呼吁应该理性认识增材制造技术，尽管作为一种变革性的制造新技术，增材制造的发展潜力巨大，但与传统制造技术同为制造成员，各有所长。e-works认为，加强增材制造与传统制造技术的融合，可以形成优势互补，从而提高零部件加工的精度与效率。

    如将金属3D打印（选择性激光烧结：借助激光束将混有粘结剂的金属粉末烧结成零件，缺点是表面质量较差）与铣削加工中心集成，无需电加工就能造出具有深沟、薄壁且结构形状复杂的高精度模具，颠覆传统模具制造的概念和工艺方法。两种制造方法集成交替进行，发挥各自优势，既保持叠层制造的特点（可构建复杂零件）又克服了薄壁、深沟难以加工和工件表面粗糙问题。

    而且金属3D打印（如激光烧结）的模具表面粗糙度大，需后续精加工才可使用。而金属3D打印（激光烧结）与铣削集成加工的模具表面粗糙度小，可直接应用。

图2 集成增材制造和纯3D打印的比较 纯3D打印（左） 集成增材制造（右）

    除此以外，还有激光堆焊3D打印和铣削混合加工以及超声3D打印与铣削混合加工方式。（案例来源：同济大学张曙教授）

图3 激光烧结和铣削混合加工的效益对比

重塑制造业格局

    1）变革制造企业的设计理念。增材制造给企业的设计者们带来了更广阔的设计空间，打破了零件设计固有流程。借助增材制造技术，好创意可以短时间里变为现实。而两种制造方式的融合可以更加高质高效地制造产品。

    2）个性化定制成为新宠。在没有明显增加成本的前提下，增材制造技术可以生产几何形状几乎不受限制的三维产品。所以该技术会对需要定制、设计复杂、小批量产品的生产产生巨大影响。

    3）多样化的制造方式并存。增材制造，改变了只能依靠传统制造方法进行制造的格局，未来，增材制造、传统制造（等材制造、减材制造）、混合制造（增材制造与传统制造方法结合）三种制造方式并存，助力制造业发展。

    4）抓住“混合机床”新商机。结合增材制造和传统制造的优势，机床制造商开始开发混合机床。如，德马吉森精机（DMG MORI）研制的的激光沉积焊接（增材制造的一种加工方式）和铣削结合的混合机床Lasertec 65 3D。

    总之，增材制造技术的出现其本质并不是为了颠覆传统制造，只是通过一种新型的模式来更好地为传统制造服务。增材制造与传统制造融为一体，可以缩短产品的生产周期、降低生产材料的废弃率，促进产品质量的提升和生产效率的提高。过去因传统加工方式的约束，而无法实现的复杂产品制造变为可能，可以大大提高零部件的集成度，简化产品设计，是未来发展的趋势所在。