如何理性看待增材制造（3D打印）技术

    ②显著减轻结构质量。减轻结构质量是航空航天器永无止境的最重要技术需求之一，传统制造技术已经被发挥到接近极限，难以再有大的作为。而金属高性能增材制造技术则可以在获得同样性能或更高性能的前提下，显著减轻金属结构件的质量。

    ③显著节约昂贵的战略金属材料。航空航天器由于高性能的需求，大量使用钛合金和镍基超合金等昂贵的高性能难加工金属材料。但很多零件的材料利用率非常低，一般低于10%，有时甚至于仅为2% - 5%。大量昂贵的金属材料变成了难以再利用的废屑。材料利用率低必然伴随极大的机械加工量而长期存在，且钛合金和镍基超合金都是十分难加工的金属材料，这就导致航空航天金属结构件的成本极高。作为一种高性能近净成形技术，金属高性能增材制造技术可以把高性能金属零件制造的材料利用率提高到60% - 95%，甚至更高。同时显著减少了机械的加工量。

    ④制造一些过去无法实现的功能结构，包括：最合理的应力分布结构；通过最合理的复杂内流道结构实现最理想的温度控制手段；通过合理的结构设计和材料分布实现振动频率特征的调控，避免危险的共振效应；通过多材料任意复合实现一个零件的不同部位分别满足不同的技术需求等。

    ⑤通过激光组合制造技术改造和提升传统制造技术，使铸造、锻造和机械加工等传统制造技术手段更好地发挥作用。比如，锻件具有非常高的力学性能，但锻造工艺难以成形精细的复杂结构。解决办法即：只锻造零件的主体结构，而用激光立体成形的方法在锻件主体上成形精细结构。前提是这种激光组合制造技术可以实现满足锻件标准要求的高性能金属零件的制造。这种组合发挥了锻件高性能、高效率、低成本的优势，避免了其难以精细成形的劣势；发挥了激光立体成形制造高性能精细结构件的优势，避免了其低效率的劣势。这种组合制造方法，是增材制造可以在批量化制造中发挥作用的重要途径。

    ⑥高性能成形修复。由于激光立体成形的逐点增材制造特性，只要把缺损零件看作是一种特殊的基材，按缺损部位形状进行激光立体成形就可以恢复零件形状。修复后零件的力学性能仍然可以达到锻件的标准，这就相当于将旧零件修复成为新零件。由于激光能量在功率密度和时空分布上的可控性远远高于其他能量，因此可以最大限度地减小修复加热过程对被修复零件带来的负面影响，如变形、热影响区等。由于激光立体成形技术兼具零件制造和修复的特点，其所成形的零件具有比其他技术制造的零件更好的可维修性。对其他技术制造的零件进行修复时，由于制造工艺和修复工艺通常差别很大，因此非常难以使修复区和零件本体在成分、组织和性能上趋于一致。而对激光立体成形件进行激光修复时，由于零件制造和修复时的工艺条件可以做到最大限度的一致，因此修复区与零件本体的成分、组织和性能可以高度一致。使所制造的金属零件具有高度的可维修性，是激光立体成形技术为建设循环经济和节约型社会提供的一种重要技术基础。

    激光立体成形技术虽然有以上诸多优点，然而当前的金属高性能增材制造技术却远不是无所不能的，对实践中的大量技术需求还是心有余而力不足。比如，还不能兼顾高效率与高精度制造，因此对于大尺寸零件无法做到净成形。此外，制造成本还相当高，大多数民用制造领域无法承担其制造成本。这些问题，随着研究的深入和技术成熟度的提高，可以逐渐解决。但是，不能认为增材制造技术可以发展到无所不能，以至完全取代传统制造技术的程度。

    许多先进技术都是首先从航空航天和国防高技术领域发展起来，然后再辐射到其他民用领域。金属高性能增材制造可以发挥重要作用的民用领域包括：医学植入体的个性化快速制造、大型机械装备关键零件的高性能快速维修、模具制造和修复等。

    医疗领域是增材制造第2位的应用领域，它包含4个层次的应用：

    ①制做帮助医生进行手术分析的原型；

    ②无生物活性，只承担支撑和承力作用的金属植入体，最常用于牙科和骨科；

    ③具有生物活性的局部组织，如血管等；

    ④具有完整生命功能的整体器官。

图2 医疗领域是增材制造第2位的应用领域，图为3D打印的仿生耳朵

    其中第1和第2层次已有普遍应用，第3层次有个别应用，第4层次则是未来很久远的目标。增材制造早已跨越了模型制造，进入到了直接制造的阶段。制品的各方面性能也很好，并产生了传统制造技术不具备的很多新的技术特征，对社会发展必将起到极为重要的推动作用。过去主要用于快速原型制造的各种增材制造技术，除了继续发挥快速原型制造作用外，也在消费品、艺术品、文化创意以及机械装备的非金属结构件等方面发挥直接制造的作用。无论如何，增材制造还是十分年轻的新技术，它的很多优越性还需经过相当长的研究阶段达到成熟之后才能充分展现。但即使技术发展趋于成熟以后，增材制造也不是无所不能的，它的主要作用，是形成与传统的批量制造模式互补的个性化制造模式。

    现阶段，中国正面临一个难得的历史发展机遇，将引领制造技术前沿发展的新技术领域与世界最先进水平同步发展。由于历史的原因，我们在传统制造技术领域与世界先进水平还有不小的差距，即使竭尽全力，也需要很长的时间才能逐渐缩小这个差距。但增材制造是一个发展历史很短的新领域，幸运的是，中国在此领域有几支团队很早就介入且持续努力发展，这使得当前中国的增材制造，总体技术水平十分接近世界最先进水平，而在某些方面甚至处于世界领先水平。中国当下的经济实力已经完全有能力支撑把增材制造技术发展到世界最先进水平，也必须这样做。如果不重视和大力支持增材制造技术发展，将会错失这次难得的历史机遇。但是，不用理性和科学的态度发展，盲目和轻率地决定发展方向和方式，也可能导致社会资源的极大浪费，这将从另一个方面贻害增材制造技术事业。