什么是增材制造？它是如何工作的？费用是多少？了解基础知识、优势、类型、材料、成本等。增材制造 (AM)，也称为专业或工业 3D 打印，在较大的制造业中是一个相对较新的行业。尽管如此，它已迅速达到商业可行性，并且是所有制造方法中应用范围最广的一种。

目前，增材制造是一个价值 70 亿美元的产业，已经在航空航天和汽车巨头的生产设施、军队和医院、建筑和工业设计公司、小型制造商的车间以及研究机构的实验室中找到了归宿和大学。美国前总统巴拉克奥巴马在全国讲话中称 3D 打印技术“有可能彻底改变我们制造几乎所有东西的方式”。欧盟正在资助几个项目，以推动 3D 打印成为可持续制造的未来，同时新的增材制造中心正在亚洲开放。无论您从事什么行业，与模制、铣削、连接相比，增材制造都是制造设计更高效、重量更轻、更经济、更定制化且生产速度更快的产品、零件、工具和原型的更好选择、雕刻和成型，几乎适用于每个行业。增材制造还使您能够从遥远的工厂回收制造产品和零件，克服供应链中断，消除可能永远不会使用的库存库存，并按需打印您现在需要的东西。 让我们来看看增材制造是什么，为什么政府和行业要在它上面花重金投资，以及它如何帮助您的企业创新和繁荣。

增材制造的基础、优点和缺点

增材制造，顾名思义，就是一层一层地添加材料，直到获得所需的零件形状，从而有效地从“无”中创造出零件。它使用各种技术来做到这一点。一些增材制造方法从喷嘴中挤出塑料，一些使用光来固化桶中的液体塑料，一些使用激光将粉末材料颗粒连接成固体形状，还有更多方法。但它们的共同点是，它们逐层“添加”材料，而不是从更大的一块“减去”材料。尽管增材制造和 3D 打印这两个术语经常互换使用，但这并不完全正确。 3D 打印是增材制造的主要工艺步骤，但增材制造涵盖的范围更多，从最初的数字零件设计到抛光和其他后处理步骤。换句话说，它包括制造物体所需的所有过程，而不仅仅是 3D 打印。AM 工艺中的确切组件取决于技术类型（稍后会详细介绍），但总的来说，与传统减材制造相比，所有 AM 技术都具有以下优势。

制作以前无法制作的形状
增材制造可以制造具有传统制造无法制造的复杂几何形状的形状和零件，例如复杂的内部通道、格子填充的封闭空间和坚固的互锁件。这种能力彻底改变了产品设计，使工程师能够重新思考如何通过新的形状可能性来改进零件。

无需工具、模具或模具的制造
3D 打印机几乎可以制作任何形状，而无需更改或添加任何工具或零件。它甚至可以同时制造一批不同形状的零件。这个好处意味着每个打印部件都可以是独一无二的和定制的。

一种近乎零废物的环保工艺
由于 3D 打印机添加材料而不是去除材料，因此该过程几乎没有浪费。通常，任何多余的材料都可以重新用于制造下一个零件。 3D 打印机可以使用消费后的塑料作为材料来制造新产品，从而为回收利用提供有吸引力的解决方案。在使用昂贵的材料（例如钛或某些工业聚合物）时，增材制造是一种特别有吸引力的方法，因为您需要更少的原材料来制造产品。

消除零件装配
为了制造具有运动部件（例如发动机缸体或齿轮系统）的组件，部件是单独制造并组装在一起的。通过增材制造，可以在单个构建中打印组件，从而消除时间和劳动力，并减少在组装过程中引入错误或弱点。这对于航空航天部件尤其重要，例如火箭燃料喷射器，可以一体 3D 打印，没有易受伤害的接缝。

按需生产减少库存
根据需要快速 3D 打印零件的能力消除了磨损数十或数百个可能永远不会使用的备件的需要。由于现代制造规模经济的限制，企业在只需要很少的零件和最少零件时，往往被迫订购多件零件和最少零件。

内部生产消除供应链漏洞
对于传统制造，企业可能只有少数零件和产品供应商。这使他们容易受到从地缘政治到流行病等各种因素造成的供需价格压力和运输中断的影响。内部制造消除了对外部供应商和产生污染的运输的依赖。

经济的独特定制产品
在传统制造中，制造 100 种类似的产品通常比制造一种独特的产品便宜。增材制造并非如此，其中每个产品或零件都可以是独一无二的。这为依赖提供量身定制的产品（例如定制运动装备）的企业提供了优势。定制和独特的产品在医疗保健行业也很重要，在该行业中，针对患者的假肢和植入物已被证明可以改善结果。

进入门槛低
专业 3D 打印机的起价约为 1 万美元，并且在很大程度上是自动化的，这使得大量曾经依赖外包的企业可以进行内部制造。例如，小型制造商现在可以 3D 打印自己的夹具和固定装置，建筑公司现在可以 3D 打印自己的模型，工业设计师现在可以 3D 打印自己的原型，医院现在可以 3D 打印自己的医疗模型。

快速、经济的备件和旧零件
许多旧机器，从经典汽车到独特的设备，最终都被扔进了废料堆，因为关键的替换零件要么不再可用，要么生产成本太高。增材制造能够快速打印任何形状的任何零件，从而消除了这个问题。例如，世界军队正在广泛使用 AM 来确保旧设备可以随时待命。

增材制造的缺点
不可否认，增材制造是一种革命性的制造技术，但仍然存在一些挑战：

难以将生产规模扩大到大规模制造水平
大多数 3D 打印机的打印尺寸有限
一些技术和/或材料需要大量的后处理
值得注意的是，增材制造技术不断飞跃发展，制造商和打印机开发商为现有的生产问题提出了新的解决方案。

当今使用增材制造的行业，增材制造具有许多优势，几乎可以为每个行业提供一些东西。然而，一些主要行业比其他行业更早地采用了增材制造。以下是一些已经实现增材制造优势的大型全球行业。

航空航天
航空航天工业依赖于高性能、轻量化的材料和独特的零件设计； AM 最适合交付的两件事。几种 AM 技术，加上衍生式设计、零件整合和材料替代，可帮助航空航天公司减轻零件重量、提高机械性能并降低运行成本。

在这一领域充分利用 AM 的最大玩家可能是 NASA。 AM 已经离开了地球，目前正在探索火星的毅力号火星车在其仪器和热交换器中采用了增材制造的部件。 NASA 还成功测试并发射了 3D 打印火箭发动机，并探索了其他机会，包括在月球和火星上的宇航员住房。

AM 也与商业客机一起飞行。空中客车公司和波音公司使用 AM 为发动机和客舱制造更轻、更耐用的飞机部件。

汽车
汽车也受益于减轻重量，因为重量减轻直接导致油耗降低。但 AM 也使他们能够更快、更便宜地生产具有复杂几何形状的原型和最终零件。3D 打印夹具和固定装置广泛用于汽车生产，可帮助生产线上的装配工人在内部制造比过去更快、更便宜的装置。

美国汽车制造商福特使用 AM 制造功能部件，从刹车线支架到新款福特 Maverick 卡车的可定制配件。宝马在 2018 年生产了第 100 万个增材制造部件——i8 Roadster 的车窗导轨。该公司表示，如果没有增材制造，就不可能制造出这款车。与此同时，保时捷推出了经典服务，为其经典汽车提供过时和停产备件的增材制造替代品。

医疗的
我们的身体各不相同，医疗行业已经意识到增材制造的可定制性的价值。多亏了增材制造，医疗专业人员能够快速、廉价地为植入物、矫形器和假肢生产定制的、针对患者的解决方案。

医院，例如明尼苏达州的梅奥诊所，都有自己的 3D 打印部门，可以生产从患者教育和手术培训模型到手术工具的所有内容。

尤其是牙医，正广泛采用增材制造技术来生产为患者的牙齿、椅侧精确定制的牙齿矫正器、护齿器和保持器，并且比外包给实验室的速度要快得多。

AM 还使定制矫形器和假肢变得更便宜，而且更适合生活在发展中国家的人们。

此外，医学研究人员正在使用 AM 和 AM 衍生技术来探索 3D 打印人体细胞和组织。未来，他们或许能够在不需要捐赠者的情况下为移植创造器官。

军队
军事应用涉及我们上面提到的所有行业。因此，全球军队都在使用增材制造才有意义。

例如，美国陆军将增材制造用于各种用途，从使用大型机器人 3D 打印机制造的混凝土掩体到用于旧但功能强大的军用车辆的 3D 打印遗留备件。

此外，美国陆军研究实验室有一项将塑料废物回收为 AM 材料的计划。军营和战场上的塑料垃圾都很多，这使陆军能够以低廉的价格制造备件，例如车载无线电支架，同时有助于从环境中去除塑料。

消费品
AM 为所有消费品生产商提供了多项好处，尤其是在快速原型制作方面。设计师可以在几个小时内提出一个新的产品概念并打印出一个功能原型，并在几周内准备好在市场上推出新产品。

快速原型制作使企业家和大型企业能够加快产品开发周期。一个产品的多个版本可以同时在内部进行 3D 打印，并且没有材料限制。甚至金属部件和高性能塑料也可用于创建能够在机械和汽车中进行测试的功能原型，从而产生更好的最终设计。

对于最终用途产品，增材制造的可定制性还使公司能够为客户提供前所未有的个性化选项。无论是定制的运动装备、个性化的汽车内饰还是独一无二的珠宝，批量生产不再意味着每个部件都必须完全相同。

建造
3D 打印建造方法有望以更少的人更快、更便宜、更准确地建造房屋。 3D 建筑公司还表示，他们的材料比大多数传统建筑材料的使用寿命更长，强度更高。有了这些好处，难怪 3D 打印结构正在获得动力。事实上，全球建筑机器人市场（不久前还不存在的东西）预计在未来五年内将增长近 20%。

怀疑论者仍然怀疑 3D 打印房屋的可行性，但随着每个新项目的出现，这种感觉正在消退。今天的 3D 打印建筑公司成为人们关注的焦点，因为工程师、项目开发商和客户都试图围绕这一新现象展开研究。