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1、一、增材制造内涵增材制造技术（Additive Manufacturing，俗称“3D 打印”制 造技术）包括“快速原型制造技术”和“高性能金属构件直接制造 技术”两大类。“快速原型制造技术” （RP&RPM）主要方法有“3D 打印 3DP” 、 “立体印刷 SLA” 、 “叠层实体造型 LOM” 、 “熔融沉积造型 FDM” 、 “选 择性激光烧结 SLS”等五大类。主要制造尺寸较小、由树脂、石蜡、 纸张等材料组成的原型样件及由陶瓷、金属粉末组成的“非致密” 原型样件或模型，这些原型样件原则上不能用于直接装备制造，其 主要作用是服务于新产品的快速设计优化、试制、顾客预体验、商 业宣传和批产前
2、工装模具制造准备，最终主要作用是：缩短新产品 研制周期和新产品从研制到投放市场的周期、降低产品研发和制造 成本。快速原型制造技术从上世纪 80 年代初期开始发展，现已比较 成熟，当然技术还在不断发展。 “高性能金属构件直接制造技术”则采用高功率激光束（或电子束）对粉末或丝材进行逐层熔化/快速凝固堆积直接制造出全致密高性能金属零部件，主要手段有激光/电子束“送粉或送丝逐层熔化沉积”和“铺粉逐层熔化沉积”两种主要工艺。该技术上世界 90 年底初在美国开始发展，技术难度很大，迄今世界上只突破了小型构件激光直接制造技术，除我国外世界上一直还未能突破大型构件激光直接制造关键技术，是当前增材制造技术的热点
3、、难点和国际竞争制高点和发展方向。2012 年 3 月 9 日美国总统奥巴马宣布的“重振美国制造业计划”中实施的第一项内容，就是组建“国家增材制造创新中心” （2012 年 8 月 16 日宣布揭牌成立） 。增材制造/3D 打印技术尤其高性能构件增材制造技术的根本特征或“变革性”特征是，高性能材料制备与复杂结构数字化制造的有机融合，即在复杂零件数字化制造过程中同步完成高性能材料的制备、在高性能材料制备过程中同时完成复杂构件的数字化制造。二、增材制造技术研发现状3D 打印技术已从原型制作发展为高性能终端零部件的直接制造。在快速原型制造技术方面，3D 打印技术形成了相对完整的集装备、材料、软件、服
4、务于一体的产业链，并形成了一定的产业规模和市场销售，3D 打印装备向产品化、系列化和专业化方向发展。在高性能金属构件直接制造技术方面，自 1992 年以来一直受到美、英、德、法等西方工业发达国家的高度重视，美国Sandia、Los Alamos 等国家实验室，麻省理工、斯坦福、密西根、约翰哈普金丝等著名大学，英国伯明翰、利物浦大学，德国亚琛、斯图加特大学及法兰霍夫激光研究所等世界著名研究机构对其进行持续研发，特别是美国国防部 DARPA 及海军、空军、陆军以及波音、洛克希德马丁、诺斯罗普等世界著名飞机制造商、美国 GE、普惠、英国罗罗等世界著名航空发动机公司，斥巨资实施了一系列重大研发计划并于
5、 2002 年率先实现激光增材制造钛合金小型次承力结构件在 F/A-18 上的验证应用，但由于未能解决热应力和内部质量控制、大型成套装备研发和技术标准建立等技术难题，国际上迄今未突破飞机大型主承力关键金属构件的激光增材制造和工程应用。我国从 2000 年开始，钛合金等高性能大型关键金属构件激光增材制造技术研究，一直受到总装、国防科工局、国家自然科学基金委、教育部、科技部等的持续支持。以北京航空航天大学为核心的“产学研”团队，同沈阳飞机设计研究所、中国第一飞机设计研究院、上海飞机设计研究院等我国主要飞机设计研究院所及飞机制造企业 “产学研”紧密结合，瞄准先进战机、大型飞机等重大装备研制的急迫需求
6、，经过近 20 年的顽强拼搏和自主创新，在国际上首次全面突破了飞机钛合金、超高强度钢等大型复杂整体关键构件激光增材制造工艺、成套装备、内部质量及力学性能控制和应用关键技术并建立完整技术标准体系，研制出飞机主承力框、翼身根肋、起落架等 30 余种大型整体钛合金及超高强度钢飞机关键构件，在我国舰载机、大型运输机、大型客机、歼击机等多个重点型号飞机研制和生产中得到工程应用，作为多种关键构件的“唯一制造方案” ，为解决制约大飞机等多种重点型号飞机研制和生产的 “瓶颈”难题发挥不可替代作用，使我国成为迄今世界上唯一掌握钛合金等高性能大型整体关键构件激光增材制造技术并成功实现工程应用的国家。“飞机钛合金大
7、型复杂整体构件激光成形技术”成果，获 2012 年度“国家技术发明一等奖” 。三、增材制造影响增材制造技术具有的柔性、低成本、短流程、快速制造任意复杂/超复杂构件或结构系统的独特能力，将改变传统生产制造模式，对未来高性能构件制造技术带来变革性影响：例如，增材制造技术不仅可以实现“复杂/超常复杂构件及结构” 、 “大型/超大型复杂整体构件及结构” 、 “大批量个性化定制产品”等的短流程、低成本数字化制造，而且零件结构或装备结构的复杂性将不再受制造技术的限制，设计师们无限的设计创造力将得到彻底的解放。增材制造技术将高性能材料制备与复杂零件成形的数字化有机融合，其在零件制造过程中实现高性能/新材料数
8、字化制备（合成、制备和复合）的独特能力，将对未来高性能材料技术带来不可估量的变革性影响，个人认为，这种能力将是增材制造技术最大的优势和未来发展潜力最大的方向： 采用增材制造技术，可以灵活实现非平衡高性能材料、高活性难熔难加工材料、梯度组织/成分高性能材料、多种类多尺度复合高性能材料、超常结构和功能新材料的制备及其复杂/超复杂结构系统的材料制备和结构制造一体化。例如，在零件制造过程中灵活实现多种材料在宏观、微观、纳观甚至原子尺度上的任意复合和内部结构任意控制，通过多层次智能化材料复合，将创造出“负膨胀系数” 、 “负泊松比”等全新类型的高性能/超常性能或反常性能的“超级复合材料”结构，从而赋予构
9、件以特殊性能。又如，飞机、航空发动机等重大装备关键金属结构件的制造，将直接以几十种金属、非金属元素粉末或元素气体为原料，在高能束原位超常冶金增材制造过程中完成材料的合金化、灵活制备出种类无穷、具有各种非平衡亚稳特殊结构的合金新材料并同步制造出优异性能的复杂构件或复杂结构系统，制造流程超短，能源消耗低，将不再产生环境污染和原材料浪费。四、增材制造未来突破与发展1.并行 3D 打印3D 打印中分层制造的概念会进一步发展，三维结构可以沿多个方向进行分解，层片也可以不再只是平面，而是曲面，以便更好的提高精度，并消除台阶误差。对于大型结构（如雕塑、房屋、大型金属零件等） ，将使用多个机械手或激光、电子束
10、等能量源，在多个位置、沿多个方向同时进行材料微单元的堆积，大大缩短制造时间，提高制造效率。2.非均质 3D 打印未来 3D 打印技术将大大增强对材料种类的兼容性，实现几种甚至十几种、几十种材料同时参与堆积成形，使得最终制造的产品具有多种材料成分，实现产品材料的“非均质” ，从而实现特定的产品功能。在某些需要调整产品颜色的场合，非均质三维打印还能实时调整产品的颜色，制造具有颜色渐变效果的产品。3 免装配机构制造随着计算机水平和加工技术的发展，如果在计算机中将机构预先组装好，然后一次性直接制造出机构，则可免去后续的装配工序，这种机构可称之为免组装机构。免组装机构不仅仅是机构设计新概念的创新，在更深
11、的意义上极大的解放了机构设计自由度，打破传统制造的约束条件下优化性能指标，提升三维机构模型创新能力，创造出具有优良性能的新机构，进而为现代机械及一体化设备设计、创新和发明提供系统的基础理论和有效实用方法。4.超制造：新材料合成/高性能超常结构直接制造一体化变革性的 3D 打印技术，不仅能够制造任意复杂形状构件或复杂结构系统，使设计师们在设计产品时再不受传统制造工艺的束缚，充分施展其无限的设计创造力，设计出的产品也能得到自由充分高效的实现，而且它将“高性能材料设计、合成/制备”与“复杂结构/超常结构直接制造”有机融合为一体，其数字化、知识化、智能化的高性能材料合成/超常结构制造一体化特征，使制造面貌和内涵发生彻底改变。增材制造作为一种全新的制造方式，将对人们生产生活的各方面产生深刻的影响。（一）高柔性、短流程的生产组织方式（二）出现新的设计方法，设计复杂的形状和梯度材料、超制造让设计变得简单（三）功能部件的直接制造（四）随心所欲的数字化艺术创意增材制造将艺术家由工匠般的劳动中解放出来，摆脱工具、工艺、材料等技术与技艺的束缚，更专注于空间与结构的创作。
