增材制造技術(shù)（Additive Manufacturing，AM），又稱3D打印，是通過逐層堆積材料構(gòu)建三維實體的顛覆性制造方式。自20世紀80年代誕生以來，其技術(shù)體系不斷迭代，應(yīng)用場景持續(xù)擴展，正從原型制造向直接生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，成為推動制造業(yè)智能化、個性化、綠色化的核心驅(qū)動力。

本文機械知網(wǎng)從技術(shù)原理、應(yīng)用實踐、優(yōu)勢挑戰(zhàn)及未來趨勢四大維度，系統(tǒng)解析增材制造的革新價值。

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1 增材制造概述

增材制造（Additive Manufacturing，AM），又稱3D打印技術(shù)，是一種基于離散-堆積原理的數(shù)字化制造技術(shù)。它通過將三維模型分層切片為二維截面數(shù)據(jù)，借助計算機控制的打印設(shè)備，將材料（金屬、塑料、陶瓷、生物材料等）以逐層疊加的方式精確堆積，最終形成三維實體物件。

與傳統(tǒng)制造方法（如切削加工的減材制造、鍛造成型的等材制造）相比，增材制造實現(xiàn)了從“去除材料”到“添加材料”的根本性轉(zhuǎn)變，代表著制造范式的重大革新。根據(jù)關(guān)橋院士提出的分類框架，增材制造可分為“狹義”和“廣義”兩個層面：狹義增材制造特指結(jié)合高能束流與CAD/CAM技術(shù)的分層累加制造體系；廣義增材制造則涵蓋所有以材料累加為基本特征、直接制造零件為目標的技術(shù)群。

增材制造技術(shù)的發(fā)展歷程可追溯至20世紀80年代。1986年，美國科學(xué)家Charles Hull發(fā)明了第一臺商用光固化設(shè)備，并創(chuàng)立了3D Systems公司，標志著現(xiàn)代增材制造技術(shù)的商業(yè)化開端。經(jīng)過近四十年的發(fā)展，該技術(shù)已從最初的原型制作（快速原型制造）擴展到直接功能部件制造領(lǐng)域。

2 增材制造技術(shù)分類與工藝特點

增材制造技術(shù)根據(jù)材料形態(tài)和能量源的不同，形成了多種工藝路線，每種技術(shù)都有其獨特的適用場景和優(yōu)勢。

2.1 主流工藝技術(shù)

• 光固化成型（SLA）

  ：作為歷史最悠久的3D打印技術(shù)，SLA使用紫外激光束精確照射液態(tài)光敏樹脂表面，使其按截面輪廓逐層固化。該技術(shù)以超高精度（可達0.05mm層厚）和優(yōu)異表面質(zhì)量著稱，特別適合制造精密原型、珠寶模具和牙科修復(fù)體 。微光固化技術(shù)更將分辨率提升至微米級，在微流控芯片、微機械領(lǐng)域展現(xiàn)巨大潛力 。

• 熔融沉積成型（FDM）

  ：采用熱熔噴頭將熱塑性材料（如PLA、ABS）加熱熔化后擠出，按路徑沉積成型。因其設(shè)備成本低、操作簡便，成為應(yīng)用最廣泛的桌面級技術(shù)。工業(yè)級FDM設(shè)備可使用工程塑料（如PEEK、ULTEM）甚至金屬線材，配合高溫噴頭制造功能部件。氣壓式熔融沉積技術(shù)通過壓力控制進一步提高材料擠出精度 。

• 粉末床熔融技術(shù)

  ：包含選擇性激光燒結(jié)（SLS）和選擇性激光熔化（SLM）兩類。SLS通過激光束燒結(jié)高分子粉末（尼龍、TPU等），無需支撐結(jié)構(gòu)即可制造復(fù)雜幾何體；SLM則使用高能激光完全熔化金屬粉末（鈦合金、鋁合金、高溫合金等），實現(xiàn)接近鍛件性能的致密金屬部件 。該技術(shù)已成為航空航天領(lǐng)域直接制造的關(guān)鍵手段，如飛機鈦合金承力框、火箭發(fā)動機燃燒室等關(guān)鍵部件制造 。

• 定向能量沉積（DED）

  ：以激光熔覆沉積（LMD）和電子束熔絲成型（EBF）為代表，通過高能束（激光/電子束）熔化同步輸送的金屬粉末或絲材，實現(xiàn)大尺寸金屬構(gòu)件的高效成型。其獨特優(yōu)勢在于可制造超大尺寸工件（如投影面積達16㎡的飛機發(fā)動機承力框）和進行損傷部件修復(fù)。國產(chǎn)5軸增減材混合制造裝備已實現(xiàn)商用，結(jié)合了增材成型與減材精加工的優(yōu)勢 。

• 材料噴射技術(shù)

  ：采用壓電式或熱氣泡式噴頭，將光敏樹脂或納米金屬懸浮液微滴精確噴射到成型平臺，通過紫外光即時固化。該技術(shù)支持多材料混合打印和梯度材料結(jié)構(gòu)，在電子器件、生物芯片領(lǐng)域具有獨特價值 。

2.2 工藝對比與發(fā)展趨勢

表：主要增材制造技術(shù)特性對比

工藝類型適用材料精度等級典型應(yīng)用技術(shù)優(yōu)勢光固化(SLA)

光敏樹脂

超高(±0.05mm)

精密原型、牙科

表面質(zhì)量優(yōu)異

熔融沉積(FDM)

熱塑性塑料

中等(±0.2mm)

原型驗證、教育

成本低、操作簡便

激光選區(qū)熔化(SLM)

金屬粉末

高(±0.1mm)

航空航天部件

力學(xué)性能接近鍛件

激光熔覆沉積(LMD)

金屬粉末/絲材

中等(±0.3mm)

大型結(jié)構(gòu)件、修復(fù)

成型尺寸大、效率高

材料噴射

樹脂/納米材料

高(±0.08mm)

電子器件、功能梯度材料

多材料混合能力

當前技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)三大趨勢：

一是向大尺寸制造發(fā)展，如6米級鈦合金飛機框梁制造技術(shù)；

二是向多材料功能化發(fā)展，如梯度材料、智能材料（4D打印）和活細胞打印；

三是與人工智能深度融合，通過機器學(xué)習(xí)優(yōu)化工藝參數(shù)、實時監(jiān)測缺陷。

4D打印作為新興方向，使打印結(jié)構(gòu)能在溫度、濕度等外界激勵下發(fā)生形狀或結(jié)構(gòu)改變，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計-制造-裝配的一體化融合。

3 增材制造的應(yīng)用領(lǐng)域

增材制造技術(shù)憑借其獨特優(yōu)勢，已在多個工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，并持續(xù)開拓新的應(yīng)用場景。

3.1 航空航天領(lǐng)域

航空航天領(lǐng)域是增材制造技術(shù)應(yīng)用的高端前沿陣地。該領(lǐng)域?qū)Σ考妮p量化、復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)和高強度要求與傳統(tǒng)制造工藝形成尖銳矛盾，而增材制造提供了理想解決方案。

美國波音公司采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的LEAP發(fā)動機燃燒室部件，通過優(yōu)化的內(nèi)部冷卻通道設(shè)計，不僅實現(xiàn)減重35%，還顯著提升了高溫工作性能。中國C919大型客機成功應(yīng)用增材制造技術(shù)生產(chǎn)了長達3米的鈦合金中央翼緣條，這是國內(nèi)飛機尺寸最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的鈦合金主承力構(gòu)件。

在火箭制造領(lǐng)域，中國采用多絲協(xié)同電弧熔絲增減材工藝裝備，實現(xiàn)了10米級高強鋁合金運載火箭連接環(huán)的整體制造；航天科技集團則掌握了鈦合金、高溫合金等5類合金16種牌號材料的增材制造工藝，實現(xiàn)200余種航天器部件的增材制造，其中90余種通過試車考核，30余種實現(xiàn)批量交付。

3.2 醫(yī)療健康領(lǐng)域

醫(yī)療領(lǐng)域是增材制造個性化優(yōu)勢體現(xiàn)最為突出的領(lǐng)域。

在個性化植入物方面，通過患者CT數(shù)據(jù)設(shè)計并打印的鈦合金骨植入體、髖臼杯等產(chǎn)品，完美匹配患者解剖結(jié)構(gòu)，大幅縮短手術(shù)時間并改善預(yù)后效果。美國奧蘭多兒童醫(yī)院成功為一名罕見疾病患兒制造了個性化3D打印耳蝸，幫助其恢復(fù)聽力。

在生物打印前沿領(lǐng)域，美國科學(xué)家以生物凝膠為材料制造的人工卵巢成功使老鼠受孕并產(chǎn)下健康后代；英國紐卡斯爾大學(xué)則利用供體干細胞、藻酸鹽和膠原蛋白制成“生物墨水”，首次打印出完整的人眼角膜結(jié)構(gòu)。

此外，增材制造在手術(shù)規(guī)劃模型和定制手術(shù)導(dǎo)板方面也發(fā)揮重要作用，如通過全彩多材料打印的器官模型，幫助外科醫(yī)生進行復(fù)雜手術(shù)預(yù)演，提高手術(shù)成功率。

3.3 汽車與工業(yè)制造

汽車行業(yè)將增材制造廣泛應(yīng)用于快速原型制作和定制化工裝夾具開發(fā)。

寶馬公司采用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的i8混合動力車鈦合金渦輪增壓器殼體，通過拓撲優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)輕量化，提升發(fā)動機效率。

在模具制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)實現(xiàn)了模具內(nèi)部隨形冷卻水道的革命性突破。

傳統(tǒng)直線鉆孔冷卻方式效率低下，而增材制造可制造出與模具型面完美契合的三維隨形冷卻水道，使冷卻效率提高40%，注塑周期縮短30%，同時減少產(chǎn)品變形，提高良品率。

在鑄造行業(yè)，增材制造砂型技術(shù)成為轉(zhuǎn)型升級突破口，中國已建成萬噸級鑄造3D打印工廠，將傳統(tǒng)砂型制造周期從數(shù)周縮短至數(shù)天。

3.4 文化創(chuàng)意與文物保護

增材制造在文化創(chuàng)意領(lǐng)域展現(xiàn)出強大的藝術(shù)表現(xiàn)力和歷史復(fù)原能力。

故宮博物院采用高精度掃描與3D打印技術(shù)，成功修復(fù)了明代玉龍文物，精確還原了原有的紋理和光澤。巴黎盧浮宮則利用該技術(shù)修復(fù)了17世紀玻璃畫框的斷裂部位。

在考古領(lǐng)域，增材制造被用于遺址模型重建和文物碎片虛擬修復(fù)，幫助考古學(xué)家更直觀地理解歷史環(huán)境和文化背景。在藝術(shù)創(chuàng)作領(lǐng)域，設(shè)計師借助3D打印實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無法完成的復(fù)雜幾何形態(tài)，創(chuàng)造出前所未有的藝術(shù)表現(xiàn)形式。

4 增材制造的優(yōu)勢與挑戰(zhàn) 4.1 技術(shù)優(yōu)勢

• 設(shè)計自由度革命

  ：增材制造徹底解放了設(shè)計束縛，可實現(xiàn)任意復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)制造。傳統(tǒng)制造難以加工的中空點陣結(jié)構(gòu)、一體化內(nèi)部流道和仿生拓撲優(yōu)化形態(tài)均可通過增材制造實現(xiàn)。在航空航天領(lǐng)域，通過晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計，部件減重幅度可達50%以上，同時保持優(yōu)異的力學(xué)性能 。

• 材料利用率突破

  ：與傳統(tǒng)減材制造（如數(shù)控加工）相比，增材制造的材料消耗可降低70%-90%。特別是對于鈦合金、高溫合金等昂貴材料，材料節(jié)約帶來顯著經(jīng)濟效益。同時，金屬粉末循環(huán)利用技術(shù)進一步提升了材料利用率 。

• 制造流程精簡

  ：增材制造實現(xiàn)無模化生產(chǎn)，省去了模具設(shè)計制造環(huán)節(jié)，使新產(chǎn)品開發(fā)周期縮短50%-80%。在飛機結(jié)構(gòu)件制造中，傳統(tǒng)方法需3-6個月的復(fù)雜鍛件制造周期，而增材制造僅需1-2周即可完成 。

• 定制化生產(chǎn)經(jīng)濟性

  ：在醫(yī)療器械、個性化消費品領(lǐng)域，增材制造實現(xiàn)小批量定制化生產(chǎn)的經(jīng)濟可行性。與傳統(tǒng)模具投入相比，單件生產(chǎn)成本不再受批量規(guī)模限制，使個性化假肢、矯正器具等產(chǎn)品的大規(guī)模定制成為可能 。

• 生產(chǎn)效率瓶頸

  ：逐層堆積的制造原理導(dǎo)致成型速度受限。大型金屬部件打印耗時可達數(shù)十甚至數(shù)百小時，如6米鈦合金飛機框梁的制造時間過長。多激光束同步制造技術(shù)正在發(fā)展中，但同步增材組織的一致性和結(jié)合區(qū)域質(zhì)量控制仍是技術(shù)難點 。

• 材料體系局限

  ：盡管可用材料種類持續(xù)增加，但工業(yè)級材料仍主要集中于特定牌號鈦合金、鎳基高溫合金和少數(shù)工程塑料。陶瓷材料、復(fù)合材料、功能梯度材料的打印技術(shù)尚未成熟。同時，材料性能的穩(wěn)定性、批次一致性及認證標準仍需完善 。

• 質(zhì)量控制挑戰(zhàn)

  ：增材制造過程涉及復(fù)雜的物理化學(xué)變化（如金屬熔池動力學(xué)、相變過程），易產(chǎn)生氣孔、未熔合、殘余應(yīng)力等缺陷。在線監(jiān)測技術(shù)（如熔池溫度場監(jiān)控、聲發(fā)射檢測）和人工智能驅(qū)動的實時閉環(huán)控制成為研究熱點 。

• 標準體系缺失

  ：增材制造在材料測試方法、工藝規(guī)范、質(zhì)量評價等方面缺乏統(tǒng)一標準。核能、航空等高端應(yīng)用領(lǐng)域面臨嚴格的認證要求，標準缺失成為產(chǎn)業(yè)化瓶頸。中國核動力研究設(shè)計院指出，核能領(lǐng)域增材制造缺乏系統(tǒng)規(guī)劃和標準規(guī)范是當前主要痛點 。

表：增材制造優(yōu)勢與挑戰(zhàn)對比分析

優(yōu)勢維度具體表現(xiàn)面臨挑戰(zhàn)解決方案趨勢設(shè)計制造

復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化成型

大尺寸結(jié)構(gòu)變形控制難

多機器人協(xié)同制造

材料效率

利用率達90%以上

高性能材料種類有限

材料基因組設(shè)計

生產(chǎn)周期

新產(chǎn)品開發(fā)縮短50%

批量生產(chǎn)效率較低

多激光束同步技術(shù)

質(zhì)量標準

個性化產(chǎn)品一致性高

缺陷在線檢測困難

AI驅(qū)動的過程監(jiān)控

5 增材制造的實踐案例 5.1 航空航天重大裝備制造

中國在大型航空構(gòu)件增材制造領(lǐng)域取得突破性進展。采用激光熔覆沉積技術(shù)成功制造了投影面積達16㎡的鈦合金飛機發(fā)動機承力框，解決了傳統(tǒng)鍛造無法整體成型的難題。

該部件通過仿生筋位結(jié)構(gòu)設(shè)計，在保證承載強度前提下實現(xiàn)減重30%，同時將材料利用率從傳統(tǒng)加工的5%-10%提升至80%以上。在航天動力系統(tǒng)領(lǐng)域，中國航天科技集團實現(xiàn)了火箭發(fā)動機推力室的一體化打印，將原本需要組裝的30余個零件集成為單一構(gòu)件，徹底消除了焊縫薄弱環(huán)節(jié)，使工作溫度提升至3300℃以上，推力提高20%，為重型運載火箭研制奠定基礎(chǔ)。

5.2 醫(yī)療領(lǐng)域突破性應(yīng)用

在骨科修復(fù)領(lǐng)域，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院團隊開發(fā)了個性化鈦合金椎間融合器。通過患者CT數(shù)據(jù)重建脊柱三維模型，設(shè)計出完美匹配椎體曲度的多孔結(jié)構(gòu)植入體。

多孔結(jié)構(gòu)不僅降低彈性模量，減少應(yīng)力遮擋效應(yīng)，還促進骨細胞長入實現(xiàn)生物融合。臨床應(yīng)用顯示，與傳統(tǒng)標準化植入體相比，3D打印定制融合器使手術(shù)時間縮短40%，術(shù)后融合率提高25%。在器官打印前沿領(lǐng)域，中國科學(xué)院團隊成功實現(xiàn)了具有微血管網(wǎng)絡(luò)的心臟組織構(gòu)建。采用水凝膠材料包裹心肌細胞和內(nèi)皮細胞，通過多噴頭協(xié)同打印技術(shù)構(gòu)建了包含毛細血管網(wǎng)絡(luò)的功能性心肌組織，為未來器官移植提供全新解決方案。

5.3 文物保護創(chuàng)新實踐

在文化遺產(chǎn)保護領(lǐng)域，增材制造技術(shù)開創(chuàng)了非接觸式文物修復(fù)新模式。敦煌研究院采用高精度三維掃描與彩色砂巖3D打印技術(shù)，對莫高窟風(fēng)化嚴重的彩塑進行數(shù)字重建與實體復(fù)原。

通過超6000萬點的云掃描獲取毫米級精度數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史考證資料修復(fù)數(shù)字模型，再以礦物粉末與天然粘合劑混合材料進行打印，最后由文物修復(fù)師進行表面做舊處理，實現(xiàn)了“修舊如舊”的文物保護最高準則。該項目成功復(fù)原了北魏時期菩薩造像的殘缺部分，為脆弱文物的永久保存提供了創(chuàng)新解決方案。

增材制造作為制造業(yè)的顛覆性技術(shù)，正深刻改變傳統(tǒng)制造的理念和模式。它通過設(shè)計自由解放、材料高效利用和制造流程重構(gòu)，推動制造業(yè)向數(shù)字化、個性化和可持續(xù)方向轉(zhuǎn)型。

未來十年將是增材制造產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵時期。中國工程院盧秉恒院士指出：“中國的3D打印技術(shù)已經(jīng)處于世界先進水平”，但需在核心器件（如高功率激光掃描振鏡、動態(tài)聚焦鏡）、專用材料（如高溫合金粉末、生物墨水）和軟件生態(tài)（如工藝智能規(guī)劃軟件）方面持續(xù)突破。

隨著“增材制造+”模式深入發(fā)展（如3D打印+醫(yī)療、3D打印+文創(chuàng)），這項技術(shù)將加速融入現(xiàn)代制造業(yè)體系，成為第四次工業(yè)革命的核心驅(qū)動力之一，為全球制造業(yè)格局帶來深遠變革。

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