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

本文機械知網從技術原理、應用實踐、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，是一種基于離散-堆積原理的數字化制造技術。它通過將三維模型分層切片為二維截面數據，借助計算機控制的打印設備，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，增材制造實現了從“去除材料”到“添加材料”的根本性轉變，代表著制造范式的重大革新。根據關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合高能束流與CAD/CAM技術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群。

增材制造技術的發(fā)展歷程可追溯至20世紀80年代。1986年，美國科學家Charles Hull發(fā)明了第一臺商用光固化設備，并創(chuàng)立了3D Systems公司，標志著現代增材制造技術的商業(yè)化開端。經過近四十年的發(fā)展，該技術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域。

2 增材制造技術分類與工藝特點

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

2.1 主流工藝技術

• 光固化成型（SLA）

  ：作為歷史最悠久的3D打印技術，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。該技術以超高精度（可達0.05mm層厚）和優(yōu)異表面質量著稱，特別適合制造精密原型、珠寶模具和牙科修復體 。微光固化技術更將分辨率提升至微米級，在微流控芯片、微機械領域展現巨大潛力 。

• 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。因其設備成本低、操作簡便，成為應用最廣泛的桌面級技術。工業(yè)級FDM設備可使用工程塑料（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通過壓力控制進一步提高材料擠出精度 。

• 粉末床熔融技術

  ：包含選擇性激光燒結（SLS）和選擇性激光熔化（SLM）兩類。SLS通過激光束燒結高分子粉末（尼龍、TPU等），無需支撐結構即可制造復雜幾何體；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），實現接近鍛件性能的致密金屬部件 。該技術已成為航空航天領域直接制造的關鍵手段，如飛機鈦合金承力框、火箭發(fā)動機燃燒室等關鍵部件制造 。

• 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，實現大尺寸金屬構件的高效成型。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。國產5軸增減材混合制造裝備已實現商用，結合了增材成型與減材精加工的優(yōu)勢 。

• 材料噴射技術

  ：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。該技術支持多材料混合打印和梯度材料結構，在電子器件、生物芯片領域具有獨特價值 。

2.2 工藝對比與發(fā)展趨勢

表：主要增材制造技術特性對比

工藝類型適用材料精度等級典型應用技術優(yōu)勢光固化(SLA)

光敏樹脂

超高(±0.05mm)

精密原型、牙科

表面質量優(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)

大型結構件、修復

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

當前技術發(fā)展呈現三大趨勢：

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；

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，通過機器學習優(yōu)化工藝參數、實時監(jiān)測缺陷。

4D打印作為新興方向，使打印結構能在溫度、濕度等外界激勵下發(fā)生形狀或結構改變，實現產品設計-制造-裝配的一體化融合。

3 增材制造的應用領域

增材制造技術憑借其獨特優(yōu)勢，已在多個工業(yè)領域實現規(guī)模化應用，并持續(xù)開拓新的應用場景。

3.1 航空航天領域

航空航天領域是增材制造技術應用的高端前沿陣地。該領域對部件的輕量化、復雜內腔結構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生產的LEAP發(fā)動機燃燒室部件，通過優(yōu)化的內部冷卻通道設計，不僅實現減重35%，還顯著提升了高溫工作性能。中國C919大型客機成功應用增材制造技術生產了長達3米的鈦合金中央翼緣條，這是國內飛機尺寸最大、結構最復雜的鈦合金主承力構件。

在火箭制造領域，中國采用多絲協(xié)同電弧熔絲增減材工藝裝備，實現了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余種實現批量交付。

3.2 醫(yī)療健康領域

醫(yī)療領域是增材制造個性化優(yōu)勢體現最為突出的領域。

在個性化植入物方面，通過患者CT數據設計并打印的鈦合金骨植入體、髖臼杯等產品，完美匹配患者解剖結構，大幅縮短手術時間并改善預后效果。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，幫助其恢復聽力。

在生物打印前沿領域，美國科學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下健康后代；英國紐卡斯爾大學則利用供體干細胞、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構。

此外，增材制造在手術規(guī)劃模型和定制手術導板方面也發(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)生進行復雜手術預演，提高手術成功率。

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生產的i8混合動力車鈦合金渦輪增壓器殼體，通過拓撲優(yōu)化設計實現輕量化，提升發(fā)動機效率。

在模具制造領域，3D打印技術實現了模具內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%，同時減少產品變形，提高良品率。

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

3.4 文化創(chuàng)意與文物保護

增材制造在文化創(chuàng)意領域展現出強大的藝術表現力和歷史復原能力。

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

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

4 增材制造的優(yōu)勢與挑戰(zhàn) 4.1 技術優(yōu)勢

• 設計自由度革命

  ：增材制造徹底解放了設計束縛，可實現任意復雜幾何結構制造。傳統(tǒng)制造難以加工的中空點陣結構、一體化內部流道和仿生拓撲優(yōu)化形態(tài)均可通過增材制造實現。在航空航天領域，通過晶格結構設計，部件減重幅度可達50%以上，同時保持優(yōu)異的力學性能 。

• 材料利用率突破

  ：與傳統(tǒng)減材制造（如數控加工）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)約帶來顯著經濟效益。同時，金屬粉末循環(huán)利用技術進一步提升了材料利用率 。

• 制造流程精簡

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

• 定制化生產經濟性

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

• 生產效率瓶頸

  ：逐層堆積的制造原理導致成型速度受限。大型金屬部件打印耗時可達數十甚至數百小時，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正在發(fā)展中，但同步增材組織的一致性和結合區(qū)域質量控制仍是技術難點 。

• 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工程塑料。陶瓷材料、復合材料、功能梯度材料的打印技術尚未成熟。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 。

• 質量控制挑戰(zhàn)

  ：增材制造過程涉及復雜的物理化學變化（如金屬熔池動力學、相變過程），易產生氣孔、未熔合、殘余應力等缺陷。在線監(jiān)測技術（如熔池溫度場監(jiān)控、聲發(fā)射檢測）和人工智能驅動的實時閉環(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、質量評價等方面缺乏統(tǒng)一標準。核能、航空等高端應用領域面臨嚴格的認證要求，標準缺失成為產業(yè)化瓶頸。中國核動力研究設計院指出，核能領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)勢維度具體表現面臨挑戰(zhàn)解決方案趨勢設計制造

復雜結構一體化成型

大尺寸結構變形控制難

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

材料基因組設計

生產周期

新產品開發(fā)縮短50%

批量生產效率較低

多激光束同步技術

質量標準

個性化產品一致性高

缺陷在線檢測困難

AI驅動的過程監(jiān)控

5 增材制造的實踐案例 5.1 航空航天重大裝備制造

中國在大型航空構件增材制造領域取得突破性進展。采用激光熔覆沉積技術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構設計，在保證承載強度前提下實現減重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)領域，中國航天科技集團實現了火箭發(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。

5.2 醫(yī)療領域突破性應用

在骨科修復領域，上海交通大學醫(yī)學院附屬第九人民醫(yī)院團隊開發(fā)了個性化鈦合金椎間融合器。通過患者CT數據重建脊柱三維模型，設計出完美匹配椎體曲度的多孔結構植入體。

多孔結構不僅降低彈性模量，減少應力遮擋效應，還促進骨細胞長入實現生物融合。臨床應用顯示，與傳統(tǒng)標準化植入體相比，3D打印定制融合器使手術時間縮短40%，術后融合率提高25%。在器官打印前沿領域，中國科學院團隊成功實現了具有微血管網絡的心臟組織構建。采用水凝膠材料包裹心肌細胞和內皮細胞，通過多噴頭協(xié)同打印技術構建了包含毛細血管網絡的功能性心肌組織，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

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

通過超6000萬點的云掃描獲取毫米級精度數據，結合歷史考證資料修復數字模型，再以礦物粉末與天然粘合劑混合材料進行打印，最后由文物修復師進行表面做舊處理，實現了“修舊如舊”的文物保護最高準則。該項目成功復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，正深刻改變傳統(tǒng)制造的理念和模式。它通過設計自由解放、材料高效利用和制造流程重構，推動制造業(yè)向數字化、個性化和可持續(xù)方向轉型。

未來十年將是增材制造產業(yè)化的關鍵時期。中國工程院盧秉恒院士指出：“中國的3D打印技術已經處于世界先進水平”，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)），這項技術將加速融入現代制造業(yè)體系，成為第四次工業(yè)革命的核心驅動力之一，為全球制造業(yè)格局帶來深遠變革。

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