增材制造技术(Additive Manufacturing， AM) 是一种以数字模型文件为基础，运用粉 末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印 的方式来构造物体的制造方法。该技术不需要 传统的刀具、夹具及多道加工工序，在一台设 备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零 件，从而实现“自由制造”，解决许多过去难 以制造的复杂结构零件的成形，并大大减少了 加工工序，缩短了加工周期。而且越是复杂结 构的产品，其制造的速度作用越显著。目前增 材制造技术在航空航天、医疗产业、工业设计、 汽车、土木工程、等领域已有诸多应用。

图 1 Chuck Hull 及首台 3D 打印机

　　增材制造技术现已得到了科研界与产业界 的全面关注，并逐渐发展出了 3D 打印与 4D 打印等技术。3D 打印的思想起源于 19 世纪末 美国研究的照相雕塑和地貌成形研究对立体再 现技术的探索， 1902 年， 光敏聚合物制造塑料 件原理在美国获得专利，是现代第一种快速原 型技术的发展开端。由于材料技术与计算机技术等众多学科的限制，3D 打印的成品设备和 材料在 20 世纪 80 年代才发展起来。1983 年， 第一台 3 打印机问世， 发明者是查克 ·赫尔(如 图 1 所示) ；1987，被广泛应用于 3D 打印技 术的软件 STL 被 3D systems 公司发明；2005 年，首台彩色 3D 打印机问世；2009 年以后， Markerbot 系列 3D 打印机进入消费级市场，

　　自此，3D打印机开始进入普通人的生活(图 2)。

　　3D 打印工艺流程一般可分为三维建模、 数据分割(切片) 、打印、后处理四步(如 图 3 所示) 。三维建模建模一般由三维软件建 模和扫描建模完成，可通过传统机械设计软件 UG、SW 等完成。

图 3 3D 打印流程

　　数据分割是指将三维数据模型进行分层 切片处理，将模型文件换化为打印机能够识 别的加工文件(图 4) 。其中 STL 是当前使 用最为广泛的模型分割文件。建立了建模软 件和 3D 打印机之间协作的通道，是 3D 打印 机支持的最常见文件格式，STL 文件格式只 能描述三维物体的几何信息，不支持颜色材 质等信息。将 STL 文件中的三维数据分割为 二维数据，即把整个三维模型沿水平面“切 割”成一定数量的二维薄片，对应每一个薄 片生成其平面尺寸数据。

图 4 数据分割示意图

　　转化的二维文件将被导入打印机控制系 统，相应的成型头按各截面轮廓信息做扫描 运动，在工作台上一层一层地堆积材料，各 层相粘结，最终得到原型产品。材料及层间 粘结工艺不同形成了不同的 3D 打印技术。

图 5 数据分割示意图

　　由于 3D 打印所用的 STL 文件不支持颜 色材质，SLA/FDM 等过程会有支撑部分以 保证打印支撑强度，分层制造会存在台阶效 应 , 物品表面会比较粗糙。因而需要上色、 去除支撑、物理 / 化学方法打磨抛光，机加 工等方式进行后处理操作(图 5) ，在外观， 强度，使用性能上对打印件进行改善。

　　常用的3D打印成形技术有光固化成形、熔融沉积成形、选择性激光烧结成形等。

　　光固化成形(SLA)是指利用激光照射 光敏树脂材料，通过分层堆积得到成型零件 的方法。SLA 具有尺寸精度高，表面质量优 良；系统分辨率较高，原材料利用率高等优 点。熔融沉积成形 (FDM) 是指利用喷头加热 装置将工程塑料，ABS、PLA(聚乳酸)等 材料瞬间融化，经机械装置传动，将融化的 丝材挤出堆积，瞬间凝固的增材方法。FDM 技术的优点是设备购置、运行、维护维护 成本较低；设备操作简单。选择性激光烧结 (SLS) 原理是利用高能量密度激光照射金属 或塑料粉末，照射区域烧结成型，未照射区 域保持粉末状态的增材方法。SLS 常用于制 造高精度塑料件、铸造用蜡样件或模型。具 有材料利用率高，价格便宜，成本低；无需 支撑结构；零件机械性能好、强度高等特点。

　　基于增材制造(3D 打印技术) 独特的工 艺流程和近年来智能制造，工业互联网，AI 等技术的不同融入，增材制造近年来得到了快速发展。在颠覆传统制造理念的同时，也 为制造业转型明确了发展方向。对比传统制 造技术，增材制造的创新性与特点可总结成 以下几个方面：  (1) 设计上的自由度—增材 制造能够一次性直接加工出几何形状极度复 杂的构建；对于设计研发人员而言，可最大 限度基于功能需求来设计部件，而无需考虑 像传统切削加工中工艺路线，加工能力的限 制。(2) 定制生产的经济性—增材制造过程 无需生产或装配硬模具， 装夹过程用时较短； 同铸造与锻造等传统加工方法相比，降低了 设备成本，减少了研发时间。工艺特点允许 小批量，甚至单件个性化生产，具备多种优 势。(3) 材料利用效率高—基于工艺特点， 为得到较高的几何公差与表面质量，增材制 造金属部件一般仍然需要进行机加工。但在 所有近净成形工艺当中，增材制造是净成形 水平最高，其后续机加工的材料去除量微乎 其微。(4) 生产可预测性好—增材制造的构 建时间经常可以根据部件设计方案直接预测 出来， 这意味着生产用时可以得到精确预测。 随着增材制造与自动化及 AI 等行业的紧密 结合， 其加工质量将会得到更为有效的控制。 (5) 降低装备难度—增材制造可以一体成形 复杂形状构件，取代当前仍需采用众多部件 装配而成的产品。省去了装配工序所涉及的 坚固件、钎焊或焊接等工艺的工作量。

　　经过多年发展，我国在高性能复杂大型金属承力构件增材制造等部分技术领域已达 到国际先进水平，成功研制出多种关键工艺 装备，相关技术及产品已经在航空航天、汽 车、生物医疗、文化创意等领域得到了初步 应用。展望未来，世界各国将把增材制造作 为未来产业发展的新增长点，推动增材制造 技术与信息网络技术、新材料技术、新设计 理念的加速融合，增材制造技术及产业必将 大有可为。

　　作者简介：李志永，先进制 造工艺力学实验室(MAM)  2016 级硕博连读生，导师：虞钢研究 员。