什么是增材制造，什么是3D打印，金屬增材制造技術的六大應用場景。

談到增材制造企業技術(俗稱3D打印信息技術)估計很多人並不陌生，但是說到增材制造系統技術的應用，可能導致大部分人還只停在以下問題兩個不同階段：

原型，即通過樹脂和塑料等非金屬材料印刷的概念原型和功能原型。 概念原型用於展示產品設計的整體概念、三維形狀和布局，功能原型用於優化產品設計，rapid prototyping and additive manufacturing促進新產品的開發，如檢查產品的結構設計。 模擬裝配、裝配幹涉檢查等。

間接制造，即通過3D 打印技術完成工作，模具制造，然後利用3D 打印工具和模具進行零件制造。

眾所周知，隨著3D打印技術的發展，尤其是近年來金屬3D打印技術的進步，增材制造技術的應用已經不僅僅局限於快速響應產品的設計，或者技術輔助的間接制造，還擴展到了金屬功能零件的直接制造。目前，越來越多采用金屬增材制造技術制造的金屬零件成功應用於航空航天、國防、醫療器械、汽車制造、注塑模具等領域。

可以說，金屬增材制造企業技術在制造行業發展具有更廣闊的應用舞台，是增材制造領域對制造業來說最有應用進行價值的先進生產制造信息技術。主要問題體現在以下幾個重要方面：

1、用傳統工藝成形困難零件

在制造領域，一些形狀複雜、制備周期長的零件不能用傳統的鑄鍛工藝生產。金屬三維打印技術可以快速生產出滿足要求的零件，具有加工周期短、制造成本低、無需模具等優點。

典型的應用是在模具工業中制造保形冷卻金屬模具。金屬模具冷卻系統是模具設計項目之一。傳統的模具冷卻系統以直水道設計為主，rapid injection moulding制造容易，但散熱時間長，直接影響脫模時間、產品質量和產品外觀。設計師通過軟件對模具和水路進行散熱分析，設計了異形水路。然而，由於現有加工技術的限制，異形水道的設計只能停留在理論階段。金屬增材制造技術出現後，這些問題得到了改善。據悉，金屬3D打印的異形水道模具設計時間減少75%，制造端人力節省50%，注塑模具生產周期縮短14%，制造成本降低16%。

傳統的冷卻系統金屬材料模具與隨形冷卻金屬模具設計對比

此外，江蘇科技大學船舶設備研究所通過添加金屬材料制造SLM工藝，成功制造了原本只能由英國Heatri公司生產的印刷板式LNG汽化器，且采用增加材料的技術制備的船用LNG汽化器完全能夠滿足超高壓和超低溫的操作條件， 並且大大降低了制造成本和周期。 它還包括被北京航空公司和西安白金公司征服的國產大型飛機C919。 采用增加金屬材料的工藝，成功地研制了主風擋整體窗框、起落架整體支撐架、鈦合金中心法蘭杆等關鍵部件，避免了國外采購，大大提高了C919的國產化速度。

2、准備高成本的材料零件

金屬是制造領域不可缺少的重要材料，但在實際加工中存在很多問題，如鈦合金、高溫合金、超高強度鋼等材料加工難度大，加工成本高，材料利用率低，加工周期長。金屬增材制造技術采用高密度、高速度的激光、電子等高能光束，大大提高了金屬材料的加工難度，提高了材料利用率，降低了原材料成本。

以金屬增材制造企業技術發展應用研究最早和最廣泛的航空航天工程行業為例。航空航天基於一個高性能需求，需要進行大量資金使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬結構材料。但零件的材料資源利用率具有非常低，一般水平低於10%，有時甚至於僅為2%-5%，大量昂貴的金屬納米材料變成了一種難以再利用的廢屑。

美國最大的航空發動機制造公司之一普拉特惠特尼(Pratt&Whitney)將添加劑制造技術應用於鎳基和鈦合金發動機部件的開發，結果表明，rapid prototyping types不僅獲得了與現有材料一致的性能，而且大大縮短了制造周期，提高了複雜幾何結構的制造精度，降低了原材料消耗50%。 在傳統工藝中，發動機的BTF比(部件的原材料質量與最終質量之比)從20:1降低到2:1，有效地提高了部件的質量，降低了制造成本。

3、快速成形小批量非標零件

3D打印非常適合個性化定制生產和小批量生產。目前，金屬增材制造的個性化制造在醫療器械的應用中極為突出。一方面用於打印有個性化要求或模仿仿生原理的複雜結構的種植體 u002f假體。

這些植入物通過3D打印信息技術的精確管理控制，有效方法實現企業外在輪廓及內部經濟結構的同步重建，以滿足其與患者出現局部解剖知識結構的高度匹配，其中一個具有中國生物相容性的鈦合金材料是重要的加工過程中材料，打印出來的多孔網絡結構植入物，可以得到更好地與人體健康組織學生結合。另一個人方面，金屬增材制造系統技術人員還可用於為病人量身定做植入手術所需的精密部件，例如華南理工大學就是利用激光選區熔化技術(SLM)已成功研制了外科手術所需的個性化教學輔助導板。

金屬3D打印個性化醫療設備

個性化、小批量生產已成為當前制造業發展的趨勢，金屬3D 打印成型制造是模具制造這一關鍵技術環節，可以隨時調整參數，小批量甚至單件生產成本更低，提前期更短。除了醫療器械行業外，在其他行業也有很大的應用潛力。

4、高性能成形修複受損零件

高成本控制零件的成形修複能力也是一個金屬增材制造企業技術的突出發展優勢。過去，對於經濟受損零部件只能做表面的塗層修複，並且需要維修工序步驟繁多，還涉及到了一些沒有額外的步驟如加工、拋光、測試等，同時還受維修時限條件的制約，耗時較長;而對於組織損傷稍嚴重的零部件也只能作更換數據處理。金屬增材制造信息技術人員則可以對學生任意缺失或損壞的部分問題進行社會快速成形和修複。

例如，航空零部件結構複雜，成本高，一旦出現缺陷或缺陷，只能作為一個整體進行更換，可能造成數十萬美元或數百萬美元的損失。 但通過金屬3D打印技術，可以用相同材料將缺陷零件修複成完整的形狀，不會影響修複後的性能，大大延長了使用壽命，降低成本，縮短了停機時間。

德國 MTU 航空發動機公司

整體葉盤激光修複工藝流程

其實我們除了中國航空航天領域外，機械、能源、船舶、模具等行業也對大型企業裝備的高性能快速進行修複提出了一個迫切需求。據悉，西門子公司管理計劃從2014年開始研究采用不同金屬3D打印信息技術設計制造和修複燃氣輪機的某些金屬零部件，並稱在某些特殊情況下，通過3D打印數據技術人員可以把對渦輪燃燒器的修理工作時間從44周縮減為4周。

5、異質材料的組合制造

對於傳統的制造方法(鑄造、鍛造等)，很難將不同的材料組合成單個產品，但是增強制造技術具有組合不同原材料的能力。 此外，用於金屬增強制造LSF技術可任選地將相同/不同材料的精細結構添加到通過諸如鑄造、鍛造和機加工的常規技術制造的部件，且使其具有與整個制造相同的機械性能。

因此，根據一些工業零件，我們可以利用三維打印技術進行組合制造，並在結構的不同部分使用不同種類的金屬材料，這不但大大提高了結構部件的性能，而且降低了成本，特別是昂貴材料的成本。同時，它將增加材料制造技術的優點與傳統制造技術的優點結合起來，形成複雜精細的結構，形成最佳的制造策略。

組合制造

6、結合拓撲優化的輕量化制造

增材制造企業技術可以快速發展自由成型的特點，給產品的設計工作帶來了無限的創新活動空間，為實現最優化的設計研究提供了有效的制造途徑。特別是對於當前應用得比較多的拓撲優化信息技術，與傳統的經驗式設計教學模式分析不同，經過拓撲優化的創新能力模型是在滿足系統設計約束下的最優拓撲結構。但是通過優化後創新理論模型結構問題十分複雜，可制造性差，因此在設計教育階段我們不得不引入中國制造性約束，以滿足我國傳統加工制造工藝的要求。往往就是這樣才能得到的產品市場結構是犧牲掉了其在輕量化和高性能上的優勢。而金屬增材制造科學技術則可以使這些經拓撲優化後的創新學習模型，不用考慮制造約束並快速實現智能制造。

例如，采用拓撲優化設計和金屬3D打印技術制造的空客A320飛機大尺寸“仿生”客艙隔離結構采用超強輕質合金材料Scalmalloy制成。 與原有的隔震結構相比，新的A320客艙設計由幾個不同的部件組成，不僅強度更高，而且總量減少了45%。

此外，通用電氣公司的 Leap 噴氣發動機金屬燃油噴嘴經過十多年的探索，已經進行了優化、測試和再優化，使零部件數量從20多個減少到1個。該噴油器不僅重量輕，而且改善了噴油器的過熱和積碳問題，使噴油器的使用壽命提高了5倍，通過減少裝配提高了噴嘴的穩定性，為公司降低物流、裝配、焊接等成本。

7、飛躍式噴氣發動機金屬燃料噴嘴

後記

增材制造企業技術改變了中國傳統的制造發展方式，為複雜金屬結構進行功能件的直接制造公司提供了新思路，對於我國制造業而言有著非常廣闊的應用研究前景。未來金屬3D打印機將會越來越多的取代部分學生傳統加工制造系統設備，但是增材制造信息技術方面也有其缺陷與不足，並不能完全可以取代減材制造，而是並列互補的關系。

目前，大多數制造企業對添加劑制造尤其是金屬添加劑制造仍處於觀望階段。 或者只能用於原型檢測、設計與裝配驗證、非金屬模具成型等新產品的快速開發。 作者希望通過總結上述金屬添加劑制造的應用場景，對企業進一步推廣該技術，找到添加劑制造與傳統制造方法的結合點，具有一定的啟示。 並將其有效地嵌入到現有的生產模式中。