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3D打印在工業(yè)制造領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展
編輯：深吟秋 來(lái)源：思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 華曙高科    2023-04-11

（1）3D 打印定義

根據(jù)國(guó)標(biāo)《增材制造術(shù)語(yǔ)》（GB/T35351-2017），增材制造（AdditiveManufacturing；AM）是指以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嚒ＨS打?。?Dprinting）是指利用打印頭、噴嘴或其他打印技術(shù)，通過(guò)材料堆積的方式來(lái)制造零件或?qū)嵨锏墓に嚕诵g(shù)語(yǔ)通常作為增材制造的同義詞，又稱(chēng)“3D 打印”。不同于傳統(tǒng)制造業(yè)通過(guò)切削等機(jī)械加工方式對(duì)材料去除從而成形的“減”材制造，3D 打印通過(guò)對(duì)材料自下而上逐層疊加的方式，將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)二維平面，大幅降低了制造的復(fù)雜度。

（2）增材制造技術(shù)工藝

增材制造技術(shù)包含多種工藝類(lèi)型，國(guó)標(biāo)《增材制造術(shù)語(yǔ)》（GB∕T35351-2017）根據(jù)增材制造技術(shù)的成形原理，將增材制造工藝分成七種基本類(lèi)別，具體分類(lèi)情況如下：粉末床熔融（Powder Bed Fusion）、定向能量沉積（Directed EnergyDeposition）、立體光固化（VAT Photopoly merization）、粘結(jié)劑噴射（BinderJetting）、材料擠出（MaterialExtrusion）、材料噴射（MaterialJetting）和薄材疊層(Sheet Lamination）。

增材制造技術(shù)發(fā)展至今，其各主要工藝及技術(shù)因具備不同的特點(diǎn)，在不同的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中具備獨(dú)特的技術(shù)價(jià)值和發(fā)展空間，在航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療、消費(fèi)及電子產(chǎn)品等領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，形成了多種技術(shù)路線共存的局面。

隨著科技和增材制造行業(yè)的發(fā)展，增材制造技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景由早期的零件原型的快速制備，拓展到能夠直接制造終端零件應(yīng)用至使用場(chǎng)景當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)由“快速原型”向“快速制造”的轉(zhuǎn)變。增材制造的終端零件性能高度依賴(lài)于其制備的設(shè)備類(lèi)型和工藝參數(shù)，粉末床熔融工藝因其特定的加工方式而使得零件具備良好的力學(xué)性能和尺寸精度，成為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中主流的增材制造技術(shù)。其中，以激光作為能量源的選區(qū)激光熔融（SLM）和選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）工藝因穩(wěn)定性和技術(shù)成熟度較高，在直接制造終端零件的應(yīng)用場(chǎng)景中具備較突出的價(jià)值和優(yōu)勢(shì)。

1）選區(qū)激光熔融（SLM）

選區(qū)激光熔融（SLM）技術(shù)使用金屬粉末，可選擇金屬材料范圍廣泛，包括鈦合金、鋁合金、高溫合金、銅合金、鈷鉻合金、不銹鋼、高強(qiáng)鋼、模具鋼、難熔金屬等，所成型零件表面質(zhì)量好，內(nèi)部金相組織致密度高，具有快速凝固的組織特征，具備強(qiáng)韌的機(jī)械性能，性能超過(guò)鑄件接近鍛件水平，甚至部分性能可超過(guò)鍛件水平，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的打印精度和極端復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造，能夠很好地滿足終端功能件使用要求。

同時(shí)該成形技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的敏捷制造，加大程度縮短產(chǎn)品研發(fā)制造周期，材料利用率高，設(shè)計(jì)自由度更高，可實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、點(diǎn)陣設(shè)計(jì)等先進(jìn)設(shè)計(jì)手段，綜上特點(diǎn)使該技術(shù)成為近年來(lái)工業(yè)級(jí)金屬增材制造領(lǐng)域的主流技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于航空航天、模具、汽車(chē)、醫(yī)療、科研教育等領(lǐng)域。

2）選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）

選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于在成形過(guò)程中，無(wú)需考慮支撐系統(tǒng)，成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度高，能夠直接成形高性能的尼龍、TPU 等高性能工程塑料，甚至是特殊屬性的特種塑料，材料利用率高，成品用途廣泛。成型零件具有較好的機(jī)械性能、耐熱性能等，能夠根據(jù)工程應(yīng)用需求直接使用于終端產(chǎn)品。制造效率高，小批量快速制造優(yōu)勢(shì)顯著。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)的成形效率和成形尺寸持續(xù)提升，成本穩(wěn)步下降，特別是 Flight 等突破性技術(shù)的問(wèn)世，使得選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)規(guī)模化的生產(chǎn)應(yīng)用場(chǎng)景得以不斷延伸和拓展。

總體而言，選區(qū)激光熔融（SLM）與選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）工藝，技術(shù)成熟度高，具有取材范圍廣、制備產(chǎn)品力學(xué)及機(jī)械性能優(yōu)良、成形精度高、材料利用率高、可成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度高等顯著優(yōu)勢(shì)，與公司工業(yè)領(lǐng)域終端產(chǎn)品直接制造及批量產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的需求契合度高，是工業(yè)領(lǐng)域主流的增材制造技術(shù)之一。

（3）3D 打印技術(shù)與傳統(tǒng)精密加工技術(shù)的關(guān)系

增材制造技術(shù)和傳統(tǒng)精密加工技術(shù)均是制造業(yè)的重要組成部分，目前增材制造加工與傳統(tǒng)精密加工相比還存在加工精度、表面粗糙度和可加工材料等方面的差距，但增材制造其全新的技術(shù)原理和特點(diǎn)，在多種應(yīng)用場(chǎng)景具備使用優(yōu)勢(shì)：

1）可快速加工成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。3D 打印的原理是將三維工件切片以獲得二維的輪廓信息，通過(guò)疊層的方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品成形。這種加工方式基本不受零件形狀的限制，特別在制造內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、傳統(tǒng)加工無(wú)法完成一體制造的產(chǎn)品方面，具備突出優(yōu)勢(shì)。3D 打印能夠貼合“設(shè)計(jì)引導(dǎo)制造”的創(chuàng)意驅(qū)動(dòng)，生產(chǎn)出符合特定消費(fèi)者需求的產(chǎn)品，從而實(shí)現(xiàn)“自由制造”。

2）縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。3D 打印無(wú)需傳統(tǒng)工具夾具和多重處理，可在單個(gè)設(shè)備上快速制造出所需零件，加速產(chǎn)品研發(fā)迭代。

3）材料利用率高。傳統(tǒng)加工切割的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量廢料，存在不完整的余料價(jià)值折損，材料利用率低，3D 打印根據(jù)二維輪廓信息逐層添加材料，按需耗材，材料利用率顯著高于傳統(tǒng)加工模式，是一種新型環(huán)保的綠色制造方式。

4）制造模式優(yōu)化。3D 打印技術(shù)免去了提前制造模具、雇傭眾多生產(chǎn)人員，使用龐大機(jī)床和復(fù)雜的鍛造工藝等步驟，便可直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，具有“去模具、減廢料、降庫(kù)存”的特點(diǎn)。在生產(chǎn)上能夠優(yōu)化結(jié)構(gòu)、節(jié)省材料和能源，大幅提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，助力實(shí)現(xiàn)無(wú)人化工廠。

目前，3D 打印在工業(yè)制造領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，在航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療等領(lǐng)域都有豐富的應(yīng)用場(chǎng)景，但在大批量制造方面，傳統(tǒng)精密加工技術(shù)相比 3D打印在效率和成本上更具優(yōu)勢(shì)。3D 打印與傳統(tǒng)加工方式將長(zhǎng)期并存，共同為制造行業(yè)提供精細(xì)化、自動(dòng)化、高效化的加工方案。