導讀：增材制造（俗稱3D打印），是一種通過簡單的二維逐層增加材料的方式直接成型三維複雜結構的數字制造技術。

作者：奧拉夫·迪格爾（Olaf Diegel）、阿克塞爾·諾丁（Axel Nordin）、達米恩·莫特（Damien Motte）

來源：華章科技

增材制造（Additive Manufacturing，AM）涵蓋了一系列技術，這些技術采用逐層構建零部件的方法從虛拟的三維模型逐漸構造出實體的零部件。

傳統的減材制造工藝是從一塊材料上去除所有不需要的材料（通過手工雕刻，或者使用銑床、車床或CNC機床等設備來實現），直至得到所需的零件（圖1-1a）。

與減材制造工藝相比，增材制造是從零開始的，通過依次在前一層的頂部“打印”新的一層來構建零件，直至零件完成（圖1-1b）。根據所使用的特定增材制造技術，每一層的厚度也有所不同，在幾微米到約0.25mm之間變化，當前有許多材料可以應用于不同的增材制造工藝。

▲圖1-1 減材制造與增材制造

增材制造相關概念的提出最早可以追溯到19世紀末至20世紀初，當時引入了基于分層的地形圖作為地形的三維表示，以及一些使用這些拓撲模型生成三維地圖的方法，如把紙質地圖包裹到現有拓撲模型上生成地形的三維模型。

照相雕塑也起源于19世紀末，它通過從物體周圍不同角度拍攝的一系列不同照片，然後以這些不同角度的照片作為模闆來雕刻出物體，因此最初的減材制造工藝中出現了幾種使用光敏材料創建模型的方法。

現代增材制造始于20世紀中葉，源于1951年Otto John Munz提出的一項專利，其本質上是由一層層打印在感光乳劑上的二維透明照片疊加而成的，該專利被認為是現代立體光刻技術的起源。他開發了一種以分層方式選擇性地曝光透明感光乳劑的系統，其中每一層都對物體的橫截面進行曝光。

就像現代的立體光刻機一樣，逐漸降低用于構建零件的構建平台，并在前一層的上方添加下一層感光乳劑和定影劑。一旦完成打印過程，該系統便生成一個包含物體三維圖像的透明實心圓柱體。這個系統的一個缺點是最終的三維實體必須通過二次加工（人工雕刻或光化學蝕刻）從圓柱體中取出。

在随後的幾十年中，陸續出現了一系列新的技術。1968年，Swainson提出了一種通過選出三維聚合兩個激光束相交處的光敏聚合物來直接制造塑料模型的技術（該專利轉讓給了Formigraphic Engine公司）。

Battelle實驗室也進行了一項名為“光化學加工”的工作，即通過在相交的激光束下曝光相應材料産生的光化學交聯或聚合物降解來制備物體。1971年，Ciraud提出了一種粉末工藝，可以将他視為現代直接沉積增材制造技術（如粉末床熔融）之父。

1979年，Householder開發了初期的基于粉末的激光選區燒結工藝，他在專利中讨論了依次沉積粉末平面層并選擇性固化每一層的局部位置。固化過程可以通過使用熱量和控制熱量來實現，控制熱量的方法包括選定掩模和控制熱掃描過程（如激光掃描）。

其他值得關注的早期增材制造的研究成果包括日本名古屋市工業研究所的Kodama開發的許多與立體光刻相關的技術，以及Herbert與Kodama一起開發的一種控制紫外激光的系統，該系統借助x-y繪圖儀上的反射鏡系統，将激光束照射到光敏聚合物層上，以掃描模型的每一層，然後将構建平台和構建層在樹脂桶中降低1mm，并不斷重複該過程。圖1-2所示為增材制造早期部分零件示例。

▲圖1-2 Householder、Kodama、Herbert、Manriquez Frayre和Bourell提出的增材制造早期零件示例

随着商業可用系統的發展，人們今天所熟知的商業化的增材制造直到1986年才真正開始出現，當時Charles W. Hull擁有立體光刻專利，該專利最初由UVP股份有限公司擁有，該公司将這項專利授權給其前雇員Charles W. Hull，他使用該專利的技術創建了3D Systems公司。随之發展到1988年出現了第一台商用SLA機器，從那時起，幾乎每年都可以看到可用系統、技術和材料的指數級增長。

在過去的30年中，與增材制造相關的術語也發生了很大變化。因為各種可用技術的主要用途是制作概念模型和預生産原型，所以在20世紀90年代的大部分時間裡，用于描述逐層制造技術的主要術語是快速原型（Rapid Prototyping，RP）。

其他一些術語（包括實體自由成形制造（Solid Freeform Fabrication，SFF）和分層制造）也被使用了很多年。

但是，在2009年初，ASTM F42增材制造技術委員會試圖标準化該行業使用的術語，在一次會議上，經過許多行業專家關于最佳術語的讨論，最終得出了“增材制造”一詞，如今，“增材制造”被認為是行業标準術語。

在ASTM F2792 10e1增材制造技術标準術語文件中，增材制造被定義為：根據三維模型的數據逐層地将材料連接起來以制備出物體的過程。該工藝與減材制造工藝（如傳統機加工）相反。

減材制造是從較大的材料塊中去除材料直至獲得最終産品，與減材制造工藝不同，大多數增材制造工藝不會産生過多的廢料。如果将經過增材制造設計的零件與通過常規制造生産的單個零件進行比較，那麼前者通常不需要大量的時間來去除多餘的材料，進而能夠減少制備時間和成本，并且能減少浪費。

但是，這不應被錯誤地理解為增材制造總是能夠制備出比傳統制造更便宜的零件。實際上，在許多情況下恰恰相反，因為增材制造是一種相對費時且成本高昂的技術。但對AM經濟性方面的考量很大程度上取決于所使用的AM技術類别，以及可以使用的許多可能的設計參數，這些也是本書所介紹的内容。

應該指出的是，盡管工業上通常采用增材制造這個術語，但許多大衆媒體仍将增材制造稱為3D打印，因為這是公衆更容易理解的術語。一些人認為3D打印一詞集中在低成本的、以業餘愛好打印為主的桌面3D打印機上，而增材制造一詞則集中在高端工業生産系統中。

所有增材制造都從創建虛拟三維CAD模型開始，這個過程幾乎可以使用任何三維計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）軟件來完成。

但是，用于增材制造的CAD模型必須采用完全封閉的“水密”體積形式（例如，一個立方體模型必須包含所有六個面，并且接縫處沒有間隙）。如果模型的其中一個面出現缺失或存在間隙，則表示為無限薄表面，無限薄表面是無法打印的（圖1-3）（不過可以根據錯誤的嚴重程度使用某些AM軟件自動修複模型）。

▲圖1-3 一個非水密的開放表面模型，由于它由一組無限薄的面組成，因此無法打印

然後需要将CAD文件轉換為能夠被AM機器識别的文件格式。當前，能夠被AM機器識别的最常用的文件格式是STL文件（也稱為标準三角語言、立體光刻語言或标準曲面細分語言），該格式可以将原始CAD文件轉換為三角面片文件。STL文件的分辨率越高，它包含的三角面片越多，因此模型的質量越好，如圖1-4所示。

▲圖1-4 STL文件分辨率示例

最近，有人提出了一些新的增材制造文件格式，包括增材制造文件格式（Additive Manufacturing File Format，AMF）和3D制造格式（3D Manufacturing Format，3MF），這些格式大大改進了有些過時的STL格式，因為它們向文件中添加了更多信息，包括顔色和材料，并允許使用彎曲的三角形來改善模型質量。在這些文件格式發布的時候，3MF似乎比AMF更具有吸引力。

3MF或3D制造格式是由3MF聯盟開發和發布的文件格式。該文件格式是專門為AM設計的基于XML的數據格式，它包含材質、顔色以及其他無法用STL格式表示的信息。3MF文件格式正在被Autodesk、Dassault Systems、Netfabb、Microsoft、SLM Solutions、HP、Shapeways、Materialise、3D Systems、Siemens PLM Software和Stratasys等公司采用。

一些研究人員正在緻力于研究如何直接從本機CAD格式進行打印，這是最有前途的方向，因為它避免了所有文件轉換的過程，從本質上說，文件轉換會降低模型的質量。然而，當前大多數AM系統和台式3D打印機仍在使用STL文件。

随後，由CAD軟件生成的STL文件将在AM機器的軟件中被打開，并将模型以最适合打印的方向放置在軟件的虛拟構建平台（将在其上部打印零件的平台）上。打印方向會影響表面質量和最終零件的強度。

例如，某些打印過程會産生高各向異性的零件，這些零件的各層之間或打印的垂直方向上存在缺陷。在打印過程中，有時也會使用支撐材料（圖1-5），以确保能夠打印懸垂的零件。這些方面對于增材制造至關重要。

▲圖1-5 某些打印過程所需的支撐材料示例

随後，增材制造設備中的軟件将會對STL文件中的模型進行切片操作，有些軟件還允許設置其他打印參數，包括打印分辨率（層厚）、材料、填充模式和速度等。

一旦軟件将零件構建指令發送給打印設備，該設備就會開始逐層構建零件。如何構建每一層以及使用什麼材料取決于所使用的特定的增材制造技術類别。增材制造過程鍊如圖1-6所示。

▲圖1-6 增材制造過程鍊

設備完成零件打印後，需要将零件卸下并進行後處理。

後處理包括清除零件殘留的粉末或樹脂以及去除支撐材料，并且大多數情況下，如果AM機器打印的表面不能滿足要求，為了得到更精細的表面，則可能還需要進行諸如機加工等的進一步處理，還有能使零件強度提高的浸滲處理以及金屬零件的熱處理。如果零件需要的顔色不是AM材料所提供的顔色，則可以對零件進行着色和噴漆處理。

在過去的30年中，AM已經在越來越多的應用領域中使用。Wohlers Report是一項領先的年度行業狀況報告，它每年都會進行一次調研，目的是調查清楚AM的應用領域。2018年Wohlers Report提供了有關AM應用領域的數據，如圖1-7所示。

▲圖1-7 目前AM的應用領域（由Wohlers Associates提供）

值得注意的是，盡管43.9%的應用于快速原型領域（包括裝配組裝、功能模型、展示模型和視覺輔助），但使用AM來直接或間接生産實體零件的應用現在已經超過了56%。這些應用包括用于原型工具模型、金屬鑄件模型、工具組件以及直接生産零件。

Wohlers認為，随着越來越多的行業将AM用作其不斷增長的制造業務的一部分，該百分比在未來幾年内将大幅增長。

自AM技術出現以來，其已經發展于兩個截然不同的領域。特别是在過去的十年中，高端機器已經取得了很大的進步，這些機器能夠用多種材料生産出高質量的零件。

同時，DIY和桌面3D打印機社區有了巨大的增長，其入門級的增材制造系統種類繁多，價格從幾百美元到幾千美元不等。整個社區（如reprap、fablab和makerbot社區）已經發展起來，這些社區通常采用開源的方式來共享增材制造的知識，極大地推動了該行業的發展。另外，值得關注的是，使用增材制造的行業也日益增多（圖1-8）。

▲圖1-8 使用增材制造的行業（由Wohlers Associates提供）

直到最近幾年，随着增材制造的質量提高到了一定程度，才使得一些公司開始将其用作可行的生産技術。随着新型聚合物和金屬材料的開發以及機器打印速度和精度的進一步提高，更多的增材制造機器可能會進入主流生産線。

增材制造還具有許多特質，這些特質使其有能力制造出傳統制造技術無法制造的零件。了解這些對于理解何時使用以及何時不使用AM至關重要。

同樣重要的是，增材制造将永遠不會完全取代傳統制造。這是一項互補技術，如果是由于創造價值而使用這項技術，并且生産的零件專門為增材制造而設計，那麼這項技術可以為公司創造巨大的價值。下面列出了AM與常規制造相比的一些優勢。

關于作者：奧拉夫·迪格爾（Olaf Diegel）是增材制造和産品開發的教育者和實踐者，在應用創新方法解決工程問題方面擁有出色的業績。他在瑞典隆德大學工程學院設計科學系擔任教授期間，積極參與産品開發的各個環節，并在增材制造和快速産品開發領域發表了大量的文章。

阿克塞爾·諾丁（Axel Nordin）擁有瑞典隆德大學機械工程專業碩士學位和機械設計專業博士學位，并多次參與政府資助的研究項目。他主要負責研究如何将複雜的外形設計集成到定制化産品中，例如，如何将數值計算、制造、結構設計和實用性問題（包括拓撲優化、創成式設計）綜合應用到增材制造領域中。

達米恩·莫特（Damien Motte），擁有瑞典隆德大學産品開發專業博士學位，法國巴黎中央理工學院工業工程研究碩士學位，法國阿爾比礦業大學工業工程碩士學位。他是瑞典隆德大學工程學院産品開發專業副教授，研究領域包括替代性工程設計、增材制造設計和産品開發方法論。

本文摘編自《增材制造設計（DfAM）指南》，經出版方授權發布。

延伸閱讀《增材制造設計（DfAM）指南》

推薦語：旨在為零件設計過程中如何發揮增材制造技術的優勢提供實用性的指導。增材制造技術是關于創新的天賜之物，它能快速有效地驗證設計師和發明者的想法。增材制造作為一種快速成型技術已經被廣泛應用，迄今已有超過30年的曆史。