忘掉那些簡陋的原型和塑料模型吧。如今的增材制造技術(shù)不僅能夠制造火箭發(fā)動機(jī)，還能修復(fù)古代文物，甚至在太空中打印人類組織。

數(shù)千年前始于簡單黏土結(jié)構(gòu)的工藝，已演變?yōu)橛?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/150/" target="_blank">人工智能（AI）驅(qū)動的精密控制系統(tǒng)，有望徹底改變我們設(shè)計和制造幾乎所有事物的方式。

憑借靈活性、快速交付、材料利用率高以及無需頻繁更換模具，3D打印近年來備受青睞。隨著全球供應(yīng)鏈面臨地緣政治變化和材料短缺等因素的持續(xù)壓力，增材制造提供了一種實現(xiàn)生產(chǎn)本地化、縮短交貨周期并更快響應(yīng)市場需求的解決方案。例如，企業(yè)可以在本地生產(chǎn)和交付零部件，從而實現(xiàn)更快的交付周期和提高客戶滿意度。新的軟件、材料和方法，加上AI和機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）的進(jìn)步，進(jìn)一步提升了現(xiàn)代增材制造的能力。

本文簡要回顧了增材制造的歷史和3D打印的興起，并討論了幾種現(xiàn)代3D打印技術(shù)，以及一些正在研發(fā)中的創(chuàng)新技術(shù)。

增材制造的基礎(chǔ)

增材制造起源于史前時代，早期的例子包括陶器、泥磚建筑、石雕、金屬加工和玻璃制作。這些工藝?yán)脽崃?、水分和簡單的化學(xué)反應(yīng)，手工將材料一層層結(jié)合——與現(xiàn)代技術(shù)在原理上相似，但不依賴機(jī)械設(shè)備。后來，玻璃纖維等材料以及多部件注塑成型、多材料鑄造和焊接等技術(shù)推動了這一概念的發(fā)展，并催生了更具規(guī)模的生產(chǎn)方法。

在電子領(lǐng)域，增材制造原理通過電路板的層壓工藝和半導(dǎo)體制造中的精密材料沉積技術(shù)找到了新應(yīng)用。

這些技術(shù)為后續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，但過去幾十年間，自動化、機(jī)器人技術(shù)和數(shù)字工具的融合推動我們進(jìn)入了全新時代。這催生了如今被稱為3D打印的增材制造方法，它能夠快速、精準(zhǔn)地逐層構(gòu)建復(fù)雜零部件，其復(fù)雜度已遠(yuǎn)超傳統(tǒng)制造方式。

現(xiàn)代增材制造

自動化和機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步推動了傳統(tǒng)增材制造方法（如焊接）的進(jìn)步。然而，直到過去二十年左右，金屬、陶瓷和塑料的增材制造才取得重大突破。這些突破與機(jī)器人系統(tǒng)的興起共同催生了當(dāng)今廣泛應(yīng)用的3D打印方法。

3D打印技術(shù)在制造業(yè)中獨具優(yōu)勢，因為它能將物體的3D模型轉(zhuǎn)化為計算機(jī)數(shù)控（CNC）機(jī)床可執(zhí)行的系列指令。機(jī)器通過這些指令逐步沉積或構(gòu)建材料，終而形成物體。在某些情況下，3D打印可能需要后處理工序以完成部件，例如燒結(jié)（適用于部分陶瓷或金屬）、紫外線固化（UV固化，適用于樹脂基系統(tǒng)）或某些清理流程。

目前，多種3D打印技術(shù)已被應(yīng)用于家庭、實驗室和工廠。以下常見方法各有優(yōu)勢，可滿足不同材料、速度或應(yīng)用需求：

熔融長絲制造（FFF，也稱為熔融沉積建模（FDM））：熔化的塑料通過噴嘴擠出，逐層構(gòu)建零部件。這種方法為原型制作和小批量生產(chǎn)提供了一種經(jīng)濟(jì)實惠的解決方案。

立體光固化（SLA）和數(shù)字光處理（DLP）：紫外光固化液態(tài)樹脂形成固體部件。這些工藝以高分辨率和光滑表面著稱。

選擇性激光燒結(jié)（SLS）和選擇性激光熔化（SLM）：激光將粉末材料（如塑料或金屬）逐層熔化。該工藝常用于工業(yè)應(yīng)用，對強(qiáng)度和細(xì)節(jié)要求較高。

粘合劑噴射：將粘合劑噴灑到粉末床上以形成零部件。這種方法通常用于金屬和陶瓷零部件的大規(guī)模生產(chǎn)。

體積增材制造（VAM）：將體積光圖案應(yīng)用于光敏樹脂中，以同時構(gòu)建多個零部件。這種方法比分層工藝更快，且不需要支撐結(jié)構(gòu)。

液態(tài)金屬噴射（LMJ）：通過噴射熔融金屬直接成型零部件，無需使用金屬粉末或構(gòu)建平臺。這是一種新興的工藝，有望降低成本和復(fù)雜性。

超聲波增材制造（UAM）：超聲波振動將金屬層結(jié)合在一起。這種方法對于結(jié)合不同的金屬非常有用，并且在航空航天應(yīng)用中具有重要價值。

雙光子聚合（2PP）：利用高精度激光在納米級別固化樹脂。2PP技術(shù)廣泛應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備制造。

3D生物打?。和ㄟ^沉積生物材料或生物墨水層構(gòu)建類似組織結(jié)構(gòu)。該工藝在再生醫(yī)學(xué)研究中應(yīng)用廣泛。

此外，以下類別統(tǒng)指多種方法：

粉末床熔融：這是指基于激光方法（如SLS和SLM）的統(tǒng)稱，這些方法通過熔融粉末材料來成型。

槽式光聚合：這是SLA和DLP等方法的總稱，這些方法通過在槽中用光固化樹脂來制造零部件。

VAM、LMJ和2PP等新方法通過提高速度、減少后處理或提升分辨率水平，克服了早期方法的局限性。每種方法都擴(kuò)展了可打印物體的范圍和方式。

3D打印技術(shù)吸引了各規(guī)模制造專業(yè)人士、愛好者、客戶及初創(chuàng)企業(yè)。早期技術(shù)如FDM和SLA因其優(yōu)勢迅速普及，隨后工業(yè)級解決方案如SLS應(yīng)運而生。3D打印的普及推動了周邊技術(shù)研發(fā)投入，這一探索進(jìn)程催生了眾多新型3D打印技術(shù)與材料。

增材制造的未來發(fā)展方向

隨著增材制造技術(shù)的不斷成熟，行業(yè)正探索3D打印的真正潛力，包括更智能的設(shè)計、新型材料以及生物制造領(lǐng)域的突破。

受自然啟發(fā)的材料

仿生學(xué)是一種設(shè)計方法，指導(dǎo)開發(fā)能夠模仿骨骼或珊瑚等自然結(jié)構(gòu)的可打印結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)強(qiáng)度與輕量化的一體化設(shè)計。為降低3D打印對環(huán)境的影響，研究人員正在測試可持續(xù)材料，如木材、天然纖維和礦物，甚至在文物修復(fù)中替代象牙。此外，真菌的菌絲體也被視為一種“生長型”3D打印材料，有望取代混凝土等不可持續(xù)的建筑材料。

研究人員還在開發(fā)將廢物轉(zhuǎn)化為可用聚合物或復(fù)合材料的方法，減少填埋影響的同時保持有用的結(jié)構(gòu)特性。在食品和生物制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)已被應(yīng)用于巧克力、糖、合成動物蛋白、真實動物蛋白的制造，甚至用于構(gòu)建人類器官替代品。

更智能的軟件與AI/ML優(yōu)化

如今已有多種軟件工具可用于模擬3D打印過程，幫助用戶在打印開始前提升可靠性、一致性和效率。這些工具能夠預(yù)測零部件可能出現(xiàn)的變形或失效，從而減少浪費并加快設(shè)計流程。一些軟件更進(jìn)一步，借助人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)實現(xiàn)參數(shù)自動調(diào)優(yōu)，顯著降低對操作人員的依賴。

電紡絲和生物制造

電紡絲是一種利用電場從液體聚合物中產(chǎn)生極細(xì)纖維的工藝。在醫(yī)療領(lǐng)域，電紡絲與3D生物打印相結(jié)合，創(chuàng)造出支持組織再生的納米纖維支架。這些精細(xì)結(jié)構(gòu)與活體組織兼容，為傷口愈合、再生醫(yī)學(xué)和藥物遞送開辟新療法。圖2展示了該技術(shù)的一個應(yīng)用案例，即在國際空間站上成功制造了3D打印的人類膝關(guān)節(jié)半月板。

混合制造與金屬擴(kuò)展

過去二十年間，冶金技術(shù)不斷突破，成功開發(fā)出多種專為3D打印技術(shù)優(yōu)化的金屬粉末，在強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性和可打印性方面提供了更豐富的選擇。其中一種方法是定向能量沉積（DED），與基于擠出的打印技術(shù)不同，DED利用激光、等離子弧或電子束直接熔化并沉積金屬，從而實現(xiàn)零部件的精準(zhǔn)修復(fù)或多階段構(gòu)建。

DED還能向現(xiàn)有零部件添加材料，使其成為結(jié)合增材與減材技術(shù)的混合制造流程的理想選擇。DED和UAM等方法還可實現(xiàn)異種金屬的連接，這在航空航天及高性能環(huán)境中至關(guān)重要，因這些領(lǐng)域的零部件需承受極端條件。DED與FFM及其他材料沉積方法類似，區(qū)別在于其不通過在噴嘴內(nèi)加熱材料或使用可固化材料或自固化材料，而是利用激光、等離子弧、電子束或其他定向能量源熔化或融合被輸送或沉積到目標(biāo)區(qū)域的材料。

由于DED和UAM既能向現(xiàn)有零部件添加材料，又能連接不同金屬，因此它們非常適合多階段制造、零部件修復(fù)以及航空航天或極端環(huán)境中的高性能應(yīng)用。

這些技術(shù)進(jìn)步正將3D打印從原型制作工具轉(zhuǎn)變?yōu)楦悄?、更適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)需求的制造平臺。美國國家航空航天局（NASA）的“快速分析與制造推進(jìn)技術(shù)”（RAMPT）項目（圖3）等舉措，凸顯了增材制造創(chuàng)新的加速步伐及其在高性能工程未來中日益重要的作用。

結(jié)論

增材制造是一種歷史悠久的強(qiáng)大制造方法，可用于生產(chǎn)從大型建筑到微型生物醫(yī)學(xué)植入物的各種零部件和結(jié)構(gòu)。借助更智能的工具、更好的材料以及混合金屬修復(fù)、納米纖維生物制造和人工智能驅(qū)動的優(yōu)化等新興工藝，3D打印正演變?yōu)楝F(xiàn)代制造格局中不可或缺的一部分。

其減少浪費、加速設(shè)計迭代以及支持復(fù)雜或本地化生產(chǎn)的能力，正在重塑航空航天和醫(yī)療等行業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)模式。

盡管仍面臨挑戰(zhàn)，但本文探討的創(chuàng)新成果表明，增材制造正穩(wěn)步從實驗階段過渡，逐漸成為應(yīng)對當(dāng)下需求與未來可能性的關(guān)鍵解決方案組成部分。