增材製造(AM)，通常被稱為3D打印，出現在幾十年前。但直到最近，這項技術才經曆了快速發展，擴展到一係列行業和企業的許多應用中。跟蹤這項技術的發展和範圍是很有趣的，因為它已經從小型印刷係統，用紙張和塑料材料生產小部件;到更大的打印平台，可以生產複雜的金屬零件。從字麵上看，這是一個增材製造“跳出框框”(在這種情況下，小型打印機的限製)到大型混合機床的例子，這些混合機床采用增材和減法工藝來製造零件。
增材製造的日益普及正在推動產品設計、產品開發和供應鏈管理方麵的創新。AM使企業能夠提供產品和服務，否則將是不可行的或不可能的。這為采用者提供了相當大的競爭優勢，而AM目前的缺點，如長周期時間，並不是令人望而卻步的。隨著金屬打印和混合工具技術的快速發展，我們看到越來越多的可行應用。在不久的將來，不以某種方式采用AM的企業將處於明顯的競爭劣勢。
確定投資AM的適當時間可能是複雜的，需要對技術的現狀和它將影響的業務變化都有透徹的了解。保持AM計劃的公司更有可能在正確的時間采用AM，並通過保持領先而獲得顯著的收益。
增材製造不僅滲透到多個行業的製造業，而且有望影響汽車、航空航天和國防、石油和天然氣以及工業設備等行業的供應鏈和零部件庫存係統。
增材製造進入主流製造業
在過去的五年中，增材製造已經在航空航天和國防，汽車，石油和天然氣設備以及機械等行業建立起來。這主要是由於金屬基工藝的進步，生產具有適當材料性能的零件，可以取代傳統的機械生產零件。雖然增材製造需要比傳統機械加工更長的周期時間來製造零件，但這通常被製造的零件更有效的功能設計、更輕的重量以及製造具有關鍵幾何形狀的零件的能力所抵消，這些零件不能用減法複製或可以取代多組件組裝。
幾十年來，增材製造技術一直在穩步發展，但直到最近幾年，增材製造工藝才開始起飛，並迅速轉向混合機器。在20世紀80年代和90年代初，大多數基於金屬的增材製造研究集中在粉末床技術上。當時，幾乎所有的金屬加工都是由鑄造，製造，衝壓,加工;盡管很多自動化應用於這些技術，如機器人焊接和數控加工。大多數製造商隻將工具頭在3D工作範圍內移動的想法與多個自由度聯係起來，以轉換質量原材料通過去除金屬而不是添加金屬的過程，將其一層一層地加工成所需的形狀。然而，到20世紀90年代中期，直接金屬沉積的新技術開始挑戰現狀。例子包括微鑄造和噴塗材料。
的涵蓋性術語，“增材製造”在美國得到了更廣泛的接受冷杉本世紀頭十年。隨著各種添加劑工藝的成熟，很明顯，很快，金屬去除將不再是唯一的金屬加工由cnc等控製係統執行的過程。“減法製造”一詞的出現是為了表達大量涉及金屬去除的更傳統的機械加工工藝。在早期采用階段，術語3D打印主要是指聚合物/樹脂分層技術，而增材製造更有可能用於金屬加工和製造零件生產環境。術語減法並沒有取代術語加工，而是補充當需要一個涵蓋任何移除方法的術語時。今天，將增材製造和減法製造工藝結合到混合機器中幾乎完全集中在金屬合金零件製造上。
製成品零件類別
在今天的製造環境中，製造零件基本上有三類:
原型
這代表了AM最早和最長的使用。早期的原型是使用分層紙方法建造的，在這種方法中，CAD模型被分解成一堆從紙上剪下的薄橫截麵層，然後粘合在一起。這種方法通常用於汽車工業。由於它需要從更大的紙張上切割紙張，因此可以認為，與目前使用的增材製造技術(最著名的是立體光刻(SLA)和熔融沉積建模(FDM))相比，這種方法不是純粹的增材製造。原型設計仍然是增材製造的主要應用之一。
生產
這代表了AM當前的增長領域。各行各業的製造商都在探索各種增材製造技術為生產零件提供的機會。汽車和航空航天等行業正在使用混合增材製造技術來製造更輕的部件，這些部件保留了相同的功能和強度，同時保持了高度的設計靈活性並減少了組件。
維修保養
由於AM的使用，這一領域正在發生重大變化。零件可以更快地製造，在某些情況下，可以在維修設施現場製造。通過將金屬沉積方法(激光/電子束燒結)和傳統金屬切割結合到一個環境中，可以通過使用更先進的材料來改進零件的更換。修理和翻新的零件，特別是在航空航天工業正在迅速增長，提供了一個簡化的過程。
混合增材製造正在改變製造業的麵貌
在過去的五年中，混合增材減材製造獲得了巨大的吸引力，似乎代表了許多行業及其製造工藝的製造零件的未來。術語“混合”是指金屬基AM工藝技術和工藝(使用新材料化合物和合金)與單一係統內先進的加工(減法)工藝的結合。在過去，金屬基增材製造是有限的，但更先進的金屬粉末工藝提供了更廣泛的金屬合金可用於打印。簡而言之，混合製造在單個機器環境中結合了AM工藝和CNC銑削。
考慮到加法和減法過程的複雜性，將兩者結合在一起似乎是相當困難的，在某些方麵，確實如此。然而，市場上新一代複雜的混合加工中心為願意采用這種尖端技術的製造商提供了強大的新功能。
今天的混合機床可以通過增材製造工藝建立非常複雜的幾何形狀，然後加工它們以接近所有功能麵的公差，以滿足表麵光潔度要求，從而生產成品零件。這使得一類新的製造部件得以製造，並允許多個加工設置被整合。在某些情況下，先進的混合工藝可以生產出傳統加工工藝完全不可能生產的零件。
具有內部網格和多個壁的複雜部件現在可以在混合AM機器上製造。在許多情況下，這將需要許多步驟和一個複雜的裝配過程與傳統的製造方法。在某些情況下，由於零件的複雜性，在混合機器中心上創建的新零件滿足了以前從未達到的功能要求和新的性能標準。
此外，除了傳統的金屬合金外，下一代混合環境還允許使用新興的新型先進材料。在過去，金屬基AM受到缺乏材料選擇和最終產品材料性能降低的限製。然而，金屬粉末熔化工藝和粉末冶金技術的進步提供了更廣泛的可行金屬合金，可以滿足更廣泛的應用要求。
在傳統的零件製造過程中，材料是從供應商那裏購買具有精確規格和合金含量的材料。混合製造允許製造商創造新的材料配方和合金，以滿足特定的要求。他們可以混合不同的金屬粉末組合，進行實驗來測試金屬合金，適應新的金屬組合，並生產出性能更好的零件，具體到產品要求。
混合機床的軟件將工件的CAD模型切割成薄片，薄片的厚度取決於所用材料的類型。對於金屬，粉末沉積的厚度通常在30微米左右。030毫米)。打印室通常被加熱到材料熔點以下10攝氏度，以確保用於加熱粉末的激光能夠快速熔化，並使整體工藝效率更高。對於金屬，預熱消除了加工過程中的殘餘應力，這些應力在焊接或進一步熱處理時可能導致翹曲。
其他AM類型的機器可以使用電子束而不是激光，因為它們可以產生更多的能量，從而更快地熔化金屬粉末，加快整個過程。也可以使用金屬送絲器，它可以以顯著更快的速度鋪設材料。此外，這些機器可以在室溫下工作，這是加快這一過程的另一個因素。該工藝生產的工件表麵粗糙度較粗，需要進一步加工，但混合機床將解決表麵加工與銑削能力。
今天的新一代混合增材製造設備為製造商提供了最新的增材製造金屬技術，同時保留了減法加工工藝的最佳特性。此外，混合製造超越了目前純增材製造係統的一些限製。混合機器通常使用金屬粉末沉積工藝，而不是許多純AM係統典型的粉末床技術。它在密度和顆粒完整性方麵創造了卓越的材料質量，使零件製造商能夠使用多種金屬粉末並在多個方向上構建結構。然而，應該指出的是，粉末床增材製造工藝機器仍然非常適合零件生產，因為表麵光潔度或其他配合表麵要求不需要大量的減法加工。總的來說，增材製造現在已經達到了一個可以實現量產的階段。
增材製造進入多個行業
增材製造，尤其是混合技術，已經在幾個已經熟悉的行業中建立了立足點，這些行業已經習慣於小批量製造昂貴和複雜的部件。
航空航天和國防製造“全部投入”增材製造
航空航天和國防(A&D)以及類似行業受益於混合增材製造，以小批量生產高度複雜的部件，這些部件要麼對安全至關重要，要麼需要滿足嚴格的法規。增材製造技術在A&D製造環境中效果很好，因為許多零件不需要大規模生產，而且通常需要頻繁的工程更改。在這裏，增材製造通常通過消除對工件鑄件的需要來加速製造過程。采用混合增材製造技術，A&D公司通常能夠將零件生產時間從幾周縮短到幾天;加快整體組裝和交付給客戶的時間。
波音和空中客車等主要機身製造商已經將數千個3d打印部件集成到他們最新的飛機中。新的空客350 XWB包含超過1000個打印部件。空客的主要競爭對手波音公司正在為整個打印部件係統申請專利。這些公司目前正在進行打印大型金屬部件的製造研發，如鈦起落架耳軸配件。這些公司希望顯著降低使用減法加工工藝來生產這些零件的成本。磨去大量的鈦既昂貴又費時。在混合機器上使用極薄層的粉末沉積激光工藝可以生產出比加工大型鑄件具有更好的金屬完整性和整體質量的大型零件。
展望下一代機身的設計和製造，增材製造具有很大的前景，並且似乎是製造未來機身的唯一方法，考慮到繪圖板上的複雜結構。飛機設計師設想了一種非常輕但非常堅固的格狀機身結構，這種結構基於像鳥骨頭這樣的生物結構。這些機身結構將是複雜和不規則的，隻有3D打印將能夠生產這些未來的設計。
增材製造在A&D領域的另一個前景是MRO和備件市場。維修站和其他車隊維護設施將能夠在現場擁有AM混合機器和其他類型的打印機，以根據需要製造零件。這可以減少或消除保持備件庫存的需要。市場研究預測，到2023年，AM在A&D應用中的價值將增長到34.5億美元。
汽車行業采用增材製造技術進行生產
增材製造已經對汽車行業產生了非常重大的影響。汽車公司不僅打印生產零部件，而且在某些情況下，還打印整個單體單元。根據工程要求和功能，使用的材料範圍從碳纖維複合材料到聚合物和金屬合金。雖然汽車行業繼續使用增材製造生產原型，並且已經這樣做了幾十年，但汽車製造商正在越來越多地轉向增材製造生產零件和組件。AM仍然比傳統生產(衝壓、成形、機加工)部件慢，但該工藝在速度和體積能力方麵都在不斷提高。在零件形狀和配置非常複雜並且需要大量工具和多個生產過程的情況下，增材製造為生產這些零件提供了可行的解決方案。增材製造的整體速度雖然比單一的傳統生產工藝步驟慢，但在時間和成本方麵，當傳統零件製造過程涉及多個步驟和昂貴的工具時，增材製造的整體速度遠遠超過補償。
對於汽車行業來說，增材製造支持產品創新。增材製造可以用更少的設計限製生產零件和組件，這些限製通常限製傳統製造過程。這種靈活性使設計師能夠更具創新性，並且在製造具有定製功能的部件時非常有用。這使得添加改進的功能成為可能，例如集成布線束(通過空心結構)，更輕的重量(通過點陣結構)，以及實現使用傳統製造方法無法生產的複雜幾何形狀。
增材製造將改變汽車供應鏈。通過消除對新工具或額外工具的需求，並直接生產最終零件，增材製造將大大縮短整體交貨時間，提高供應鏈效率。作為一種固有的增材製造工藝，增材製造通常隻使用生產零件實際需要的材料。這可以減少廢料，並大大降低材料的使用。am生產的零件和組件以及製造它們的機器可以位於生產和最終裝配線上或附近，並在及時的基礎上提供。這有助於降低場外庫存成本。此外，增材製造可以支持中小批量的分散生產。這使得產品的生產離服務中心更近。
在動力總成製造方麵，汽車製造商可以生產單個鋁合金發動機缸體，這種缸體包含內部形狀和複雜的格子室，這將顯著提高動力性能、燃料消耗，並減輕整體重量。這些先進配置的發動機缸體不能使用傳統的傳輸線工藝生產，這些工藝僅限於銑削、鏜孔和端麵作業。
隨著汽車製造從大規模生產向大規模定製過渡，增材製造將在未來的生產過程中發揮重要作用。生產的每輛車都可以包括任意數量的定製組件。獨特的客戶要求的身體形狀甚至可以打印訂購。同一輛汽車的大量生產將被一條基於客戶配置的定製汽車的汽車生產線所取代。擁有大型複雜生產線的大型工廠將讓位於在許多地點生產定製汽車的小型微型工廠。