增材制造的历史和未来发展方向

忘掉那些简陋的原型和塑料模型吧。如今的增材制造技术不仅能够制造火箭发动机，还能修复古代文物，甚至在太空中打印人类组织。

数千年前始于简单黏土结构的工艺，已演变为由人工智能（AI）驱动的精密控制系统，有望彻底改变我们设计和制造几乎所有事物的方式。

凭借灵活性、快速交付、材料利用率高以及无需频繁更换模具，3D打印近年来备受青睐。随着全球供应链面临地缘政治变化和材料短缺等因素的持续压力，增材制造提供了一种实现生产本地化、缩短交货周期并更快响应市场需求的解决方案。例如，企业可以在本地生产和交付零部件，从而实现更快的交付周期和提高客户满意度。新的软件、材料和方法，加上AI和机器学习（ML）的进步，进一步提升了现代增材制造的能力。

本文简要回顾了增材制造的历史和3D打印的兴起，并讨论了几种现代3D打印技术，以及一些正在研发中的创新技术。

增材制造的基础

增材制造起源于史前时代，早期的例子包括陶器、泥砖建筑、石雕、金属加工和玻璃制作。这些工艺利用热量、水分和简单的化学反应，手工将材料一层层结合——与现代技术在原理上相似，但不依赖机械设备。后来，玻璃纤维等材料以及多部件注塑成型、多材料铸造和焊接等技术推动了这一概念的发展，并催生了更具规模的生产方法。

在电子领域，增材制造原理通过电路板的层压工艺和半导体制造中的精密材料沉积技术找到了新应用。

这些技术为后续发展奠定了基础，但过去几十年间，自动化、机器人技术和数字工具的融合推动我们进入了全新时代。这催生了如今被称为3D打印的增材制造方法，它能够快速、精准地逐层构建复杂零部件，其复杂度已远超传统制造方式。

现代增材制造

自动化和机器人技术的进步推动了传统增材制造方法（如焊接）的进步。然而，直到过去二十年左右，金属、陶瓷和塑料的增材制造才取得重大突破。这些突破与机器人系统的兴起共同催生了当今广泛应用的3D打印方法。

3D打印技术在制造业中独具优势，因为它能将物体的3D模型转化为计算机数控（CNC）机床可执行的系列指令。机器通过这些指令逐步沉积或构建材料，终而形成物体。在某些情况下，3D打印可能需要后处理工序以完成部件，例如烧结（适用于部分陶瓷或金属）、紫外线固化（UV固化，适用于树脂基系统）或某些清理流程。

目前，多种3D打印技术已被应用于家庭、实验室和工厂。以下常见方法各有优势，可满足不同材料、速度或应用需求：

熔融长丝制造（FFF，也称为熔融沉积建模（FDM））：熔化的塑料通过喷嘴挤出，逐层构建零部件。这种方法为原型制作和小批量生产提供了一种经济实惠的解决方案。

立体光固化（SLA）和数字光处理（DLP）：紫外光固化液态树脂形成固体部件。这些工艺以高分辨率和光滑表面著称。

选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化（SLM）：激光将粉末材料（如塑料或金属）逐层熔化。该工艺常用于工业应用，对强度和细节要求较高。

粘合剂喷射：将粘合剂喷洒到粉末床上以形成零部件。这种方法通常用于金属和陶瓷零部件的大规模生产。

体积增材制造（VAM）：将体积光图案应用于光敏树脂中，以同时构建多个零部件。这种方法比分层工艺更快，且不需要支撑结构。

液态金属喷射（LMJ）：通过喷射熔融金属直接成型零部件，无需使用金属粉末或构建平台。这是一种新兴的工艺，有望降低成本和复杂性。

超声波增材制造（UAM）：超声波振动将金属层结合在一起。这种方法对于结合不同的金属非常有用，并且在航空航天应用中具有重要价值。

双光子聚合（2PP）：利用高精度激光在纳米级别固化树脂。2PP技术广泛应用于微结构和生物医学设备制造。

3D生物打印：通过沉积生物材料或生物墨水层构建类似组织结构。该工艺在再生医学研究中应用广泛。

此外，以下类别统指多种方法：

粉末床熔融：这是指基于激光方法（如SLS和SLM）的统称，这些方法通过熔融粉末材料来成型。

槽式光聚合：这是SLA和DLP等方法的总称，这些方法通过在槽中用光固化树脂来制造零部件。

VAM、LMJ和2PP等新方法通过提高速度、减少后处理或提升分辨率水平，克服了早期方法的局限性。每种方法都扩展了可打印物体的范围和方式。

3D打印技术吸引了各规模制造专业人士、爱好者、客户及初创企业。早期技术如FDM和SLA因其优势迅速普及，随后工业级解决方案如SLS应运而生。3D打印的普及推动了周边技术研发投入，这一探索进程催生了众多新型3D打印技术与材料。

增材制造的未来发展方向

随着增材制造技术的不断成熟，行业正探索3D打印的真正潜力，包括更智能的设计、新型材料以及生物制造领域的突破。

受自然启发的材料

仿生学是一种设计方法，指导开发能够模仿骨骼或珊瑚等自然结构的可打印结构，实现强度与轻量化的一体化设计。为降低3D打印对环境的影响，研究人员正在测试可持续材料，如木材、天然纤维和矿物，甚至在文物修复中替代象牙。此外，真菌的菌丝体也被视为一种“生长型”3D打印材料，有望取代混凝土等不可持续的建筑材料。

研究人员还在开发将废物转化为可用聚合物或复合材料的方法，减少填埋影响的同时保持有用的结构特性。在食品和生物制造领域，3D打印技术已被应用于巧克力、糖、合成动物蛋白、真实动物蛋白的制造，甚至用于构建人类器官替代品。

更智能的软件与AI/ML优化

如今已有多种软件工具可用于模拟3D打印过程，帮助用户在打印开始前提升可靠性、一致性和效率。这些工具能够预测零部件可能出现的变形或失效，从而减少浪费并加快设计流程。一些软件更进一步，借助人工智能和机器学习实现参数自动调优，显著降低对操作人员的依赖。

电纺丝和生物制造

电纺丝是一种利用电场从液体聚合物中产生极细纤维的工艺。在医疗领域，电纺丝与3D生物打印相结合，创造出支持组织再生的纳米纤维支架。这些精细结构与活体组织兼容，为伤口愈合、再生医学和药物递送开辟新疗法。图2展示了该技术的一个应用案例，即在国际空间站上成功制造了3D打印的人类膝关节半月板。

混合制造与金属扩展

过去二十年间，冶金技术不断突破，成功开发出多种专为3D打印技术优化的金属粉末，在强度、热稳定性和可打印性方面提供了更丰富的选择。其中一种方法是定向能量沉积（DED），与基于挤出的打印技术不同，DED利用激光、等离子弧或电子束直接熔化并沉积金属，从而实现零部件的精准修复或多阶段构建。

DED还能向现有零部件添加材料，使其成为结合增材与减材技术的混合制造流程的理想选择。DED和UAM等方法还可实现异种金属的连接，这在航空航天及高性能环境中至关重要，因这些领域的零部件需承受极端条件。DED与FFM及其他材料沉积方法类似，区别在于其不通过在喷嘴内加热材料或使用可固化材料或自固化材料，而是利用激光、等离子弧、电子束或其他定向能量源熔化或融合被输送或沉积到目标区域的材料。

由于DED和UAM既能向现有零部件添加材料，又能连接不同金属，因此它们非常适合多阶段制造、零部件修复以及航空航天或极端环境中的高性能应用。

这些技术进步正将3D打印从原型制作工具转变为更智能、更适应现代生产需求的制造平台。美国国家航空航天局（NASA）的“快速分析与制造推进技术”（RAMPT）项目（图3）等举措，凸显了增材制造创新的加速步伐及其在高性能工程未来中日益重要的作用。

结论

增材制造是一种历史悠久的强大制造方法，可用于生产从大型建筑到微型生物医学植入物的各种零部件和结构。借助更智能的工具、更好的材料以及混合金属修复、纳米纤维生物制造和人工智能驱动的优化等新兴工艺，3D打印正演变为现代制造格局中不可或缺的一部分。

其减少浪费、加速设计迭代以及支持复杂或本地化生产的能力，正在重塑航空航天和医疗等行业的产品开发模式。

尽管仍面临挑战，但本文探讨的创新成果表明，增材制造正稳步从实验阶段过渡，逐渐成为应对当下需求与未来可能性的关键解决方案组成部分。