增材制造的優(yōu)勢(shì)

增材制造大大簡化了供應(yīng)鏈。在小規(guī)模操作中，它與計(jì)算機(jī)和3D打印機(jī)一樣重要，可以大大縮短制造過程的時(shí)間，你幾乎可以創(chuàng)建各種尺寸的幾何形狀，從可以在幾小時(shí)內(nèi)打印的小物體到需要數(shù)天才能完成的設(shè)計(jì)。正是這種靈活性真正使增材制造受益。

此外，雖然小批量減法制造并不劃算，但少量增材制造就可以了，你可以打印單個(gè)對(duì)象，也可以按比例放大。實(shí)際上，增材制造的一個(gè)很好的例子是NASA對(duì)3D打印航天器零件的使用在軌道上組裝的，通常，宇宙飛船所需的零件是非常特定的，并且以更傳統(tǒng)的減法制造方法來打印它們并不劃算。然而，增材制造允許按需印刷特殊零件。

增材制造的缺點(diǎn)

但是增材制造并不完美。盡管小批量生產(chǎn)更可行，但擴(kuò)大規(guī)模對(duì)于增材制造可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。它可以實(shí)現(xiàn)，但不能以減法制造實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模化的速度來實(shí)現(xiàn)，有質(zhì)量保證。通常，增材制造需要后處理，范圍從小到大。另一方面，減法制造需要很少的后處理。

增材制造是一個(gè)徹底的游戲規(guī)則改變者。與傳統(tǒng)的減法制造工藝相比，這是一種經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)解決方案，適用于較小的物品。通過將供應(yīng)鏈動(dòng)態(tài)減少到幾乎PC和3D打印機(jī)，從構(gòu)思到生產(chǎn)的速度要快得多。但是，存在局限性，尤其是在擴(kuò)大規(guī)模時(shí)。在增材制造中，創(chuàng)建大量產(chǎn)品可能很困難，因?yàn)楹筇幚砜赡軙?huì)占用大量人力。但這不僅僅是利用增材制造的初創(chuàng)企業(yè)。NASA等主要的工業(yè)企業(yè)已采用3D打印作為以合理的成本生成定制項(xiàng)目的方法?？傮w而言，增材制造可能是原型的未來。

增材制造的應(yīng)用

以激光束、電子束、等離子或離子束為熱源，加熱材料使之結(jié)合、直接制造零件的方法，稱為高能束流快速制造，是增材制造領(lǐng)域的重要分支，在工業(yè)領(lǐng)域最為常見。

在航空航天工業(yè)的增材制造技術(shù)領(lǐng)域，金屬、非金屬或金屬基復(fù)合材料的高能束流快速制造是當(dāng)前發(fā)展最快的研究方向。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，增材制造經(jīng)歷了從萌芽到產(chǎn)業(yè)化、從原型展示到零件直接制造的過程，發(fā)展十分迅猛。美國專門從事增材制造技術(shù)咨詢服務(wù)的Wohlers協(xié)會(huì)在2012年度報(bào)告中，對(duì)各行業(yè)的應(yīng)用情況進(jìn)行了分析。在過去的幾年中，航空零件制造和醫(yī)學(xué)應(yīng)用是增長最快的應(yīng)用領(lǐng)域。2012年產(chǎn)能規(guī)模將增長25%至21.4億美元，2019年將達(dá)到60億美元。增材制造技術(shù)正處于發(fā)展期，具有旺盛的生命力，還在不斷發(fā)展；隨著技術(shù)發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也將越來越廣泛。

航空領(lǐng)域應(yīng)用高速、高機(jī)動(dòng)性、長續(xù)航能力、安全高效低成本運(yùn)行等苛刻服役條件對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料和制造提出了更高要求。輕量化、整體化、長壽命、高可靠性、結(jié)構(gòu)功能一體化以及低成本運(yùn)行成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用和制造技術(shù)共同面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，這取決于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)材料和現(xiàn)代制造技術(shù)的進(jìn)步與創(chuàng)新。

首先，增材制造技術(shù)能夠滿足航空武器裝備研制的低成本、短周期需求。隨著技術(shù)的進(jìn)步，為了減輕機(jī)體重量，提高機(jī)體壽命，降低制造成本，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中大型整體金屬構(gòu)件的使用越來越多。大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)制造技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代飛機(jī)制造工藝先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。美國F-22后機(jī)身加強(qiáng)框、F-14和“狂風(fēng)”的中央翼盒均采用了整體鈦合金結(jié)構(gòu)。大型金屬結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)制造方法是鍛造再機(jī)械加工，但能用于制造大型或超大型金屬鍛坯的裝備較為稀缺，高昂的模具費(fèi)用和較長的制造周期仍難滿足新型號(hào)的快速低成本研制的需求；另外，一些大型結(jié)構(gòu)還具有復(fù)雜的形狀或特殊規(guī)格，用鍛造方法難以制造。而增量制造技術(shù)對(duì)零件結(jié)構(gòu)尺寸不敏感，可以制造超大、超厚、復(fù)雜型腔等特殊結(jié)構(gòu)。除了大型結(jié)構(gòu)，還有一些具有極其復(fù)雜外形的中小型零件，如帶有空間曲面及密集復(fù)雜孔道結(jié)構(gòu)等，用其他方法很難制造，而用高能束流選區(qū)制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)零件的凈成形，僅需拋光即可裝機(jī)使用。傳統(tǒng)制造行業(yè)中，單件、小批量的超規(guī)格產(chǎn)品往往成為制約整機(jī)生產(chǎn)的瓶頸，通過增量制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)以相對(duì)較低的成本提供這類產(chǎn)品。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國大型航空鈦合金零件的材料利用率非常低，平均不超過10 %；同時(shí)，模鍛、鑄造還需要大量的工裝模具，由此帶來研制成本的上升。通過高能束流增量制造技術(shù)，可以節(jié)省材料三分之二以上，數(shù)控加工時(shí)間減少一半以上，同時(shí)無須模具，從而能夠?qū)⒀兄瞥杀居绕涫鞘准?、小批量的研制成本大大降低，?jié)省國家寶貴的科研經(jīng)費(fèi)。

通過大量使用基于金屬粉末和絲材的高能束流增材制造技術(shù)生產(chǎn)飛機(jī)零件，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的整體化，降低成本和周期，達(dá)到“快速反應(yīng)，無模敏捷制造”的目的。隨著我國綜合國力的提升和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國經(jīng)濟(jì)體已經(jīng)處于世界經(jīng)濟(jì)體前列，與發(fā)達(dá)國家的一樣，保證研制速度、加快裝備更新速度，急需要這種新型無模敏捷制造技術(shù)——金屬結(jié)構(gòu)快速成形直接制造技術(shù)。

其次，增材制造技術(shù)有助于促進(jìn)設(shè)計(jì)-生產(chǎn)過程從平面思維向立體思維的轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)制造思維是先從使用目的形成三維構(gòu)想，轉(zhuǎn)化成二維圖紙，再制造成三維實(shí)體。在空間維度轉(zhuǎn)換過程中，差錯(cuò)、干涉、非最優(yōu)化等現(xiàn)象一直存在，而對(duì)于極度復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)，無論是三維構(gòu)想還是二維圖紙化已十分困難。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）為三維構(gòu)想提供了重要工具，但虛擬數(shù)字三維構(gòu)型仍然不能完全推演出實(shí)際結(jié)構(gòu)的裝配特性、物理特征、運(yùn)動(dòng)特征等諸多屬性。采用增量制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)、三維檢驗(yàn)與優(yōu)化，甚至三維直接制造，可以擺脫二維制造思想的束縛，直接面向零件的三維屬性進(jìn)行設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，大大簡化設(shè)計(jì)流程，從而促進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)更新與性能優(yōu)化。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者既要考慮結(jié)構(gòu)與功能，還要考慮制造工藝，增材制造的最終目標(biāo)是解放零件制造對(duì)設(shè)計(jì)者的思想束縛，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師將精力集中在如何更好實(shí)現(xiàn)功能的優(yōu)化，而非零件的制造上。在以往的大量實(shí)踐中，利用增量制造技術(shù)，快速準(zhǔn)確地制造并驗(yàn)證設(shè)計(jì)思想在飛機(jī)關(guān)鍵零部件的研制過程中已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用。另一個(gè)重要的應(yīng)用是原型制造，即構(gòu)建模型，用于設(shè)計(jì)評(píng)估，例如風(fēng)洞模型，通過增材制造迅速生產(chǎn)出模型，可以大大加快“設(shè)計(jì)-驗(yàn)證”迭代循環(huán)。

再次，增材制造技術(shù)能夠改造現(xiàn)有的技術(shù)形態(tài)，促進(jìn)制造技術(shù)提升。利用增量制造技術(shù)提升現(xiàn)有制造技術(shù)水平的典型的應(yīng)用是鑄造行業(yè)。利用快速原型技術(shù)制造蠟?zāi)？梢詫⑸a(chǎn)效率提高數(shù)十倍，而產(chǎn)品質(zhì)量和一致性也得到大大提升；利用快速制模技術(shù)可以三維打印出用于金屬制造的砂型，大大提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量。在鑄造行業(yè)采用增量制造快速制模已漸成趨勢(shì)。
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