3D打印在工业制造领域取得了长足的进展
编辑：深吟秋 来源：思瀚产业研究院 华曙高科    2023-04-11

（1）3D 打印定义

根据国标《增材制造术语》（GB/T35351-2017），增材制造（AdditiveManufacturing；AM）是指以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。三维打印（3Dprinting）是指利用打印头、喷嘴或其他打印技术，通过材料堆积的方式来制造零件或实物的工艺，此术语通常作为增材制造的同义词，又称“3D 打印”。不同于传统制造业通过切削等机械加工方式对材料去除从而成形的“减”材制造，3D 打印通过对材料自下而上逐层叠加的方式，将三维实体变为若干个二维平面，大幅降低了制造的复杂度。

（2）增材制造技术工艺

增材制造技术包含多种工艺类型，国标《增材制造术语》（GB∕T35351-2017）根据增材制造技术的成形原理，将增材制造工艺分成七种基本类别，具体分类情况如下：粉末床熔融（Powder Bed Fusion）、定向能量沉积（Directed EnergyDeposition）、立体光固化（VAT Photopoly merization）、粘结剂喷射（BinderJetting）、材料挤出（MaterialExtrusion）、材料喷射（MaterialJetting）和薄材叠层(Sheet Lamination）。

增材制造技术发展至今，其各主要工艺及技术因具备不同的特点，在不同的产业应用中具备独特的技术价值和发展空间，在航空航天、汽车、医疗、消费及电子产品等领域取得了长足的发展，形成了多种技术路线共存的局面。

随着科技和增材制造行业的发展，增材制造技术的应用场景由早期的零件原型的快速制备，拓展到能够直接制造终端零件应用至使用场景当中，实现由“快速原型”向“快速制造”的转变。增材制造的终端零件性能高度依赖于其制备的设备类型和工艺参数，粉末床熔融工艺因其特定的加工方式而使得零件具备良好的力学性能和尺寸精度，成为工业应用领域中主流的增材制造技术。其中，以激光作为能量源的选区激光熔融（SLM）和选区激光烧结（SLS）工艺因稳定性和技术成熟度较高，在直接制造终端零件的应用场景中具备较突出的价值和优势。

1）选区激光熔融（SLM）

选区激光熔融（SLM）技术使用金属粉末，可选择金属材料范围广泛，包括钛合金、铝合金、高温合金、铜合金、钴铬合金、不锈钢、高强钢、模具钢、难熔金属等，所成型零件表面质量好，内部金相组织致密度高，具有快速凝固的组织特征，具备强韧的机械性能，性能超过铸件接近锻件水平，甚至部分性能可超过锻件水平，能够实现较高的打印精度和极端复杂结构的制造，能够很好地满足终端功能件使用要求。

同时该成形技术可实现复杂产品的敏捷制造，加大程度缩短产品研发制造周期，材料利用率高，设计自由度更高，可实现集成化设计、拓扑优化设计、点阵设计等先进设计手段，综上特点使该技术成为近年来工业级金属增材制造领域的主流技术之一，广泛应用于航空航天、模具、汽车、医疗、科研教育等领域。

2）选区激光烧结（SLS）

选区激光烧结（SLS）技术的优势在于在成形过程中，无需考虑支撑系统，成形结构复杂程度高，能够直接成形高性能的尼龙、TPU 等高性能工程塑料，甚至是特殊属性的特种塑料，材料利用率高，成品用途广泛。成型零件具有较好的机械性能、耐热性能等，能够根据工程应用需求直接使用于终端产品。制造效率高，小批量快速制造优势显著。

随着技术的不断发展，选区激光烧结（SLS）技术的成形效率和成形尺寸持续提升，成本稳步下降，特别是 Flight 等突破性技术的问世，使得选区激光烧结（SLS）技术规模化的生产应用场景得以不断延伸和拓展。

总体而言，选区激光熔融（SLM）与选区激光烧结（SLS）工艺，技术成熟度高，具有取材范围广、制备产品力学及机械性能优良、成形精度高、材料利用率高、可成形结构复杂程度高等显著优势，与公司工业领域终端产品直接制造及批量产业化生产的需求契合度高，是工业领域主流的增材制造技术之一。

（3）3D 打印技术与传统精密加工技术的关系

增材制造技术和传统精密加工技术均是制造业的重要组成部分，目前增材制造加工与传统精密加工相比还存在加工精度、表面粗糙度和可加工材料等方面的差距，但增材制造其全新的技术原理和特点，在多种应用场景具备使用优势：

1）可快速加工成形结构复杂的零件。3D 打印的原理是将三维工件切片以获得二维的轮廓信息，通过叠层的方式实现产品成形。这种加工方式基本不受零件形状的限制，特别在制造内部结构复杂的、传统加工无法完成一体制造的产品方面，具备突出优势。3D 打印能够贴合“设计引导制造”的创意驱动，生产出符合特定消费者需求的产品，从而实现“自由制造”。

2）缩短产品研发周期。3D 打印无需传统工具夹具和多重处理，可在单个设备上快速制造出所需零件，加速产品研发迭代。

3）材料利用率高。传统加工切割的过程会产生大量废料，存在不完整的余料价值折损，材料利用率低，3D 打印根据二维轮廓信息逐层添加材料，按需耗材，材料利用率显著高于传统加工模式，是一种新型环保的绿色制造方式。

4）制造模式优化。3D 打印技术免去了提前制造模具、雇佣众多生产人员，使用庞大机床和复杂的锻造工艺等步骤，便可直接从计算机图形数据中生成复杂结构的产品，具有“去模具、减废料、降库存”的特点。在生产上能够优化结构、节省材料和能源，大幅提高生产效率，降低生产成本，助力实现无人化工厂。

目前，3D 打印在工业制造领域取得了长足的进展，在航空航天、汽车、医疗等领域都有丰富的应用场景，但在大批量制造方面，传统精密加工技术相比 3D打印在效率和成本上更具优势。3D 打印与传统加工方式将长期并存，共同为制造行业提供精细化、自动化、高效化的加工方案。