談到增材制造技術(俗稱3D打印技術)估計很多人并不陌生，但是說到增材制造技術的應用，可能大部分人還只停在以下兩個階段：
1)  原型制造，即通過樹脂、塑料等非金屬材料打印的概念原型與功能原型。其中概念原型用于展示產(chǎn)品設計的整體概念、立體形態(tài)和布局安排，功能原型則用于優(yōu)化產(chǎn)品的設計，促進新產(chǎn)品的開發(fā)，如檢查產(chǎn)品的結構設計，模擬裝配、裝配干涉檢驗等。
2)  間接制造，即通過3D打印技術完成工、模具制造，再采用3D打印工模具進行零件的制造。
殊不知，伴隨著3D打印技術的發(fā)展，特別是金屬3D打印技術近年來取得的進展，增材制造技術的應用已不僅僅局限于快速響應產(chǎn)品的外觀設計，抑或是工藝輔助的間接制造，而是延伸到了金屬功能零件的直接制造。當前，通過金屬增材制造技術制造的金屬材料零部件越來越多的被成功應用于航空航天，國防軍工、醫(yī)療器械、汽車制造、注塑模具等領域。
可以說，金屬增材制造技術在制造行業(yè)具有更廣闊的應用舞臺，是增材制造領域對制造業(yè)來說最有應用價值的先進制造技術。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.成形傳統(tǒng)工藝制造難度大的零件
在制造領域，有些零部件形狀復雜、制備周期長，應用傳統(tǒng)鑄造鍛造工藝生產(chǎn)不出來或損耗較大。而金屬增材制造技術則可以快速制造出滿足要求的零部件，并具有加工周期短、制造成本低、無需工裝和模具等優(yōu)勢。
一個典型的應用就是模具行業(yè)隨形冷卻金屬模具的制造。金屬模具冷卻系統(tǒng)是設計模具工程之一，傳統(tǒng)的模具冷卻系統(tǒng)是以直線的水路設計為主，制作較簡易，但需要的散熱時間較長，直接影響了脫模時間、制品質量、制品外觀等。設計者通過軟件分析模具與水路的散熱情形，設計出了異型水路，但是受到既有加工技術的限制，使得異型水路設計只能停留在理論階段。金屬增材制造技術出現(xiàn)后，使這些問題獲得了突破性改善。據(jù)悉，通過金屬3D打印的異型水路模具設計時間減少了75%、制造端人力節(jié)省了50%、射出模具生產(chǎn)周期縮短了14%、制造費用降低了16%等。

傳統(tǒng)的冷卻金屬模具與隨形冷卻金屬模具對比

另外，江蘇科技大學海洋裝備研究院通過金屬增材制造SLM工藝，成功制造出了原本只有英國Heatri一家公司才能生產(chǎn)出來的印刷版式LNG汽化器，而且采用增材制造技術制備的船用LNG汽化器能夠完全滿足超高壓、超低溫的運行條件，制造成本和周期也大幅減少。還包括剛剛首飛成功的國產(chǎn)大飛機C919，在北航、西安鉑力特等院企的攻克下，通過金屬增材制造技術成功研制出了鈦合金主風擋整體窗框、起落架整體支撐框、中央翼緣條等關鍵部件，有效避免了從國外采購，大大提高了C919的國產(chǎn)化率。

2.制備高成本材料零件
金屬材料是制造領域必不可少的重要材料，但是在實際的加工過程中，卻存在著不少問題，例如鈦合金、高溫合金、超高強度鋼等材料難加工、加工成本高、材料利用率低，加工周期長等。金屬增材制造技術所采用的激光、電子等高能束密度高，速度快，極大的改善了金屬材料的加工難度，并提高了材料利用率及降低了原材料成本。
以金屬增材制造技術應用最早和最廣泛的航空航天行業(yè)為例。航空航天基于高性能需求，需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。但零件的材料利用率非常低，一般低于10%，有時甚至于僅為2%-5%，大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑。
美國最大的航空發(fā)動機制造公司之一普惠公司應用增材制造技術用于發(fā)動機的鎳基合金和鈦合金部件的研制，結果顯示：不但獲得了與當前材料一致的性能，大大縮短了制造周期，提升了復雜幾何結構的制造精度;而且原材料消耗降低了50%，并將發(fā)動機的BTF比(原材料質量與部件最終質量之比)從傳統(tǒng)工藝的20:1降低到2:1以下，有效的提高了部件的質量和降低了制造成本。

3.快速成形小批量非標件
3D打印非常適合個性化定制生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)。當前，金屬增材制造的個性化制造在醫(yī)療器械的應用極為突出，一方面用于打印具有個性化需求的植入物/假體或模仿仿生原理的復雜結構。這些植入物通過3D打印技術的精確控制，有效實現(xiàn)外在輪廓及內部結構的同步重建，以滿足其與患者局部解剖結構的高度匹配，其中具有生物相容性的鈦合金材料是重要的加工材料，打印出來的多孔結構植入物，可以更好的與人體組織結合。另一方面，金屬增材制造技術還可用于為病人量身定做植入手術所需的精密部件，例如華南理工大學利用激光選區(qū)熔化技術(SLM)已成功研制了外科手術所需的個性化輔助導板。

金屬3D 打印個性化醫(yī)療器械

個性化、小批量生產(chǎn)已經(jīng)成為當前制造業(yè)發(fā)展的趨勢，金屬3D打印擺脫了模具制造這一關鍵技術環(huán)節(jié)，可以隨時調整參數(shù)，以更低的成本更短的周期進行小批量甚至單件產(chǎn)品的生產(chǎn)。除了醫(yī)療器械行業(yè)，在其他行業(yè)也極具應用潛力。

4.高性能成形修復受損零件
高成本零件的成形修復也是金屬增材制造技術的突出優(yōu)勢。過去，對于受損零部件只能做表面的涂層修復，并且維修工序步驟繁多，還涉及到一些額外的步驟如加工、拋光、測試等，同時還受維修時限條件的制約，耗時較長;而對于損傷稍嚴重的零部件也只能作更換處理。金屬增材制造技術則可以對任意缺失或損環(huán)的部分進行快速成形和修復。
例如航空航天零件結構復雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體換掉，可能造成數(shù)十萬、上百萬元損失。而通過金屬3D打印技術，可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復后的性能不受影響，大大延長了使用壽命，降低了成本，減少了停機時間。

德國MTU 航空發(fā)動機公司整體葉盤激光修復過程流程

其實除了航空航天領域外，機械、能源、船舶、模具等行業(yè)也對大型裝備的高性能快速修復提出了迫切需求。據(jù)悉，西門子公司計劃從2014年開始采用金屬3D打印技術制造和修復燃氣輪機的某些金屬零部件，并稱在某些情況下，通過3D打印技術可以把對渦輪燃燒器的修理時間從44周縮減為4周。

5.異質材料的組合制造
對于傳統(tǒng)制造方式(鑄造、鍛造等)來講，將不同材料組合成單一產(chǎn)品非常困難，但是增材制造技術有能力使不同原材料進行組合制造。金屬增材制造LSF技術可以在通過鑄造、鍛造和機械加工等傳統(tǒng)技術制造出來的零件上任意添加同/異質材料的精細結構，并且使其具有與整體制造相當?shù)牧W性能。因此，針對部分工業(yè)零件適當利用增材制造技術進行組合制造，不同的結構部位采用不同類別的金屬材料，不僅大大提高結構件的性能，而且降低了成本，特別是昂貴材料的成本。同時，也把增材制造技術成型復雜精細結構的優(yōu)勢與傳統(tǒng)制造技術高精度本的優(yōu)勢結合起來，形成了最佳的制造策略。

組合制造

6.結合拓撲優(yōu)化的輕量化制造
增材制造技術快速自由成型的特點，給產(chǎn)品的設計帶來了無限的創(chuàng)新空間，為實現(xiàn)最優(yōu)化的設計提供了有效的制造途徑。特別是當前應用得比較多的拓撲優(yōu)化技術，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗式設計模式不同，經(jīng)過拓撲優(yōu)化的創(chuàng)新模型是在滿足設計約束下的最優(yōu)拓撲結構。但是優(yōu)化后創(chuàng)新模型結構十分復雜，可制造性差，因此在設計階段不得不引入制造性約束，以滿足傳統(tǒng)加工制造工藝的要求。往往這樣得到的產(chǎn)品結構是犧牲掉了其在輕量化和高性能上的優(yōu)勢。而金屬增材制造技術則可以使這些經(jīng)拓撲優(yōu)化后的創(chuàng)新模型，不用考慮制造約束并快速實現(xiàn)制造。
例如空客A320飛機的大尺寸“仿生”機艙隔離結構，這一結構是通過拓撲優(yōu)化設計，金屬3D打印制造而成，材料是采用的超強且輕質合金材料Scalmalloy。A320全新的機艙設計與原有的隔離結構相比，新型的仿生隔離結構由幾個不同的部件組成，不僅強度更高，而且將其總量減輕了45%。
另外，GE采用增材制造技術制造的Leap噴氣發(fā)動機的金屬燃料噴嘴，是通過長達10多年的探索通過不斷的優(yōu)化、測試、再優(yōu)化，才達到零件數(shù)量從20多個減少到了一個。這樣造出的燃油噴嘴不僅重量更輕，而且改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，將噴油嘴的使用壽命提高了5倍;另外，減少組裝也提升了噴嘴的穩(wěn)定性，并為公司降低了物流、組裝、焊接等方面的成本。

GE的Leap噴氣發(fā)動機的金屬燃料噴嘴

后記
增材制造技術改變了傳統(tǒng)的制造方式，為復雜金屬結構功能件的直接制造提供了新思路，對于制造業(yè)而言有著廣闊的應用前景。未來金屬3D打印機將會越來越多的取代部分傳統(tǒng)加工制造設備，但是增材制造技術也有其缺陷與不足，并不能完全取代減材制造，而是并列互補的關系。
當前，大部分的制造企業(yè)對于增材制造，特別是金屬增材制造還只停留在觀望的階段，或者僅僅應用于新產(chǎn)品的快速開發(fā)諸如原型看樣、對設計裝配進行驗證以及非金屬模具成形等方面。筆者希望通過以上金屬增材制造應用場景的總結，為企業(yè)進一步推進此技術帶來啟發(fā)，找到增材制造與傳統(tǒng)制造方式的契合點，并有效的嵌入到現(xiàn)有的生產(chǎn)模式中。

   談到增材制造技術(俗稱3D打印技術)估計很多人并不陌生，但是說到增材制造技術的應用，可能大部分人還只停在以下兩個階段：
1)  原型制造，即通過樹脂、塑料等非金屬材料打印的概念原型與功能原型。其中概念原型用于展示產(chǎn)品設計的整體概念、立體形態(tài)和布局安排，功能原型則用于優(yōu)化產(chǎn)品的設計，促進新產(chǎn)品的開發(fā)，如檢查產(chǎn)品的結構設計，模擬裝配、裝配干涉檢驗等。
2)  間接制造，即通過3D打印技術完成工、模具制造，再采用3D打印工模具進行零件的制造。
殊不知，伴隨著3D打印技術的發(fā)展，特別是金屬3D打印技術近年來取得的進展，增材制造技術的應用已不僅僅局限于快速響應產(chǎn)品的外觀設計，抑或是工藝輔助的間接制造，而是延伸到了金屬功能零件的直接制造。當前，通過金屬增材制造技術制造的金屬材料零部件越來越多的被成功應用于航空航天，國防軍工、醫(yī)療器械、汽車制造、注塑模具等領域。
可以說，金屬增材制造技術在制造行業(yè)具有更廣闊的應用舞臺，是增材制造領域對制造業(yè)來說最有應用價值的先進制造技術。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.成形傳統(tǒng)工藝制造難度大的零件
在制造領域，有些零部件形狀復雜、制備周期長，應用傳統(tǒng)鑄造鍛造工藝生產(chǎn)不出來或損耗較大。而金屬增材制造技術則可以快速制造出滿足要求的零部件，并具有加工周期短、制造成本低、無需工裝和模具等優(yōu)勢。
一個典型的應用就是模具行業(yè)隨形冷卻金屬模具的制造。金屬模具冷卻系統(tǒng)是設計模具工程之一，傳統(tǒng)的模具冷卻系統(tǒng)是以直線的水路設計為主，制作較簡易，但需要的散熱時間較長，直接影響了脫模時間、制品質量、制品外觀等。設計者通過軟件分析模具與水路的散熱情形，設計出了異型水路，但是受到既有加工技術的限制，使得異型水路設計只能停留在理論階段。金屬增材制造技術出現(xiàn)后，使這些問題獲得了突破性改善。據(jù)悉，通過金屬3D打印的異型水路模具設計時間減少了75%、制造端人力節(jié)省了50%、射出模具生產(chǎn)周期縮短了14%、制造費用降低了16%等。

傳統(tǒng)的冷卻金屬模具與隨形冷卻金屬模具對比

另外，江蘇科技大學海洋裝備研究院通過金屬增材制造SLM工藝，成功制造出了原本只有英國Heatri一家公司才能生產(chǎn)出來的印刷版式LNG汽化器，而且采用增材制造技術制備的船用LNG汽化器能夠完全滿足超高壓、超低溫的運行條件，制造成本和周期也大幅減少。還包括剛剛首飛成功的國產(chǎn)大飛機C919，在北航、西安鉑力特等院企的攻克下，通過金屬增材制造技術成功研制出了鈦合金主風擋整體窗框、起落架整體支撐框、中央翼緣條等關鍵部件，有效避免了從國外采購，大大提高了C919的國產(chǎn)化率。

2.制備高成本材料零件
金屬材料是制造領域必不可少的重要材料，但是在實際的加工過程中，卻存在著不少問題，例如鈦合金、高溫合金、超高強度鋼等材料難加工、加工成本高、材料利用率低，加工周期長等。金屬增材制造技術所采用的激光、電子等高能束密度高，速度快，極大的改善了金屬材料的加工難度，并提高了材料利用率及降低了原材料成本。
以金屬增材制造技術應用最早和最廣泛的航空航天行業(yè)為例。航空航天基于高性能需求，需要大量使用鈦合金和鎳基超合金等昂貴的高性能、難加工的金屬材料。但零件的材料利用率非常低，一般低于10%，有時甚至于僅為2%-5%，大量昂貴的金屬材料變成了難以再利用的廢屑。
美國最大的航空發(fā)動機制造公司之一普惠公司應用增材制造技術用于發(fā)動機的鎳基合金和鈦合金部件的研制，結果顯示：不但獲得了與當前材料一致的性能，大大縮短了制造周期，提升了復雜幾何結構的制造精度;而且原材料消耗降低了50%，并將發(fā)動機的BTF比(原材料質量與部件最終質量之比)從傳統(tǒng)工藝的20:1降低到2:1以下，有效的提高了部件的質量和降低了制造成本。

3.快速成形小批量非標件
3D打印非常適合個性化定制生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)。當前，金屬增材制造的個性化制造在醫(yī)療器械的應用極為突出，一方面用于打印具有個性化需求的植入物/假體或模仿仿生原理的復雜結構。這些植入物通過3D打印技術的精確控制，有效實現(xiàn)外在輪廓及內部結構的同步重建，以滿足其與患者局部解剖結構的高度匹配，其中具有生物相容性的鈦合金材料是重要的加工材料，打印出來的多孔結構植入物，可以更好的與人體組織結合。另一方面，金屬增材制造技術還可用于為病人量身定做植入手術所需的精密部件，例如華南理工大學利用激光選區(qū)熔化技術(SLM)已成功研制了外科手術所需的個性化輔助導板。

金屬3D 打印個性化醫(yī)療器械

個性化、小批量生產(chǎn)已經(jīng)成為當前制造業(yè)發(fā)展的趨勢，金屬3D打印擺脫了模具制造這一關鍵技術環(huán)節(jié)，可以隨時調整參數(shù)，以更低的成本更短的周期進行小批量甚至單件產(chǎn)品的生產(chǎn)。除了醫(yī)療器械行業(yè)，在其他行業(yè)也極具應用潛力。

4.高性能成形修復受損零件
高成本零件的成形修復也是金屬增材制造技術的突出優(yōu)勢。過去，對于受損零部件只能做表面的涂層修復，并且維修工序步驟繁多，還涉及到一些額外的步驟如加工、拋光、測試等，同時還受維修時限條件的制約，耗時較長;而對于損傷稍嚴重的零部件也只能作更換處理。金屬增材制造技術則可以對任意缺失或損環(huán)的部分進行快速成形和修復。
例如航空航天零件結構復雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體換掉，可能造成數(shù)十萬、上百萬元損失。而通過金屬3D打印技術，可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復后的性能不受影響，大大延長了使用壽命，降低了成本，減少了停機時間。

德國MTU 航空發(fā)動機公司整體葉盤激光修復過程流程

其實除了航空航天領域外，機械、能源、船舶、模具等行業(yè)也對大型裝備的高性能快速修復提出了迫切需求。據(jù)悉，西門子公司計劃從2014年開始采用金屬3D打印技術制造和修復燃氣輪機的某些金屬零部件，并稱在某些情況下，通過3D打印技術可以把對渦輪燃燒器的修理時間從44周縮減為4周。

5.異質材料的組合制造
對于傳統(tǒng)制造方式(鑄造、鍛造等)來講，將不同材料組合成單一產(chǎn)品非常困難，但是增材制造技術有能力使不同原材料進行組合制造。金屬增材制造LSF技術可以在通過鑄造、鍛造和機械加工等傳統(tǒng)技術制造出來的零件上任意添加同/異質材料的精細結構，并且使其具有與整體制造相當?shù)牧W性能。因此，針對部分工業(yè)零件適當利用增材制造技術進行組合制造，不同的結構部位采用不同類別的金屬材料，不僅大大提高結構件的性能，而且降低了成本，特別是昂貴材料的成本。同時，也把增材制造技術成型復雜精細結構的優(yōu)勢與傳統(tǒng)制造技術高精度本的優(yōu)勢結合起來，形成了最佳的制造策略。

組合制造

6.結合拓撲優(yōu)化的輕量化制造
增材制造技術快速自由成型的特點，給產(chǎn)品的設計帶來了無限的創(chuàng)新空間，為實現(xiàn)最優(yōu)化的設計提供了有效的制造途徑。特別是當前應用得比較多的拓撲優(yōu)化技術，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗式設計模式不同，經(jīng)過拓撲優(yōu)化的創(chuàng)新模型是在滿足設計約束下的最優(yōu)拓撲結構。但是優(yōu)化后創(chuàng)新模型結構十分復雜，可制造性差，因此在設計階段不得不引入制造性約束，以滿足傳統(tǒng)加工制造工藝的要求。往往這樣得到的產(chǎn)品結構是犧牲掉了其在輕量化和高性能上的優(yōu)勢。而金屬增材制造技術則可以使這些經(jīng)拓撲優(yōu)化后的創(chuàng)新模型，不用考慮制造約束并快速實現(xiàn)制造。
例如空客A320飛機的大尺寸“仿生”機艙隔離結構，這一結構是通過拓撲優(yōu)化設計，金屬3D打印制造而成，材料是采用的超強且輕質合金材料Scalmalloy。A320全新的機艙設計與原有的隔離結構相比，新型的仿生隔離結構由幾個不同的部件組成，不僅強度更高，而且將其總量減輕了45%。
另外，GE采用增材制造技術制造的Leap噴氣發(fā)動機的金屬燃料噴嘴，是通過長達10多年的探索通過不斷的優(yōu)化、測試、再優(yōu)化，才達到零件數(shù)量從20多個減少到了一個。這樣造出的燃油噴嘴不僅重量更輕，而且改善了噴油嘴容易過熱和積碳的問題，將噴油嘴的使用壽命提高了5倍;另外，減少組裝也提升了噴嘴的穩(wěn)定性，并為公司降低了物流、組裝、焊接等方面的成本。

GE的Leap噴氣發(fā)動機的金屬燃料噴嘴

后記
增材制造技術改變了傳統(tǒng)的制造方式，為復雜金屬結構功能件的直接制造提供了新思路，對于制造業(yè)而言有著廣闊的應用前景。未來金屬3D打印機將會越來越多的取代部分傳統(tǒng)加工制造設備，但是增材制造技術也有其缺陷與不足，并不能完全取代減材制造，而是并列互補的關系。
當前，大部分的制造企業(yè)對于增材制造，特別是金屬增材制造還只停留在觀望的階段，或者僅僅應用于新產(chǎn)品的快速開發(fā)諸如原型看樣、對設計裝配進行驗證以及非金屬模具成形等方面。筆者希望通過以上金屬增材制造應用場景的總結，為企業(yè)進一步推進此技術帶來啟發(fā)，找到增材制造與傳統(tǒng)制造方式的契合點，并有效的嵌入到現(xiàn)有的生產(chǎn)模式中。