增材制造技术在不同领域的应用（增材制造技术应用的案例分享）

在增材制造技术应用市场中，航空航天、生物医疗、汽车制造等领域占据了前几位，下表1中列出了一部分应用实例。航空航天领域，增材制造由于其独特的应用优势，可满足高精度、复杂形状、小批量的生产要求，正在成为此领域中广泛使用的技术。生物医疗是另一个重要领域，目前已成功应用的产品包括颅骨植入物、牙冠、牙套、助听器等。汽车制造领域，增材制造技术为车身轻量化、灵活性设计与生产提供了全新的方向。文化创意领域，除装饰品、工艺品外，还逐步应用到更多细分领域中，如比利时Materialise公司利用3D打印技术生产的时装，具有复杂的几何图案和独特材质。

表1 增材制造部分实例

航空领域

空客、德国利勃海尔、开姆尼茨工业大学等机构研发的3D打印飞机扰流板液压歧管以Ti64钛合金为材料，使用SLM技术制造，与其他液压零件装配在一起，实现液压系统性能提升和飞机燃油效率优化。装载了首个增材制造液压件的A380飞机已试飞成功。空客公司还实现了其ULTEM 9085增材制造材料的标准化，并可将其用于A350 XWB飞机飞行零件的生产中。

美国Optomec Design公司将LSF技术应用于美国海军飞机发动机零件的磨损修复，实现了已失效零件的快速、低成本再生制造。

西安铂力特利用SLM技术，解决了随形内流道、复杂薄壁、镂空减重、复杂内腔、多部件集成等复杂结构问题，每年可为航空航天领域提供复杂精密结构件8000余件[1]。

在北航、西安铂力特等院企的攻克下，通过金属增材制造技术成功研制出了钛合金主风挡整体窗框、起落架整体支撑框、中央翼缘条等关键部件，共装载了23个增材制造零部件，大大提高了C919的国产化率。

航天一院利用激光同步送粉增材制造技术成功实现了长征五号火箭钛合金芯级捆绑支座试验件的快速研制，也是激光同步送粉增材制造技术首次在大型主承力部段关键构件上应用。

汽车制造领域

梅赛德斯奔驰使用增材制造技术实现节温器盖的生产，原材料为耐高温的铝，与用传统方法生产的零件有着相同的功能、可靠性、耐用性和成本效益。

德国联邦铁路公司已完成了对全球首辆增材制造物联网迷你巴士Olli的载人测试。Olli是由知名美国增材制造汽车公司Local Motors与信息巨头IBM联手开发，采用了增材制造的外壳，搭载了著名的IBM Watson云计算平台，具有强大的自主学习能力，可实现完全的自动驾驶（图1）。

图1 迷你巴士Olli及其增材制造外壳

安徽恒利公司利用SLS技术和石膏型真空增压铸造技术融合，实现一体化制造双金属复合发动机缸体，改变传统开模具和组砂型铸造的模式，已成功应用在奇瑞汽车、东风汽车、广汽、全柴等企业。

生物医疗领域

苏黎世联邦理工大学的功能性材料实验室研究人员利用增材制造技术制造出一种硅树脂心脏，该人造心脏可持续约3000次心跳，大约30到45分钟（图2）。

图 2 增材制造技术制造的硅树脂心脏

美国莱斯大学和贝勒医学院的生物工程师和科学家已经开始将人类内皮细胞和间充质干细胞结合起来，增材制造功能性毛细血管。

国内迈普再生公司研发的生物增材制造装备，可满足对非均质多种材料三维结构的成形要求以实现复杂组织器官快速制造，并突破了现有装备的打印精度、速度和效率等性能瓶颈。

模具与铸件领域

增材制造技术可用于模具制造中成形、铸模、机械加工、装配等环节，特别是用于制造几何形状复杂的构件、刀具和夹头。如Mapal公司与Concept Laser公司合作，利用激光熔融工艺制造镶片内冷却麻花钻头、液压膨胀夹头和外圆铰刀等。增材制造的模具生产周期更短、制造成本更低，也使得企业可制造大量的个性化工具来支持定制部件的制造。

其他领域

西门子用增材制造设备生产的直径108mm叶轮零件已安装在克尔斯科核电站的水泵上，具有很高的安全和可靠性标准。

美国Hughes实验室利用硅、氮和氧组成的树脂配方，通过紫外光固化快速成形工艺，获得高强度、全致密的陶瓷材料，可承受1700摄氏度的高温，强度是同类材料的10倍。

中国核动力研究院与企业合作研发的重型金属增材制造技术，成功打印出我国首个小堆压力容器试件，标志着增材制造核电压力容器最艰难的材料基础研发和工艺研发的突破。

增材制造技术在消费级、工业级领域应用热度一直很高，伴随着增材制造技术的快速发展，将继续深化已有领域的应用，并扩展新领域的应用。

当前，全球增材制造技术发展正处于快速商业化阶段，市场以欧美企业为主导，中国企业紧随其后。英国Autonomous Manufacturing（简称AMFG）发布的《2019年增材制造白皮书》中绘制了全球增材制造全景图，包括：

① 硬件制造商（塑料3d打印机、专业级桌面机、金属3D打印机、陶瓷3D打印机及电子3D打印机）；

② 软件供应商（设计和CAD，仿真软件、工作流程软件和安全类软件）；

③ 材料供应商（塑料材料、复合材料、金属材料等）；

④ 质量控制与检测（过程中质量控制软件、质量检测）。

按照产业链的价值，可以将增材制造市场划分为材料、软件、技术和服务四个维度。从服务的维度，全球的增材制造厂商主要概括为三类：

◉ 一类是以美国3D Systems公司和Stratasys公司为代表的综合性增材制造技术厂商，他们从设备制造商起家，通过研发与并购不断向上下游拓展延伸业务，将材料、软件、服务等技能逐步收入囊中，逐步演变为可以提供综合增材制造解决方案的厂商；

◉ 第二类是提供增材制造工作流程解决方案与打印平台的厂商，例如Materialise、Shapeways等，这类厂商不生产增材制造设备，提供全面的支撑增材制造过程的设计、优化和管理软件系统，支持各种品牌的增材制造设备，其中成立于1990年的Materialise拥有业界最大的软件开发团队与全球顶级的增材制造工厂，其经过认证的生产和质量流程能满足要求最高的行业服务的标准，全球多家知名汽车公司、航空制造公司以及电子消费品公司都是Materialise的客户；

◉ 第三类是各行业巨头直接进军增材制造领域，扮演增材制造技术厂商的角色，例如，美国工业巨头通用电气旗下具备了增材制造全产业链的支持，从金属增材制造设备到三维建模软件和服务系统等，GE Additive都可以为客户提供相应服务和整体解决方案。

相较于欧美，我国的增材制造技术差距还很大，商业化多依赖于国家相关政策和部门的扶持，包括国家专项扶持基金、航空航天及军工等企业对增材制造技术的支持。近几年，我国增材制造产业步伐明显加快，市场规模实现了快速增长。根据工信部装备工业一司发布的数据：2020年1－12月，全国规模以上增材制造装备制造企业营业收入105.2亿元，同比增长14.6%，实现利润总额9.7亿元，同比增长142.5%。这从侧面显示了我国的增材制造市场发展潜力巨大，未来发展可期。

目前，我国增材制造产业规模初步形成，涌现出一批具备一定竞争力的骨干企业，典型代表包括太尔时代、先临三维、铂力特、鑫精合、华曙高科、飞而康、闪铸科技、悦瑞三维、汉邦科技、安德瑞源、易加三维、科恒、未来工厂、云铸三维、联泰科技、敬业增材、光韵达医疗、德科精密科技、黑格科技、永年激光、雷佳、捷诺飞、共享集团等，他们为增材制造技术的发展提供了有力的支撑。2019年，专注于工业级金属增材制造的铂力特成功在科创板挂牌上市，标志着我国的增材制造成长空间逐步打开，对我国增材制造技术的发展带来了积极的推动作用。