增材制造：塑造制造業(yè)未來的技術(shù)——趨勢、挑戰(zhàn)與機遇綜述

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

據(jù)悉，南非威特沃特斯蘭德大學(xué)、美國紐約州立大學(xué)理工學(xué)院、加納學(xué)術(shù)城市大學(xué)、加納蘇尼亞尼技術(shù)大學(xué)、加納大學(xué)及美國北肯塔基大學(xué)的科研人員綜述報道了增材制造：塑造制造業(yè)未來的技術(shù)——趨勢、挑戰(zhàn)與機遇。相關(guān)論文以“Additive manufacturing: shaping the future of the manufacturing industry – overview of trends, challenges and opportunities”為題發(fā)表在《Applications in Engineering Science》上。

增材制造（AM）是全球制造業(yè)組合中的創(chuàng)新方法。在這個復(fù)雜性加劇、競爭激烈且變革加速的時代，對快速原型設(shè)計日益增長的需求促使增材制造技術(shù)和研究得到廣泛應(yīng)用。三維建模、三維掃描和三維打印為工業(yè)級功能性和結(jié)構(gòu)性組件的設(shè)計提供了動力。為厘清制造業(yè)格局，本文簡要概述了傳統(tǒng)（減材）制造技術(shù)及其最新趨勢。在資源日益緊張和人口指數(shù)增長的背景下，減材技術(shù)的局限性為增材制造方法的普及鋪平了道路。本文討論了增材制造技術(shù)在醫(yī)療、建筑、汽車和航空航天領(lǐng)域的最新進展與應(yīng)用，并分析了該技術(shù)對非洲新興技術(shù)生態(tài)的里程碑意義、發(fā)展趨勢、機遇與挑戰(zhàn)。本綜述指出，增材制造是實現(xiàn)非洲聯(lián)盟《2063年議程》的關(guān)鍵推動力，為克服工業(yè)多元化、青年失業(yè)和技術(shù)自主等長期挑戰(zhàn)提供了可行路徑。通過本土化增材制造應(yīng)用和數(shù)字化工作流程，可實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和制造主權(quán)的規(guī)�；�解決方案，對非洲工業(yè)化愿景的跨越式發(fā)展具有重要意義。

圖1.增材制造組件設(shè)計與制造的流程步驟

圖2.增材制造方法示意圖：(a)材料擠出，(b)光固化，(c)材料噴射，(d)薄片層壓，(e)粉末床熔融，(f)定向能量沉積，(g)粘結(jié)劑噴射，(h)冷噴涂，(i)攪拌摩擦沉積

圖3.基于原料特性的定向能量沉積工藝典型分類

圖4.激光輔助定向能量沉積的工藝參數(shù)

圖5.送絲式定向能量沉積的工藝參數(shù)

圖6.增材制造中的自動化應(yīng)用趨勢

圖7.實現(xiàn)3D打印集成遺傳算法與參數(shù)化建模的六步簡化流程

圖8.基于Scopus數(shù)據(jù)庫索引的全球研究產(chǎn)出前20國家

圖9.Scopus索引的各大洲增材制造研究產(chǎn)出分布

圖10.Scopus索引的非洲各國增材制造研究產(chǎn)出

圖11.制約增材制造發(fā)展的關(guān)鍵材料限制

圖12.可持續(xù)增材制造的六大主題領(lǐng)域

增材制造的原理、工藝和系統(tǒng)將塑造制造業(yè)的未來。本文概述了從三維模型開發(fā)、表面鑲嵌文件轉(zhuǎn)換、G代碼生成、實體構(gòu)建到后處理及最終測試（驗證與確認）的八大關(guān)鍵步驟，重點分析了ASTM標準下的七類增材制造技術(shù)及其適用材料，同時簡要探討了冷噴涂和攪拌摩擦沉積等基于逐層堆積原理的工藝。綜述總結(jié)了支撐增材制造的三維建模與掃描技術(shù)體系，并著重闡釋了影響結(jié)構(gòu)完整性與力學(xué)性能的工藝參數(shù)。

計算模型與打印過程的集成加速了材料設(shè)計周期，使復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的開發(fā)相比傳統(tǒng)方法更具優(yōu)勢。增材制造自動化趨勢體現(xiàn)在人工智能與機器學(xué)習(xí)應(yīng)用、機器人集成、原位監(jiān)測與質(zhì)量控制、增強型前后處理工作流以及物料供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域，旨在實現(xiàn)低成本高效的3D打印制造。例如，遺傳算法和材料基因組計劃已成功應(yīng)用于增材制造流程。本文討論了理解增材制造現(xiàn)象的計算與實驗方法，評估了各類技術(shù)的優(yōu)缺點及適用材料。

航空航天、汽車、機電系統(tǒng)、生物醫(yī)療、紡織、珠寶和鞋履等行業(yè)正日益廣泛采用增材制造產(chǎn)品。基于分層堆積的設(shè)計特性使得復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的制造成為可能。作為現(xiàn)代制造業(yè)（尤其是混合制造）的革命性催化劑，增材制造技術(shù)正被逐步整合到生產(chǎn)體系中——美國、中國、德國和英國通過產(chǎn)學(xué)研合作引領(lǐng)著該技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新，這種進步得益于信息技術(shù)、生物工程與材料科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展。

增材制造領(lǐng)域的發(fā)展為未來研究開辟了新方向，包括自動化挑戰(zhàn)、材料自下而上設(shè)計方法的應(yīng)用理解以及可持續(xù)制造策略等。自動化戰(zhàn)略研究涵蓋：利用機器學(xué)習(xí)優(yōu)化多變量工藝參數(shù)、機器人系統(tǒng)集成、自主化量產(chǎn)設(shè)施開發(fā)、原位監(jiān)測技術(shù)及后處理自動化等低風(fēng)險高價值領(lǐng)域�？沙掷m(xù)增材制造研究亟待探索，包括環(huán)保材料開發(fā)、循環(huán)經(jīng)濟模式、溫室氣體減排、節(jié)能打印工藝及全生命周期評估等，這些對功能性結(jié)構(gòu)件的未來設(shè)計具有深遠影響。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apples.2025.100224