增材制造技術

       增材制造是指基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅動直接制造零件的科學技術體系，改變了通過對原材料進行切削、組裝進行生產的加工模式，實現(xiàn)了隨時、隨地、按需生產。

       3D打印通常是采用數(shù)字技術材料打印機來實現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的直接制造，已經有使用這種技術打印而成的零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、航空航天以及其他領域都有所應用。

概述

       增材制造技術是指基于離散-堆積原理，由零件三維數(shù)據(jù)驅動直接制造零件的科學技術體系?；诓煌姆诸愒瓌t和理解方式，增材制造技術還有快速原型、快速成形、快速制造、3D打印等多種稱謂，其內涵仍在不斷深化，外延也不斷擴展，這里所說的“增材制造”與“快速成形”、“快速制造”意義相同。

       工業(yè)化的LSF-V大型激光立體成形裝備所謂數(shù)字化增材制造技術就是一種三維實體快速自由成形制造新技術，它綜合了計算機的圖形處理、數(shù)字化信息和控制、激光技術、機電技術和材料技術等多項高技術的優(yōu)勢，學者們對其有多種描述。西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室的黃衛(wèi)東教授稱這種新技術為“數(shù)字化增材制造”，中國機械工程學會宋天虎秘書長稱其為“增量化制造”，其實它就是不久前引起社會廣泛關注的“三維打印”技術的一種。西方媒體把這種實體自由成形制造技術譽為將帶來“第三次工業(yè)革命”的新技術。

關鍵技術 

       一是材料單元的控制技術。即如何控制材料單元在堆積過程中的物理與化學變化是一個難點，例如金屬直接成型中，激光熔化的微小熔池的尺寸和外界氣氛控制直接影響制造精度和制件性能。

       二是設備的再涂層技術。增材制造的自動化涂層是材料累加的必要工序，再涂層的工藝方法直接決定了零件在累加方向的精度和質量。分層厚度向0.01mm發(fā)展，控制更小的層厚及其穩(wěn)定性是提高制件精度和降低表面粗糙度的關鍵。

       三是高效制造技術。增材制造在向大尺寸構件制造技術發(fā)展，例如金屬激光直接制造飛機上的鈦合金框睴結構件，框睴結構件長度可達6m，制作時間過長，如何實現(xiàn)多激光束同步制造，提高制造效率，保證同步增材組織之間的一致性和制造結合區(qū)域質量是發(fā)展的難點。

       此外，為提高效率，增材制造與傳統(tǒng)切削制造結合，發(fā)展材料累加制造與材料去除制造復合制造技術方法也是發(fā)展的方向和關鍵技術。

技術應用

應用領域

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

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

       經過20多年的發(fā)展，增材制造經歷了從萌芽到產業(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咨詢服務的Wohlers協(xié)會在2012年度報告中，對各行業(yè)的應用情況進行了分析。在過去的幾年中，航空零件制造和醫(yī)學應用是增長最快的應用領域。2012年產能規(guī)模將增長25%至21.4億美元，2019年將達到60億美元。增材制造技術正處于發(fā)展期，具有旺盛的生命力，還在不斷發(fā)展；隨著技術發(fā)展，應用領域也將越來越廣泛。

航空領域應用

       高速、高機動性、長續(xù)航能力、安全高效低成本運行等苛刻服役條件對飛行器結構設計、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、結構功能一體化以及低成本運行成為結構設計、材料應用和制造技術共同面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，這取決于結構設計、結構材料和現(xiàn)代制造技術的進步與創(chuàng)新。

       首先，增材制造技術能夠滿足航空武器裝備研制的低成本、短周期需求。隨著技術的進步，為了減輕機體重量，提高機體壽命，降低制造成本，飛機結構中大型整體金屬構件的使用越來越多。大型整體鈦合金結構制造技術已經成為現(xiàn)代飛機制造工藝先進性的重要標志之一。美國F-22后機身加強框、F-14和“狂風”的中央翼盒均采用了整體鈦合金結構。大型金屬結構傳統(tǒng)制造方法是鍛造再機械加工，但能用于制造大型或超大型金屬鍛坯的裝備較為稀缺，高昂的模具費用和較長的制造周期仍難滿足新型號的快速低成本研制的需求；另外，一些大型結構還具有復雜的形狀或特殊規(guī)格，用鍛造方法難以制造。而增量制造技術對零件結構尺寸不敏感，可以制造超大、超厚、復雜型腔等特殊結構。除了大型結構，還有一些具有極其復雜外形的中小型零件，如帶有空間曲面及密集復雜孔道結構等，用其他方法很難制造，而用高能束流選區(qū)制造技術可以實現(xiàn)零件的凈成形，僅需拋光即可裝機使用。傳統(tǒng)制造行業(yè)中，單件、小批量的超規(guī)格產品往往成為制約整機生產的瓶頸，通過增量制造技術能夠實現(xiàn)以相對較低的成本提供這類產品。

       據(jù)統(tǒng)計，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，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，可以節(jié)省材料三分之二以上，數(shù)控加工時間減少一半以上，同時無須模具，從而能夠將研制成本尤其是首件、小批量的研制成本大大降低，節(jié)省國家寶貴的科研經費。

       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生產飛機零件，從而實現(xiàn)結構的整體化，降低成本和周期，達到“快速反應，無模敏捷制造”的目的。隨著我國綜合國力的提升和科學技術的進步，我國經濟體已經處于世界經濟體前列，與發(fā)達國家的一樣，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——金屬結構快速成形直接制造技術。

       其次，增材制造技術有助于促進設計-生產過程從平面思維向立體思維的轉變。傳統(tǒng)制造思維是先從使用目的形成三維構想，轉化成二維圖紙，再制造成三維實體。在空間維度轉換過程中，差錯、干涉、非最優(yōu)化等現(xiàn)象一直存在，而對于極度復雜的三維空間結構，無論是三維構想還是二維圖紙化已十分困難。計算機輔助設計（CAD）為三維構想提供了重要工具，但虛擬數(shù)字三維構型仍然不能完全推演出實際結構的裝配特性、物理特征、運動特征等諸多屬性。采用增量制造技術，實現(xiàn)三維設計、三維檢驗與優(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行設計與生產，大大簡化設計流程，從而促進產品的技術更新與性能優(yōu)化。在飛機結構設計時，設計者既要考慮結構與功能，還要考慮制造工藝，增材制造的最終目標是解放零件制造對設計者的思想束縛，使飛機結構設計師將精力集中在如何更好實現(xiàn)功能的優(yōu)化，而非零件的制造上。在以往的大量實踐中，利用增量制造技術，快速準確地制造并驗證設計思想在飛機關鍵零部件的研制過程中已經發(fā)揮了重要的作用。另一個重要的應用是原型制造，即構建模型，用于設計評估，例如風洞模型，通過增材制造迅速生產出模型，可以大大加快“設計-驗證”迭代循環(huán)。

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

發(fā)展趨勢

國外發(fā)展現(xiàn)狀

       歐美發(fā)達國家紛紛制定了發(fā)展和推動增材制造技術的國家戰(zhàn)略和規(guī)劃，增材制造技術已受到政府、研究機構、企業(yè)和媒體的廣泛關注。2012年3月，美國白宮宣布了振興美國制造的新舉措，將投資10億美元幫助美國制造體系的改革。其中，白宮提出實現(xiàn)該項計劃的三大背景技術包括了增材制造，強調了通過改善增材制造材料、裝備及標準，實現(xiàn)創(chuàng)新設計的小批量、低成本數(shù)字化制造。2012年8月，美國增材制造創(chuàng)新研究所成立，聯(lián)合了賓夕法尼亞州西部、俄亥俄州東部和弗吉尼亞州西部的14所大學、40余家企業(yè)、11家非營利機構和專業(yè)協(xié)會。

       英國政府自2011年開始持續(xù)增大對增材制造技術的研發(fā)經費。以前僅有拉夫堡大學一個增材制造研究中，諾丁漢大學, 謝菲爾德大學、?？巳卮髮W和曼徹斯特大學等相繼建立了增材制造研究中心。英國工程與物理科學研究委員會中設有增材制造研究中心，參與機構包括拉夫堡大學、伯明翰大學、英國國家物理實驗室、波音公司以及德國EOS公司等15家知名大學、研究機構及企業(yè)。

       除了英美外，其他一些發(fā)達國家也積極采取措施，以推動增材制造技術的發(fā)展。德國建立了直接制造研究中心， 主要研究和推動增材制造技術在航空航天領域中結構輕量化方面的應用；法國增材制造協(xié)會致力于增材制造技術標準的研究；在政府資助下，西班牙啟動了一項發(fā)展增材制造的專項，研究內容包括增材制造共性技術、材料、技術交流及商業(yè)模式等四方面內容；澳大利亞政府于2012年2月宣布支持一項航空航天領域革命性的項目“微型發(fā)動機增材制造技術”，該項目使用增材制造技術制造航空航天領域微型發(fā)動機零部件；日本政府也很重視增材制造技術的發(fā)展，通過優(yōu)惠政策和大量資金鼓勵產學研用緊密結合，有力促進該技術在航空航天等領域的應用。

國內發(fā)展現(xiàn)狀

       大型整體鈦合金關鍵結構件成形制造技術被國內外公認為是對飛機工業(yè)裝備研制與生產具有重要影響的核心關鍵制造技術之一。西北工業(yè)大學凝固技術國家重點實驗室已經建立了系列激光熔覆成形與修復裝備，可滿足大型機械裝備的大型零件及難拆卸零件的原位修復和再制造。應用該技術實現(xiàn)了C919 飛機大型鈦合金零件激光立體成形制造。民用飛機越來越多地采用了大型整體金屬結構，飛機零件主要是整體毛坯件和整體薄壁結構件，傳統(tǒng)成形方法非常困難。商飛決定采用先進的激光立體成形技術來解決C919飛機大型復雜薄壁鈦合金結構件的制造。西北工業(yè)大學采用激光成形技術制造了最大尺寸達2.83m的機翼緣條零件，最大變形量<1mm，實現(xiàn)了大型鈦合金復雜薄壁結構件的精密成形技術，相比現(xiàn)有技術可大大加快制造效率和精度，顯著降低生產成本。

       北航在金屬直接制造方面開展了長期的研究工作，突破了鈦合金、超高強度鋼等難加工大型整體關鍵構件激光成形工藝、成套裝備和應用關鍵技術，解決了大型整體金屬構件激光成形過程零件變形與開裂“瓶頸難題”和內部缺陷和內部質量控制及其無損檢驗關鍵技術，飛機構件綜合力學性能達到或超過鈦合金模鍛件，已研制生產出了我國飛機裝備中迄今尺寸最大、結構最復雜的鈦合金及超高強度鋼等高性能關鍵整體構件，并在大型客機C919等多型重點型號飛機研制生產中得到應用。

       西安交大以研究光固化快速成型（SLA）技術為主，于1997年研制并銷售了國內第一臺光固化快速成型機；并分別于2000年、2007年成立了教育部快速成形制造工程研究中心和快速制造國家工程研究中心，建立了一套支撐產品快速開發(fā)的快速制造系統(tǒng)，研制、生產和銷售多種型號的激光快速成型設備、快速模具設備及三維反求設備，產品遠銷印度、俄羅斯、肯尼亞等國，成為具有國際競爭力的快速成型設備制造單位。

       西安交大在新技術研發(fā)方面主要開展了LED紫外快速成型機技術、陶瓷零件光固化制造技術，鑄型制造技術、生物組織制造技術、金屬熔覆制造技術和復合材料制造技術的研究。在陶瓷零件制造的研究中，研制了一種基于硅溶膠的水基陶瓷漿料光固化快速成型工藝，實現(xiàn)了光子晶體、一體化鑄型等復雜陶瓷零件的快速制造。

       西安交大與中國空氣動力研究與發(fā)展中心及成都飛機設計研究所合作開展了風洞模型制造技術的研究，圍繞測壓模型、測力模型、顫振模型和氣彈模型等方面進行了研究工作。設計了樹脂—金屬復合模型的結構方案，采用有限元方法計算校核樹脂—金屬復合模型的強度、剛度以及固有頻率。通過低速風洞試驗，研究了復合模型的氣動特性，并與金屬模型試驗數(shù)據(jù)相對比。強度校核試驗顯示，模型的整體性能良好，滿足低速風洞的試驗要求，研制的復合模型在低速風洞試驗下具有良好的前景。復合材料構件是航空制造技術未來的發(fā)展方向，西安交大研究了大型復合材料構件低能電子束原位固化纖維鋪放制造設備與技術，將低能電子束固化技術與纖維自動鋪放技術相結合，研究開發(fā)了一種無需熱壓罐的大型復合材料構件高效率綠色制造方法，可使制造過程能耗降低70%，節(jié)省原材料15%，并提高了復合材料成型制造過程的可控性、可重復性，為我國復合材料構件綠色制造提供了新的自動化制造方法與工藝。

       上海理工大學“增材制造國際實驗室”通過整建制引進海外著名科學家（院士）團隊，澳大利亞工程院院士吳鑫華，澳大利亞科學院、工程院院士、中國工程院外籍院士余艾冰，美國科學院院士Rodney R. Boyer，美國工程院院士James C. Williams接受我校聘任，分別擔任我校“增材制造國際實驗室”主任和方向帶頭人。

       AM已成為先進制造技術的一個重要的發(fā)展方向，其發(fā)展趨勢有三：

       （1）復雜零件的精密鑄造技術應用；

       （2）金屬零件直接制造方向發(fā)展，制造大尺寸航空零部件；

       （3）向組織與結構一體化制造發(fā)展。未來需要解決的關鍵技術包括精度控制技術、大尺寸構件高效制造技術、復合材料零件制造技術。AM技術的發(fā)展將有力地提高航空制造的創(chuàng)新能力，支撐我國由制造大國向制造強國發(fā)展。

       我國在電子、電氣增材制造技術上取得了重要進展。稱為立體電路技術（SEA，SLS+LDS）。電子電器領域增材技術是建立了現(xiàn)有增材技術之上的一種綠色環(huán)保型電路成型技術，有別于傳統(tǒng)二維平面型印制線路板。傳統(tǒng)的印制電路板是電子產業(yè)的糧食，一般采用傳統(tǒng)的不環(huán)保的減法制造工藝，即金屬導電線路是蝕刻銅箔后形成的，新一代增材制造技術采用加法工藝：用激光先在產品表面鐳射后，再在藥水中浸泡沉積上去。這類技術與激光分層制造的增材制造相結合的一種途徑是：在SLS（激光選擇性燒結）粉體中加入特殊組份，先3D打?。ㄔ霾闹圃斐尚停┰儆梦⒑?D立體電路激光機沿表面鐳射電路圖案，再化學鍍成金屬線路。

       “立體電路制造工藝”涉及的SLS+LDS技術是我國本土企業(yè)發(fā)明的制造工藝。是增材制造在電子、電器產品領域分支應用技術。也涉及到激光材料、激光機、后處理化學藥水等核心要素。立體電路技術已經成為高端智能手機天線主要制造技術，產業(yè)界已經崛起了立體電路產業(yè)板塊。

打印過程

       增材制造的一般工藝流程為:首先利用計算機輔助建模軟件(如CAD軟件)設計一個所需的三維模型。然后用切片軟件對此模型進行數(shù)據(jù)處理，3D打印機將會在多種成型原理中選擇一種成型方式，根據(jù)這些工作路徑對原材料進行逐層打印。當二維薄片逐層堆疊在一起后，設計好的三維模型就制造成型了。最后，將打印好的模型取下后還需要進行后處理，一般包括清洗和固化兩個步驟。

三維設計

       三維打印的設計過程是：先通過計算機建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導打印機逐層打印。設計軟件和打印機之間協(xié)作的標準文件格式是STL文件格式。一個STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一種通過掃描產生的三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件經常被用作全彩打印的輸入文件。

切片處理

       切片軟件將三維模型按照設定的層厚進行切片，將模型劃分為一系列的水平層。每一層都被轉換為一個二維圖像，描述了該層在打印時需要填充或構建的區(qū)域。在切片軟件中，可以調整模型在打印平臺上的位置和角度，以優(yōu)化打印效果和節(jié)省材料。

逐層打印

       打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

       打印機打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素/英寸）或者微米來計算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機如ObjetConnex 系列還有三維 Systems" ProJet 系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟激光打印機相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個微米。用傳統(tǒng)方法制造出一個模型通常需要數(shù)小時到數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復雜程度而定。而用三維打印的技術則可以將時間縮短為數(shù)個小時，當然其是由打印機的性能以及模型的尺寸和復雜程度而定的。傳統(tǒng)的制造技術如注塑法可以以較低的成本大量制造聚合物產品，而三維打印技術則可以以更快，更有彈性以及更低成本的辦法生產數(shù)量相對較少的產品。一個桌面尺寸的三維打印機就可以滿足設計者或概念開發(fā)小組制造模型的需要。

       有些技術可以同時使用多種材料進行打印。有些技術在打印的過程中還會用到支撐物，比如在打印出一些有倒掛狀的物體時就需要用到一些易于除去的東西（如可溶物）作為支撐物。

后處理

       將打印好的模型取下后進行后處理，包括清洗固化，打磨，機械拋光，化學拋光，上色等步驟。

應用領域

國際空間

       2018年12月3日，這臺名為Organaut的突破性3D打印裝置，執(zhí)行“58號遠征”（Expedition 58）任務的“聯(lián)盟MS-11”飛船送往國際空間站。打印機由Invitro的子公司“3D生物打印解決方案”（3D Bioprinting Solutions）公司建造。Invitro隨后收到了從國際空間站傳回的一組照片，通過這些照片可以看到老鼠甲狀腺是如何被打印出來的。美國計劃于2019年春季將生物打印機送上國際空間站。 

       2020年5月5日，中國首飛成功的長征五號B運載火箭上，搭載著新一代載人飛船試驗船，船上還搭載了一臺“3D打印機”。這是中國首次太空3D打印實驗，也是國際上第一次在太空中開展連續(xù)纖維增強復合材料的3D打印實驗。

       2024年6月20日消息，歐洲空間局科學家首次借助3D金屬打印技術，在國際空間站上成功打印出一條小型S曲線。這一突破標志著在軌制造領域的巨大飛躍。

海軍艦艇

       2014年7月1日，美國海軍試驗了利用3D打印等先進制造技術快速制造艦艇零件，希望借此提升執(zhí)行任務速度并降低成本。

       2014年6月24日至6月26日，美海軍在作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)活動中舉辦了第一屆制匯節(jié)，開展了一系列“打印艦艇”研討會，并在此期間向水手及其他相關人員介紹了3D打印及增材制造技術。

       美國海軍致力于未來在這方面培訓水手。采用3D打印及其他先進制造方法，能夠顯著提升執(zhí)行任務速度及預備狀態(tài)，降低成本，避免從世界各地采購艦船配件。

       美國海軍作戰(zhàn)艦隊后勤科副科長Phil Cullom表示，考慮到成本及海軍后勤及供應鏈現(xiàn)存的漏洞，以及面臨的資源約束，先進制造與3D打印的應用越來越廣，他們設想了一個由技術嫻熟的水手支持的先進制造商的全球網絡，找出問題并制造產品。

航天科技

       2014年9月底，NASA預計將完成首臺成像望遠鏡，所有元件基本全部通過3D打印技術制造。NASA也因此成為首家嘗試使用3D打印技術制造整臺儀器的單位。

       這款太空望遠鏡功能齊全，其50.8毫米的攝像頭使其能夠放進立方體衛(wèi)星（CubeSat，一款微型衛(wèi)星）當中。據(jù)了解，這款太空望遠鏡的外管、外擋板及光學鏡架全部作為單獨的結構直接打印而成，只有鏡面和鏡頭尚未實現(xiàn)。該儀器將于2015年開展震動和熱真空測試。

       這款長50.8毫米的望遠鏡將全部由鋁和鈦制成，而且只需通過3D打印技術制造4個零件即可，相比而言，傳統(tǒng)制造方法所需的零件數(shù)是3D打印的5-10倍。此外，在3D打印的望遠鏡中，可將用來減少望遠鏡中雜散光的儀器擋板做成帶有角度的樣式，這是傳統(tǒng)制作方法在一個零件中所無法實現(xiàn)的。

       2014年8月31日，美國宇航局的工程師們剛剛完成了3D打印火箭噴射器的測試，本項研究在于提高火箭發(fā)動機某個組件的性能，由于噴射器內液態(tài)氧和氣態(tài)氫一起混合反應，這里的燃燒溫度可達到6000華氏度，大約為3315攝氏度，可產生2萬磅的推力，約為9噸左右，驗證了3D打印技術在火箭發(fā)動機制造上的可行性。本項測試工作位于阿拉巴馬亨茨維爾的美國宇航局馬歇爾太空飛行中心，這里擁有較為完善的火箭發(fā)動機測試條件，工程師可驗證3D打印部件在點火環(huán)境中的性能

       制造火箭發(fā)動機的噴射器需要精度較高的加工技術，如果使用3D打印技術，就可以降低制造上的復雜程度，在計算機中建立噴射器的三維圖像，打印的材料為金屬粉末和激光，在較高的溫度下，金屬粉末可被重新塑造成我們需要的樣子?；鸺l(fā)動機中的噴射器內有數(shù)十個噴射元件，要建造大小相似的元件需要一定的加工精度，該技術測試成功后將用于制造RS-25發(fā)動機，其作為美國宇航局未來太空發(fā)射系統(tǒng)的主要動力，該火箭可運載宇航員超越近地軌道，進入更遙遠的深空。馬歇爾中心的工程部主任克里斯認為3D打印技術在火箭發(fā)動機噴油器上應用只是第一步，我們的目的在于測試3D打印部件如何能徹底改變火箭的設計與制造，并提高系統(tǒng)的性能，更重要的是可以節(jié)省時間和成本，不太容易出現(xiàn)故障。本次測試中，兩具火箭噴射器進行了點火，每次5秒，設計人員創(chuàng)建的復雜幾何流體模型允許氧氣和氫氣充分混合，壓力為每平方英寸1400磅。

       2014年10月11日，英國一個發(fā)燒友團隊用3D打印技術制出了一枚火箭，他們還準備讓這個世界上第一個打印出來的火箭升空。該團隊于當?shù)貢r間在倫敦的辦公室向媒體介紹這個世界第一架用3D打印技術制造出的火箭。團隊隊長海恩斯說，有了3D打印技術，要制造出高度復雜的形狀并不困難。就算要修改設計原型，只要在計算機輔助設計的軟件上做出修改，打印機將會做出相對的調整。這比之前的傳統(tǒng)制造方式方便許多。既然美國宇航局已經在使用3D打印技術制造火箭的零件，3D打印技術的前景是十分光明的。

       據(jù)介紹，這個名為“低軌道氦輔助導航”的工程項目由一家德國數(shù)據(jù)分析公司贊助。打印出的這枚火箭重3公斤，高度相當于一般成年人身高，是該團隊用4年時間、花了6000英鎊制造出來的。等一筆1.5萬英鎊的資助確定之后，他們將于今年底在新墨西哥州的美國航天港發(fā)射該火箭。一個裝滿氦的巨型氣球將把火箭提升到20000米高空，裝置在火箭里的全球定位系統(tǒng)將啟動火箭引擎，火箭噴射速度將達到每小時1610公里。之后，火箭上的自動駕駛系統(tǒng)將引導火箭回返地球，而里頭的攝像機將把整個過程拍攝下來。

       美國國家航空航天局（NASA）官網2015年4月21日報道，NASA工程人員正通過利用增材制造技術制造首個全尺寸銅合金火箭發(fā)動機零件以節(jié)約成本，NASA空間技術任務部負責人表示，這是航空航天領域3D打印技術應用的新里程碑。

       2015年6月22日報道，國營企業(yè)俄羅斯技術集團公司以3D打印技術制造出一架無人機樣機，重3.8公斤，翼展2.4米，飛行時速可達90至100公里，續(xù)航能力1至1.5小時。

       公司發(fā)言人弗拉基米爾&middot;庫塔霍夫介紹，公司用兩個半月實現(xiàn)了從概念到原型機的飛躍，實際生產耗時僅為31小時，制造成本不到20萬盧布（約合3700美元）。

       2016年4月19日，中科院重慶綠色智能技術研究院3D打印技術研究中心對外宣布，經過該院和中科院空間應用中心兩年多的努力，并在法國波爾多完成拋物線失重飛行試驗，國內首臺空間在軌3D打印機宣告研制成功。這臺3D打印機可打印最大零部件尺寸達200×130mm，它可以幫助宇航員在失重環(huán)境下自制所需的零件，大幅提高空間站實驗的靈活性，減少空間站備品備件的種類與數(shù)量和運營成本，降低空間站對地面補給的依賴性。

       2023年3月22日，美國相對航天公司在佛羅里達州卡納維拉爾角發(fā)射一枚“3D打印火箭”，但火箭未能進入預定軌道。這枚火箭高約33.5米，包括發(fā)動機在內，火箭85%的組件由合金金屬材料3D打印而成，為全球首例。 

醫(yī)學領域

       醫(yī)學界的3D打印是根據(jù)患者需求進行個性化護理的優(yōu)秀工具，可同時簡化醫(yī)生、護士、藥劑師等專業(yè)人員的操作。配備3D打印機的未來醫(yī)院將能復制數(shù)萬個醫(yī)療設備的模型，其中包含描述制造過程的技術文件和產品符合要求的驗證。目前，3D打印在醫(yī)療保健行業(yè)中的一些應用主要是打印設備（輔助設備、注射器、手術器械）；打印解剖結構以方便術前培訓；打印定制部件（假肢、牙冠、移植物）以及生物打印。

       3D打印肝臟模型

       日本筑波大學和大日本印刷公司組成的科研團隊2015年7月8日宣布，已研發(fā)出用3D打印機低價制作可以看清血管等內部結構的肝臟立體模型的方法。據(jù)稱，該方法如果投入應用就可以為每位患者制作模型，有助于術前確認手術順序以及向患者說明治療方法。

       這種模型是根據(jù)CT等醫(yī)療檢查獲得患者數(shù)據(jù)用3D打印機制作的。模型按照表面外側線條呈現(xiàn)肝臟整體形狀，詳細地再現(xiàn)其內部的血管和腫瘤。

       由于肝臟模型內部基本是空洞，重要血管等的位置一目了然。據(jù)稱，制作模型需要少量價格不菲的樹脂材料，使原本約30萬至40萬日元(約合人民幣1.5萬至2萬元)的制作費降到原先的三分之一以下。

       利用3D打印技術制作的內臟器官模型主要用于研究，由于價格高昂，在臨床上沒有得到普及?？蒲袌F隊表示，他們一方面爭取到2016年度實現(xiàn)肝臟模型的實際應用，另一方面將推進對胰臟等器官模型制作技術的研發(fā)。

       3D打印頭蓋骨

       2014年8月28日，46歲的周至農民胡師傅在自家蓋房子時，從3層樓墜落后砸到一堆木頭上，左腦蓋被撞碎，在當?shù)蒯t(yī)院手術后，胡師傅雖然性命無損，但左腦蓋凹陷，在別人眼里成了個“半頭人”。

       除了面容異于常人，事故還傷了胡師傅的視力和語言功能。醫(yī)生為幫其恢復形象，采用3D打印技術輔助設計缺損顱骨外形，設計了鈦金屬網重建缺損顱眶骨，制作出缺損的左“腦蓋”，最終實現(xiàn)左右對稱。

       醫(yī)生稱手術約需5至10小時，除了用鈦網支撐起左邊腦蓋外，還需要從腿部取肌肉進行填補。手術后，胡師傅的容貌將恢復，至于語言功能還得術后看恢復情況。

       3D打印脊椎植入人體

       2014年8月，北京大學研究團隊成功地為一名12歲男孩植入了3D打印脊椎，這屬全球首例。據(jù)了解，這位小男孩的脊椎在一次足球受傷之后長出了一顆惡性腫瘤，醫(yī)生不得不選擇移除掉腫瘤所在的脊椎。不過，這次的手術比較特殊的是，醫(yī)生并未采用傳統(tǒng)的脊椎移植手術，而是嘗試先進的3D打印技術。 

       研究人員表示，這種植入物可以跟現(xiàn)有骨骼非常好地結合起來，而且還能縮短病人的康復時間。由于植入的3D脊椎可以很好地跟周圍的骨骼結合在一起，所以它并不需要太多的“錨定”。此外，研究人員還在上面設立了微孔洞，它能幫助骨骼在合金之間生長，換言之，植入進去的3D打印脊椎將跟原脊柱牢牢地生長在一起，這也意味著未來不會發(fā)生松動的情況。

       3D打印手掌治療殘疾

       2014年10月，醫(yī)生和科學家們使用3D打印技術為英國蘇格蘭一名5歲女童裝上手掌。

       這名女童名為海莉·弗雷澤，出生時左臂就有殘疾，沒有手掌，只有手腕。在醫(yī)生和科學家的合作下，為她設計了專用假肢并成功安裝。

       3D打印心臟救活2周大先心病嬰兒

       2014年10月13日，紐約長老會醫(yī)院的埃米爾·巴查博士(Dr.Emile Bacha)醫(yī)生就講述了他使用3D打印的心臟救活一名2周大嬰兒的故事。這名嬰兒患有先天性心臟缺陷，它會在心臟內部制造“大量的洞”。在過去，這種類型的手術需要停掉心臟，將其打開并進行觀察，然后在很短的時間內來決定接下來應該做什么。

       但有了3D打印技術之后，巴查醫(yī)生就可以在手術之前制作出心臟的模型，從而使他的團隊可以對其進行檢查，然后決定在手術當中到底應該做什么。這名嬰兒原本需要進行3-4次手術，而現(xiàn)在一次就夠了，這名原本被認為壽命有限的嬰兒可以過上正常的生活。 

       巴查醫(yī)生說，他使用了嬰兒的MRI數(shù)據(jù)和3D打印技術制作了這個心臟模型。整個制作過程共花費了數(shù)千美元，不過他預計制作價格會在未來降低。

       3D打印技術能夠讓醫(yī)生提前練習，從而減少病人在手術臺上的時間。3D模型有助于減少手術步驟，使手術變得更為安全。 

       2015年1月，在邁阿密兒童醫(yī)院，有一位患有“完全型肺靜脈畸形引流(TAPVC)”的4歲女孩Adanelie Gonzalez，由于疾病她的呼吸困難免疫系統(tǒng)薄弱，如果不實施矯正手術僅能存活數(shù)周甚至數(shù)日。

       心血管外科醫(yī)生借助3D心臟模型的幫助，通過對小女孩心臟的完全復制3D模型，成功地制定出了一個復雜的矯正手術方案。最終根據(jù)方案，成功地為小女孩實施了永久手術，現(xiàn)在小女孩的血液恢復正常流動，身體在治療中逐漸恢復正常。

       3D打印制藥

       2015年8月5日，首款由Aprecia制藥公司采用3D打印技術制備的SPRITAM（左乙拉西坦，levetiracetam）速溶片得到美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）上市批準，并將于2016年正式售賣。這意味著3D打印技術繼打印人體器官后進一步向制藥領域邁進，對未來實現(xiàn)精準性制藥、針對性制藥有重大的意義。該款獲批上市的“左乙拉西坦速溶片”采用了Aprecia公司自主知識產權的ZipDose3D打印技術。

       通過3D打印制藥生產出來的藥片內部具有豐富的孔洞，具有極高的內表面積，故能在短時間內迅速被少量的水融化。這樣的特性給某些具有吞咽性障礙的患者帶來了福音。

       這種設想主要針對病人對藥品數(shù)量的需求問題，可以有效地減少由于藥品庫存而引發(fā)的一系列藥品發(fā)潮變質、過期等問題。事實上，3D打印制藥最重要的突破是它能進一步實現(xiàn)為病人量身定做藥品的夢想。

       3D打印胸腔

       最近科學家們?yōu)閭鹘y(tǒng)的3D打印身體部件增添了一種鈦制的胸骨和胸腔—3D打印胸腔。

       這些3D打印部件的幸運接受者是一位54歲的西班牙人，他患有一種胸壁肉瘤，這種腫瘤形成于骨骼、軟組織和軟骨當中。醫(yī)生不得不切除病人的胸骨和部分肋骨，以此阻止癌細胞擴散。

       這些切除的部位需要找到替代品，在正常情況下所使用的金屬盤會隨著時間變得不牢固，并容易引發(fā)并發(fā)癥。澳大利亞的CSIRO公司創(chuàng)造了一種鈦制的胸骨和肋骨，與患者的幾何學結構完全吻合。

       CSIRO公司根據(jù)病人的CT掃描設計并制造所需的身體部件。工作人員會借助CAD軟件設計身體部分，輸入到3D打印機中。手術完成兩周后，病人就被允許離開醫(yī)院了，而且一切狀況良好。

       3D血管打印機

       2015年10月，中國863計劃3D打印血管項目取得重大突破，世界首創(chuàng)的3D生物血管打印機由四川藍光英諾生物科技股份有限公司成功研制問世。

       該款血管打印機性能先進，僅僅2分鐘便打出10厘米長的血管。不同于市面上現(xiàn)有的3D生物打印機，3D生物血管打印機可以打印出血管獨有的中空結構、多層不同種類細胞，這是世界首創(chuàng)。

       美3D打印生物工程脊髓

       2018年8月，美國明尼蘇達大學研究人員開發(fā)出一種新的多細胞神經組織工程方法，利用3D打印設備制出生物工程脊髓。研究人員稱，該技術有朝一日或可幫助長期遭受脊髓損傷困擾的患者恢復某些功能。

       美3D打印心臟肌泵

       2020年7月，美國明尼蘇達大學研究人員在最新一期《循環(huán)研究》雜志上發(fā)表報告稱，他們在實驗室中用人類細胞3D打印出了功能正常的厘米級人體心臟肌泵模型。研究人員稱，這種能夠發(fā)揮正常功能的心臟肌泵模型系統(tǒng)對于心臟病研究來說具有重要意義，而他們的成果向制造人類心臟這樣的大型腔室模型邁出了關鍵一步。

       3D打印乳腺癌腫瘤模型

       2022年，美國科學家首次成功地對乳腺癌腫瘤進行了3D生物打印。

房屋建筑

       2014年8月，10幢3D打印建筑在上海張江高新青浦園區(qū)內交付使用，作為當?shù)貏舆w工程的辦公用房。這些“打印”的建筑墻體是用建筑垃圾制成的特殊“油墨”，按照電腦設計的圖紙和方案，經一臺大型3D打印機層層疊加噴繪而成，10幢小屋的建筑過程僅花費24小時。

       2014年9月5日，世界各地的建筑師們正在為打造全球首款3D打印房屋而競賽。3D打印房屋在住房容納能力和房屋定制方面具有意義深遠的突破。在荷蘭首都阿姆斯特丹，一個建筑師團隊已經開始制造全球首棟3D打印房屋，而且采用的建筑材料是可再生的生物基材料。這棟建筑名為“運河住宅（Canal House）”，由13間房屋組成。這個項目位于阿姆斯特丹北部運河的一塊空地上，有望3年內完工。在建中的“運河住宅”已經成了公共博物館，美國總統(tǒng)奧巴馬曾經到那里參觀。荷蘭DUS建筑師漢斯·韋爾默朗（Hans Vermeulen）在接受BI采訪時表示，他們的主要目標是“能夠提供定制的房屋?！?/p>

       2014年1月，數(shù)幢使用3D打印技術建造的建筑亮相蘇州工業(yè)園區(qū)。這批建筑包括一棟面積1100平方米的別墅和一棟6層居民樓。這些建筑的墻體由大型3D打印機層層疊加噴繪而成，而打印使用的“油墨”則由建筑垃圾制成。

       2015年7月17日上午，由3D打印的模塊新材料別墅現(xiàn)身西安，建造方在三個小時完成了別墅的搭建。據(jù)建造方介紹，這座三個小時建成的精裝別墅，只要擺上家具就能拎包入住。

汽車行業(yè)

       2014年9月15日，世界上已經出現(xiàn)3D打印建筑、裙帽以及珠寶等，第一輛3D打印汽車也終于面世。這輛汽車只有40個零部件，建造它花費了44個小時，最低售價1.1萬英鎊（約合人民幣11萬元）。

       世界第一臺3D打印車已經問世——這輛由美國Local Motors公司設計制造、名叫“Strati”的小巧兩座家用汽車開啟了汽車行業(yè)新篇章。這款創(chuàng)新產品在為期六天的2014美國芝加哥國際制造技術展覽會上公開亮相。

       用3D打印技術打印一輛斯特拉提轎車并完成組裝需時44小時。整個車身上靠3D打印出的部件總數(shù)為40個，相較傳統(tǒng)汽車20000多個零件來說可謂十分簡潔。充滿曲線的車身由先由黑色塑料制造，再層層包裹碳纖維以增加強度，這一制造設計尚屬首創(chuàng)。汽車由電池提供動力，最高時速約64公里，車內電池可供行駛190至240公里。

       盡管汽車的座椅、輪胎等可更換部件仍以傳統(tǒng)方式制造，但用3D制造這些零件的計劃已經提上日程。制造該轎車的車間里有一架超大的3D打印機，能打印長3米、寬1.5米、高1米的大型零件，而普通的3D打印機只能打印25立方厘米大小的東西。

       2014年10月29日，在芝加哥舉行的國際制造技術展覽會上，美國亞利桑那州的Local Motors汽車公司現(xiàn)場演示世界上第一款3D打印電動汽車的制造過程。這款電動汽車名為“Strati”，整個制造過程僅用了45個小時。Strati采用一體成型車身，最大速度可達到每小時40英里（約合每小時64公里），一次充電可行駛120到150英里（約合190到240公里）。Strati只有49個零部件，動力傳動系統(tǒng)、懸架、電池、輪胎、車輪、線路、電動馬達和擋風玻璃采用傳統(tǒng)技術制造，包括底盤、儀表板、座椅和車身在內的余下部件均由3D打印機打印，所用材料為碳纖維增強熱塑性塑料。Strati的車身一體成型，由3D打印機打印，共有212層碳纖維增強熱塑性塑料。辛辛那提公司負責提供制造Strati使用的大幅面增材制造3D打印機，能夠打印3英尺×5英尺×10英尺（約合90厘米×152厘米×305厘米）的零部件。

       最近來自美國舊金山的Divergent Microfactories(DM)公司推出了世界上首款3D打印超級跑車“刀鋒(Blade)”。該公司表示此款車由一系列鋁制“節(jié)點”和碳纖維管材拼插相連，輕松組裝成汽車底盤，因此更加環(huán)保。

       Blade 搭載一臺可使用汽油或壓縮天然氣為燃料的雙燃料700馬力發(fā)動機。此外由于整車質量很輕，整車質量僅為1400磅(約合0.64噸)，從靜止加速到每小時60英里(96公里)僅用時兩秒，輕松躋身頂尖超跑行列。

       2015年7月，美國舊金山的Divergent Microfactories(DM)公司推出了世界上首款3D打印超級跑車“刀鋒(Blade)”。

電子行業(yè)

       2014年11月10日，全世界首款3D打印的筆記本電腦已開始預售了，它允許任何人在自己的客廳里打印自己的設備，價格僅為傳統(tǒng)產品的一半。

       這款筆記本電腦名為Pi-Top，將會到2015年五月才會正式推出。但是，通過口耳相傳，它已在兩周內累計獲得了7.6萬英鎊的預訂單。

增材制造工程

       增材制造工程（Additive Manufacturing Engineering）是中國普通高等學校的一個本科專業(yè)，該專業(yè)于2021年被列入普通高等學校本科專業(yè)目錄的新專業(yè)名單。以下是對增材制造工程專業(yè)的詳細解析：

一、專業(yè)定義

       增材制造工程俗稱3D打印，融合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術，以數(shù)字模型文件為基礎，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料以及生物材料，按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，獲得實體物品的制造技術。這種通過軟件控制自動化機構實現(xiàn)材料累加的制造方法，可以制備傳統(tǒng)方法無法制備的復雜構件，涵蓋計算科學、智能控制、材料工程等多門學科和方向。

二、主干學科與涉及領域

       增材制造工程專業(yè)涉及的主干學科包括機械工程、控制科學與工程、力學、材料科學與工程等。該專業(yè)服務于中國制造強國戰(zhàn)略，助力國家制造業(yè)創(chuàng)新能力提升，面向航空航天、軌道交通、汽車、醫(yī)療、教育、建筑、藝術、工業(yè)制造等戰(zhàn)略新興產業(yè)領域，具有廣闊的應用前景。

三、專業(yè)培養(yǎng)目標

       增材制造工程專業(yè)旨在培養(yǎng)德智體美勞全面發(fā)展，掌握扎實的科學文化基礎和產品三維設計，增材制造材料、工藝和設備等知識，具備增材零部件設計、制造及后處理等能力，具有工匠精神和信息素養(yǎng)的高素質技術技能人才。畢業(yè)生能夠從事產品數(shù)字化設計、增材制造工藝制訂與實施、增材制造設備操作與維護、增材制造產品后處理、增材制造技術服務與推廣、增材制造設備裝調等工作。

四、應用領域與前景

       增材制造技術在多個領域得到廣泛應用，如醫(yī)療、航空航天、汽車制造等。在醫(yī)療領域，它可以用來制造個性化的假肢、牙齒、骨骼支架等；在航空航天領域，增材制造技術可以用來制造輕量化的零部件，提高飛機的燃油效率；在汽車制造領域，它可以用于快速制造零部件和原型。此外，增材制造技術還可用于建筑、衛(wèi)生潔具、消費品制造等領域。

       隨著增材制造技術的快速發(fā)展和成本的降低，其應用前景更加廣闊。市場研究機構的預測表明，全球增材制造市場規(guī)模在未來幾年內將持續(xù)增長，年復合增長率較高。因此，增材制造工程專業(yè)的畢業(yè)生在市場上享有較高的需求，可以在高科技企業(yè)、航空航天、醫(yī)療器械、汽車等領域找到工作機會。

五、總結

       增材制造工程專業(yè)是一個多學科交叉融合的新興專業(yè)，結合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術等多個領域的知識。該專業(yè)致力于培養(yǎng)具備增材制造相關知識和技能的高素質技術技能人才，滿足制造業(yè)轉型升級對人才的需求。隨著增材制造技術的不斷發(fā)展和應用領域的不斷拓展，增材制造工程專業(yè)的畢業(yè)生將擁有廣闊的就業(yè)前景和發(fā)展空間。

專業(yè)

       增材制造專業(yè)，也被稱為增材制造工程或3D打印技術專業(yè)，是一個多學科交叉融合的新興專業(yè)。以下是對該專業(yè)的詳細介紹：

一、專業(yè)定義與背景

       增材制造專業(yè)融合了計算機輔助設計、材料加工與成型技術，以數(shù)字模型文件為基礎，通過逐層堆積材料的方式獲得實體物品的制造技術。這一專業(yè)于2021年被列入普通高等學校本科專業(yè)目錄的新專業(yè)名單，是中國普通高等學校開設的本科專業(yè)。增材制造技術（3D打?。┍灰暈槲磥碇圃鞓I(yè)發(fā)展的重要方向，具有廣闊的應用前景和市場需求。

二、技術原理與特點

       技術原理：通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)，將專用材料逐層堆積，最終獲得實體物品。

       特點：增材制造技術無需輔助工具即可在較短時間內制造復雜幾何零件，能夠簡化產品的制造程序，縮短產品研發(fā)周期，提高生產效率并降低成本。

三、學科交叉與課程設置

       學科交叉：增材制造專業(yè)涉及機械工程、控制科學與工程、力學、材料科學與工程等多個學科。

       課程設置：包括高等數(shù)學、大學英語、機械制圖、理論力學、材料力學、機械原理、機械設計等基礎課程，以及增材制造技術概論、產品逆向設計、產品三維設計、增材制造設備與工藝、增材制造材料及應用、增材制造結構優(yōu)化與工藝仿真、增材制件后處理與檢測等專業(yè)核心課程。

四、就業(yè)方向與前景

       就業(yè)方向：畢業(yè)生可在航空航天、汽車、醫(yī)療設備等領域找到工作，擔任設計師、工程師等職位。還可選擇成為教師或培訓師。隨著增材制造技術的普及，教育和培訓領域的需求也在增長。

       就業(yè)前景：增材制造技術的就業(yè)前景非常廣闊。市場研究機構的預測表明，全球增材制造市場規(guī)模將持續(xù)增長，專業(yè)人才需求也將增加。畢業(yè)生能在增材制造等領域從事產品設計、技術服務、設備維護等工作。

五、發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

       技術創(chuàng)新：增材制造技術仍在不斷進行技術創(chuàng)新，未來可能會采用更多的智能化和自動化技術，如機器學習和人工智能等，以提高制造的精度和效率。

       產業(yè)規(guī)?；?/strong>增材制造的產業(yè)規(guī)模正在不斷擴大，未來可能會形成更加完整的產業(yè)鏈和生態(tài)系統(tǒng)。

       應用領域擴展：隨著技術的進步和應用的需求，增材制造可能會擴展到更多的領域，如汽車、電子、消費品等。

       可持續(xù)性和環(huán)保：增材制造技術具有可持續(xù)性和環(huán)保的潛力，未來可能會進一步關注環(huán)保和可持續(xù)性方面的發(fā)展。

六、開設院校與教學資源

       多所高校和職業(yè)院校都開設了增材制造專業(yè)，并擁有豐富的教學資源和實訓條件。例如，一些院校擁有國家級的3D打印應用技術協(xié)同創(chuàng)新中心，以及先進的3D打印設備和實驗室，為學生提供了良好的學習和實踐環(huán)境。

       綜上所述，增材制造專業(yè)是一個具有廣闊應用前景和發(fā)展空間的專業(yè)，融合了多個學科的知識和技術，旨在培養(yǎng)高素質工程技術人才。對于對技術和制造感興趣的學生來說，這是一個值得考慮的選擇。