增材制造：重塑未来制造格局的创新力量

中图分类号：TH164 文献标志码：A 文章编号： A

Abstract： Additive manufacturing creates three-dimensional objects by layer-by-layer material deposition based on digital models. It subverts the traditional subtractive and equal material manufacturing modes， bringing numerous advantages to the manufacturing industry， such as enhanced design freedom， shortened production cycles， improved material utilization， and personalized customization. This paper conducts an in-depth analysis of additive manufacturing technology， comprehensively expounds its principles， classifications， key technologies， application fields， existing challenges， and future development trends， aiming to provide a systematic reference for research and applications in related fields.

Key words： additive manufacturing; 3D printing; digital model; manufacturing technolo

引言

制造业作为国家经济发展的基石，其技术创新一直是推动产业进步和社会发展的关键动力。传统制造技术，如减材制造（切削、磨削等）和等材制造（铸造、锻造等），在过去的工业发展历程中发挥了重要作用，但它们在面对复杂结构制造、个性化定制需求以及材料浪费等问题时，逐渐显露出局限性。增材制造作为新兴的制造技术，应用领域不断扩展，成为先进制造领域发展最快的技术方向之一；增材制造产业的发展为现代制造业的培育壮大以及传统制造业的转型升级提供了宝贵契机 [1]。它基于三维模型数据，以加法的方式采用激光、喷射等工艺逐层叠加材料，构建三维实体，具有柔性制造、去模具、减废料、降库存等独特优势，使其成为传统工艺的重要补充，并在众多领域得到广泛应用 [2]。随着材料科学、信息技术、自动化控制等多学科领域的不断融合与进步，增材制造技术还将持续创新发展，为未来制造格局带来更为深远的变革。

1 增材制造的原理与发展历程

1.1 基本原理

增材制造，通常也被称为 3D 打印，是采用离散 / 堆积成型的原理，通过离散获得堆积的路径、限制和方式，经过材料堆积叠加形成三维实体的一种前沿材料成型技术 ¹³⋅ 。其核心过程是将三维数字模型通过切片软件进行分层处理，转化为一系列具有特定厚度的二维截面数据。然后，制造设备依据这些二维数据，按照预设的路径，将材料以逐层堆积的方式逐渐累加，最终形成三维实体产品。

在材料堆积过程中，不同的增材制造工艺采用不同的方式实现材料的逐层固化或连接。例如，在熔融沉积成型（FDM）工艺中，热塑性塑料丝材在喷头中被加热至熔融状态，然后通过喷头挤出并按照二维截面路径逐层堆积，冷却后固化成型；在光固化立体成型（SLA）工艺中，利用紫外光照射液态光敏树脂，使其在特定区域逐层固化，从而构建出三维物体；选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化（SLM）工艺则是通过高能激光束扫描粉末材料，使粉末在激光作用下逐层烧结或熔化并凝固成型。

1.2 发展历程

增材制造技术的发展可以追溯到20 世纪80 年代初期。1984 年，Charles Hull 发明了立体光刻技术，并于 1986 年创立了 3D Systems公司，推出了世界上第一台商业 3D 打印机，标志着增材制造技术开始走向商业化应用。此后，随着计算机技术、材料科学和激光技术的不断进步，增材制造技术得到了快速发展，各种新的工艺和设备不断涌现。

20 世纪90 年代，熔融沉积成型（FDM）、选择性激光烧结（SLS）等工艺相继问世，进一步拓展了增材制造的应用范围。这些工艺在原型制造领域得到了广泛应用，帮助企业快速验证产品设计理念，缩短产品开发周期。进入 21 世纪，增材制造技术在材料种类、成型精度、制造速度等方面取得了显著突破，逐渐从原型制造向直接制造功能性零部件方向发展。特别是在航空航天、医疗等对零部件性能要求极高的领域，增材制造技术凭借其能够制造复杂结构零部件的优势，得到了越来越多的应用。近年来，随着多材料打印、生物打印、大型结构件打印等技术的不断发展，增材制造技术正朝着更加多元化、智能化、规模化的方向迈进，为制造业的变革带来了新的契机。

2 增材制造的工艺分类与特点

2.1 熔融沉积成型（FDM）

FDM 技术是增材制造领域应用最为广泛的类型。它的原理是：把热塑性高分子材料制成细丝状耗材，再使用电机送进打印机喷嘴，用一定温度加热使其熔化。从喷嘴挤出的熔融长丝定量地沿着印刷件的横截面轮廓和填充轨迹移动，消耗品被硬化和层层堆叠，形成最终产品 [4]。其优势在于设备成本低、操作简单，适合初学者和小企业；原材料为热塑性塑料丝材（如 ABS、PLA、PC 等），成本低且来源广。在教育领域，可辅助教学和学生创新项目；在产品设计阶段，用于制作概念模型和功能原型，快速验证设计并降低研发成本。但局限性明显：成型精度较低，表面粗糙度大，打印速度慢高精度或高表面质量零件需后续打磨、抛光；打印复杂结构时需添加支撑，增加材料消耗和后处理难度。

2.2 光固化立体成型（SLA）

SLA 是最早出现的增材制造工艺之一，主要以光敏树脂为原料，其基本理论是以光敏树脂快速固化为基础，光敏树脂在特定波长的紫外线照射下，会发生聚合反应立并固化，从点到线依次固化，完成层截面绘制，然后层层重叠，完成 3D 实体打印工作 [5]。其突出优势是成型精度极高，可达亚毫米甚至微米级，适合制造珠宝模型、牙科修复体、精密模具等高精度零件；零件表面光滑，减少后处理工作量。材料为各类光敏树脂，可根据需求选择高强度、耐高温、透明等特性的类型。但存在不足：设备成本高，需配备高精度紫外光扫描系统和光学元件；光敏树脂价格贵，部分有刺激性，需注意安全防护；零件尺寸受设备工作空间限制，难以制造大型件，且机械强度有限，不适合高强度结构件应用。

2.3 选择性激光烧结（SLS）

SLS 通过高能激光束扫描粉末材料，将其加热至接近熔点，使粉末颗粒烧结结合形成三维结构。显著优势是材料适应性强，可使用金属、塑料、陶瓷粉末及复合材料，应用潜力广泛：航空航天领域用钛合金、铝合金粉末制造高性能零部件，满足轻量化和高强度需求；汽车制造领域用塑料粉末打印内饰件和原型。打印时无需支撑（粉末自身可支撑），节省材料和后处理工序，便于制造复杂内部结构和悬空零件，提升设计自由度。制造速度较快，适合批量生产中小尺寸零件。缺点包括：粉末烧结存在孔隙率，零件密度和机械性能不及传统锻造或铸造件，需热等静压等后处理提升性能；设备价格昂贵，运行维护成本高，对操作人员技术要求高，限制了在中小企业的普及。

2.4 选择性激光熔化（SLM）

SLM 与 SLS 类似，但利用高能激光将金属粉末完全熔化后凝固成型，因此金属零件密度和机械性能更高，可接近甚至超过传统锻造件，在航空航天、医疗、高端装备制造等对性能要求极高的领域应用广泛。例如，航空航天领域可制造带复杂内部冷却通道的发动机叶片，提升热效率、减轻重量；医疗领域可定制金属植入物（如髋关节），其多孔结构促进骨组织生长，提高生物相容性。SLM 能实现高精度制造，满足精细特征和复杂几何形状需求。但挑战在于：设备成本高昂（需高功率激光器和高精度扫描系统），金属粉末材料贵，制造成本高；激光熔化时温度梯度大，易产生残余应力和变形，需优化工艺参数、添加支撑及热处理，对工艺控制和操作人员技术要求高。

2.5 数字光处理（DLP）

DLP 利用数字微镜器件（DMD）将光投影到液态光敏树脂上，一次性固化整层树脂实现快速成型。最大优势是打印速度极快，相比 SLA 能短时间完成大量树脂固化，适合对生产速度要求高的场景（如快速制造小型零部件、批量生产文创产品和教育模型）。成型精度高（亚毫米级），可制造精细细节零件，适用于珠宝首饰、小型模具、电子产品零部件等。材料与 SLA 类似，为光敏树脂，种类丰富，可按需选择。但存在不足：设备成本虽低于部分高端设备，但仍需一定投资；液态光敏树脂储存和使用需避光、防污染，以保证性能和打印质量；零件尺寸受设备工作区域限制，难以制造大型件，机械性能有限，高强度应用中可能需增强或与其他材料结合。

3 增材制造的关键技术

3.1 材料单元控制技术

该技术通过精确控制材料单元堆积时的物理与化学变化，保障零件性能和精度。金属增材制造中，激光熔化形成的熔池尺寸及外界气氛是关键：熔池过大易导致尺寸偏差和表面粗糙，过小则影响结合强度；杂质气体进入会引发金属氧化、氮化，降低性能。需优化激光功率、扫描速度等参数控制熔池，同时用惰性气体保护营造纯净环境。聚合物增材制造中，可通过调节打印温度、冷却速度等，控制材料结晶度和取向，如FDM 工艺中提高打印温度、减慢冷却，能改善零件力学性能。

3.2 设备再涂层技术

作为材料累加的必要工序，其性能直接影响零件累加方向的精度和质量。当前分层厚度向 0.01mm 以下发展，控制层厚及稳定性是提升精度、降低粗糙度的关键。常见方法有刮刀涂层（适用于多种材料，精度较高但可能损伤已成型层）、滚轮涂层（速度快但均匀性较差）、粉末床再涂层（广泛用于 SLS、SLM 等工艺，铺粉快但复杂零件易填充不均）。需优化设备结构和参数，结合传感器实时监测涂层状态，通过反馈控制提升质量稳定性。

3.3 高效制造技术

随增材制造在大型构件领域的应用，高效制造成为研究重点。例如制造 6m 长钛合金飞机框睴时，单激光束耗时过长，多激光束同步制造可通过多束同时作用缩短时间，但需解决各区域组织一致性及结合区质量问题，需开发协同控制算法并优化结合区工艺。此外，将增材与传统切削制造结合，发展复合制造技术，也是提高效率的重要方向。

4 总结与展望

增材制造作为颠覆性的制造技术，正从根本上改变传统生产模式。它以逐层堆积的独特方式，突破了复杂结构制造的限制，在航空航天、医疗、汽车等领域展现出强大潜力——从定制化医疗植入物到轻量化航空部件，其应用持续拓展。未来，随着材料技术的突破（如高性能金属、生物材料）、设备精度与效率的提升，以及与人工智能、物联网的深度融合，增材制造将实现更高效、更智能的生产。它不仅会推动个性化制造的普及，还将助力供应链的本地化与柔性化，大幅降低研发周期与成本。然而，标准体系的完善、成本控制及规模化生产仍是需攻克的挑战。总体而言，增材制造有望成为未来制造业的核心支柱，重塑全球产业格局，为创新与可持续发展注入强劲动力。

【参考文献】

[1] 王磊 ， 卢秉恒 . 我国增材制造技术与产业发展研究 [J].中国工程科学 ，2022，24（04）：202-211.

[2] 王健 .3D 打印 - 增材制造技术快速发展 [J]. 网印工业 ，2025，（04）：1.

[3] 张洪宝 ， 胡大超 . 增材制造技术的应用及发展 [J]. 上海应用技术学院学报（自然科学版），2016，16（1）：93-98.

[4] 梅彭 ， 郭纯 . 树脂基复合材料 FDM 3D 打印技术发展现状研究 [J]. 科技与创新 ，2023（14）：36-38，42.

[5] 孔祥忠 . SLA 光固化 3D 打印成型技术研究 [J]. 中国设备工程 ，2021（11）：207-208.

【作者简介】董王妍（1994-），女，安徽工业经济职业技术学院，助教，研究方向为机械工程。

周 琪（1998-），男，安徽工业经济职业技术学院，助教，研究方向为机械工程。