增材制造（3D打印）技術已然成為未來制造業發展的重要趨勢之一。隨著產品精度的提高和成本的的降低，3D打印技術在汽車、航空以及醫療等行業取得了越來越多的應用和進展。
還記得在2014年芝加哥國際制造技術展覽會（IMTS）上，由3D打印零部件組裝的汽車，從眾多展品中脫穎而出，吸引了很多人的目光，這一切都得益于3D打印技術所取得的成果，所使用的機器和運動控制技術、以及材料科學所取得的進步。汽車車身材料為碳纖維增強聚合物，車輪和輪轂則由金屬材料直接打印而成。整個過程花費44小時，包括40個部件。當打印完成后，首臺3D打印汽車的試駕活動，吸引了眾多媒體的關注和報道。
在2014年度的IMTS 展覽上，辛辛那提公司的大面積增材制造（BAAM）系統，被用于生產3D打印汽車。圖片來源：辛辛那提公司
在2014年度的IMTS 展覽上，辛辛那提公司的大面積增材制造（BAAM）系統，被用于生產3D打印汽車。圖片來源：辛辛那提公司
從此以后，隨著技術的不斷發展進步，3D打印持續成為制造業的討論熱點，獲得了工業設計人員、生產制造商和工程教育人員的關注。
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3D打印汽車的微工廠
在2014年的IMTS展覽期間，辛辛那提公司的大面積增材制造（BAAM）系統，主要用于生產3D打印汽車。最近，他們出售了其中兩套系統給總部位于美國菲尼克斯的Local Motors汽車設計公司，用于“微工廠”的生產。BAAM系統的工作范圍最大可達 2.4 × 6× 2 米，大規模增材設備使用底盤、驅動器和激光切削系統的控制作為基礎。BAAM由線性馬達驅動，擠壓融化的熱塑材料，層層打印部件，相較于現有的增材設備，其速度可提高200到500倍，尺寸則提高10倍。
在占地不到4000平方米的廠區內，Local Motor的“微工廠”可以生產在高速路行駛的3D打印車、在公路上行駛的高檔越野車以及社區電動車，每年的生產能力高達250輛。客戶可以親臨微工廠，設計并采購汽車，然后現場就可以“打印”出來。Local Motor公司計劃在下一個十年，在全世界建設100個這樣的“微工廠”。
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航空和醫療產業的3D打印
據IDTechEx的一份報告中指出，金屬行業的3D打印市場增速最快，其銷售額增速高達50%，材料銷售增速超過30%。在高價值、低產量行業尤其是航空航天、生物醫學，由于需要考慮如何快速制造不同的高精度零部件以及各種物料，目前更是充分利用3D打印技術的重點領域。因此，無論是醫療行業還是航空航天工業，都在投資諸如鈷、鎳和鋁等合金，以便提供可生產和打印的多樣性材料。
最近，GE航空集團和法國斯奈克瑪公司向空中客車公司交付了首批裝有3D打印燃油噴嘴的LEAP發動機。據悉，GE公司在阿拉巴馬州投資了5000萬美元建設新工廠，其主要任務就是使用3D打印技術生產新一代LEAP噴氣發動機的燃料噴嘴，以及制造發動機的渦輪葉片。該發動機所使用的燃料噴嘴，由高溫合金打印而成，而葉片則由釹碳復合材料編織而成。發動機還采用了部分輕、耐熱陶瓷基復合材料（CMC）。通過這種途徑制造的發動機，可以減少碳排放量，提高燃油效率。
“增材制造正在趨向為發電機渦輪葉片這類的更大尺寸金屬件提供制造可能性，這一趨勢可以在IMTS 展會現場一覽無遺。”美國機械制造協會（AMT）副總裁Peter Eelman 先生說道。在2016年美國芝加哥國際制造展（IMTS）的AMT新興技術中心設置了增材制造展示專區，共有19家企業帶來包括金屬、塑料等多種材料零部件的增材制造解決方案。
在醫療行業中，3D打印被用于靜態應用，如骨科植入物。它們也被用來打印牙齒、骨骼、復雜的結構，甚至用于教學的人類心臟模型。該模型旨在提供CT掃描無法提供的信息，幫助醫生準備復雜的外科手術。在教學環境中，它們也大顯身手，可以為醫生提供具體的工作和實驗，而不僅僅是抽象的概念。
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面向教育的3D打印機器人
想象一下，遇到一個機器人，可以播放“西蒙說”、可以響應指令、甚至可以自拍的情景吧。在美國新澤西州的自由科學中心，通過一款名為SARA的機器人，任何人都可以做上述事情，甚至更多。SARA是由3D打印而成的機器人，具有完整的人形上半身，可以進行互動的。新澤西州霍博肯的史蒂文斯理工學院的學生開發了該機器人，它可以移動、旋轉、舉手臂，拾取物品和擺動手指。
LSC公司總裁兼首席執行官Paul Hoffman說，“我們的很多客人，都是初中生和高中生，年齡與史蒂文斯學院的學生相差不大。這尤其令我們興奮，激發著我們年輕的客戶，在社區內與史蒂文斯團隊分享他們令人震驚的作品。”
基于法國設計師Gael Langevin和他的InMoov開源項目工作，SARA機器人是由計算機輔助設計（CAD）設計而成的。大約由100個部件組成，包括關節、“骨頭”和其它用聚氯乙烯（PVC）塑料打印而成的機器人機械部件。
史蒂文斯原型對象制作（PROOF）實驗室主任Kishore Pochiraju教授，與自由科學中心協調，舉辦了該項展覽，吸引了大批年輕人參觀該中心。
“我們非常高興，能夠把史蒂文斯學生的聰明才智，與我們自己的技術結合起來實現的一個有趣的應用，展現給不同的觀眾。”Pochiraju說，“我們希望它能吸引一些年輕人來參觀科學中心，并讓他們對科學和工程教育職業感興趣。”
在新澤西自由科學中心，舉辦了一個名叫SARA的機器人展，這些機器人是由位于新澤西霍博肯的史蒂文斯理工學院的學生開發制造的。圖片來源：史蒂文斯理工學院
3D打印的制造業前景
隨著3D打印越來越具經濟性，制造業對3D打印的潛在商業收益也越來越感興趣。2016年5月18日，西門子公司宣布與惠普公司結成了一項重要的合作關系。這兩家公司將共同致力于推動將3D打印從原型應用到可用于完整生產的可行性研究。
此前一天，惠普正式推出了備受市場期待的3D打印解決方案，分別是HP Jet Fusion 3D 3200和HP Jet Fusion 3D 4200。據悉，這兩款產品都在體素（voxel）的基礎上實現了精度、細節和熱力學方面的控制，3D打印速度提升了十倍，而每個打印對象的成本降至最低，材料的可重用性也大幅提升。其中4200被設置為具備更高的制造能力水平，可以滿足從原型到短期制造等各方面的需求，甚至可以滿足同日交付的業務需要。
西門子的3D打印軟件可以在惠普新的Jet Fusion 3D打印機上實現多種材料和多種顏色的3D打印。另外，西門子公司開發的軟件可以最大限度的提高惠普3D打印機的成型精度，其軟件能夠進行打印控制，并將對于打印對象顏色和材料的控制延伸到體素水平。這些優勢以及惠普3D打印機更快的速度和更低的打印成本，將使3D打印成為最終產品制造和研發的一個非常好的選擇。
“3D打印正在為制造業帶來一場工業革命，企業可以利用3D打印來實現創造性和創新型產品的開發。”西門子PLM軟件的總裁兼首席執行官Chuck Grindstaff說道。
工業增材制造技術要想超越現有細分制造方式的狀態，變成一種大面積普及的主流制造應用，就必須具備降低其成本和復雜性，并保持其較高產品穩定性的特質。以金屬3D打印為例，打印出來的部件不僅需要廣泛的后處理，而且在此之后還需要進行測試，以確保沒有缺陷或者錯誤，避免在使用的時候出現問題。
為了更高效的解決上述問題，金屬增材制造公司Sciaky最近開發了一種被稱之為層間實時成像與傳感系統（IRISS）的金屬3D打印技術。IRISS可以對零件外形、機械性能、微觀組織以及大型3D打印部件的金屬化學性能提供一致的過程監控。該技術可以實時監測金屬沉積過程，及時調整過程參數，以彌補在整個打印過程中的波動，從而減少制造后的檢測時間，并能通過實時打印調整來改進最終產品的質量。通過IRISS技術將使電子束增材制造（EBAM）用戶在打印大尺寸金屬部件過程中，實現對幾何形狀、機械性能、微結構構建和金屬化學等方面穩定、可靠地控制。
“增材制造已然成為未來制造業發展的重要趨勢之一，雖然它并不完全成熟，但是技術發展之快，如果你忽略了3D打印，那么你可能就犯了一個大錯誤。”全球商業咨詢服務公司的創始人David Burns說。
例如，Burns引用了3D打印對航空部件的重新設計，其中3D打印將每個部件的重量從7磅減小到2磅，并且提供更好的機械性能。每個部件節省5磅的重量，對航空公司來說，可能意味著每年節省上百萬美元的燃油成本。
在另一個示例中，3D打印能夠在用于注塑成型部件的工具中集成共形冷卻通道。新設計減少了循環時間，減少了與變形相關的廢品率，并且能講生產率提高20％至70％。 此外，3D打印使設計團隊能夠將18個零件組合成1個單一組件，減輕了25％的重量，更重要的是，減少了維護問題。
“將3D打印的設計理念集成到工業應用中，需要完全不同的方法。你需要擴展你的思維，以充分利用3D打印的力量。” Burns說， “成本節約和生產效率的提高將來自于你還沒有想象到的方式。”
“將3D打印的設計理念集成到工業應用中，需要完全不同的方法。你需要擴展你的思維，已充分利用3D打印的力量。”
關鍵概念
1.制造業將成為未來3D打印技術應用的重要領域之一。
2.實時監控和反饋系統，將幫助用戶提高大型金屬3D打印的產品質量。
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