中国3D打印行业在过去5年中，市场规模复合增速达49.1%。增材制造”是否将成为下一个工业领域的风口？ 这期技术焦点文章，让我们掀开这一炫酷技术的神秘面纱。
增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术，俗称3D打印，是基于分层制造原理，采用材料逐层累加的方法，直接将数字化模型实施为实体零件的一种新型制造技术。
三维模型数据及材料累加制造是该技术的两大基础。
世界上最早的3D打印诞生于上世纪80年代。1986年，美国科学家Charles Hull 获得SLA(光固化立体成型)技术发明专利，这项3D打印技术最早应用于分离双胞胎连体女童。
3D 打印技术发明者 Charles Hull， 图片来源：The Guardian
历经三十多年的发展，3D打印技术日臻完善，目前广泛应用的有四种3D打印技术。
FDM是目前应用颇为广泛的一种工艺，也称为融长丝制造fused filament fabrication (FFF)，是软件数学分层的定位模型构建，通过加热层挤出热塑性纤维。
FDM适用于任何形状和尺寸的复杂几何建筑耐用部件。FMD加热头把热熔性材料（ABS，PA, POM）加热到临界状态，使其呈现半流体状态，然后加热头会在软件控制下沿CAD确认的二维几何轨迹运动，同时喷头将半流动状态的材料挤压出来，材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层。
FDM具备卓越的热稳定性和耐化学性，并有良好的强度重量比，甚至可以生成支撑结构。
FDM打印技术
SLA是一种最流行的打印方式，该工艺的基础是能在紫外光照射下产生聚合反应的光敏树脂，借助计算机辅助制造（如CAD或CAM），紫外激光沿着零件各分层截面轮廓，对液态树脂进行逐点扫描。被扫描到的树脂薄层会产生聚合反应，由点逐渐形成线，最终形成零件的一个薄层的固化截面，而未被扫描到的树脂保持原来的液态。当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂，用以进行再一次的扫描固化。
SLA 工艺能够呈现较高的精度、较好的表面质量，并能制造形状特别复杂和特别精细的零件，因此适用于制造精美的工艺品和首饰。
Formlabs 研制的SLA打印机
3. SLS （Selective Laser Sintering）选择性激光烧结技术
SLS利用粉末材料在激光照射下高温烧结的基本原理，通过计算机控制光源定位装置实现精确定位，然后逐层烧结堆积成型。与SLA 光固化工艺相似，SLS工艺也需要借助激光将物质固化为整体，不同的是，SLS工艺使用的是红外激光束，材料则由光敏树脂变成了塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末。
SLS打印
3DP最早由美国麻省理工学院 (MIT) 于 1993 年开发。该技术通过使用液态连结体将铺有粉末的各层固化，以创建三维实体原型。与SLS工艺一样，3DP也是通过将粉末粘结成整体来制作零部件，不同之处在于，它不是通过激光熔融的方式粘结，而是通过喷头喷出的粘结剂进行粘结。
3DP技术成型速度快，价格低廉，但强度、韧性相对较低，多应用于砂模铸造、建筑、工艺品、动漫、影视道具制作领域。
激光增材制造(Laser Additive Manufacturing，LAM)技术是一种以激光为能量源的增材制造技术，激光具有能量密度高的特点，可实现难加工金属的制造，比如航空航天领域采用的钛合金、高温合金，铁基合金、铝合金、难熔合金、非晶合金、陶瓷以及梯度材料等。
激光增材制造技术还具有不受零件结构限制的优点，可用于结构复杂、难加工以及薄壁零件的加工制造。LAM技术在航空航天领域中高性能复杂构件和生物制造领域中多孔复杂结构制造具有显著优势。
DMG Mori研制的Lasertec 65 3D 系统
激光增材制造技术按照其成形原理进行分类，主要有两类：以粉床铺粉为技术特征的激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)，和以同步送粉为技术特征的激光金属直接成形(Laser Metal Direct Forming，LMDF)技术。
SLM是利用高能量的激光束，按照预定的扫描路径，扫描预先铺覆好的金属粉末将其完全熔化，再经冷却凝固后成形的一种技术。SLM技术由SLS技术发展而来。
SLM技术所采用的一般成形原料为金属粉末，如不锈钢、镍基高温合金、钛合金、钴铬合金、高强铝合金以及贵重金属等。
SLM原理
优势：
成品达到锻件水平
力学性能良好、零件精度高
劣势：
不适合制造大型的整体零件
国内外研制力度：
目前，对SLM技术的研究主要集中在德国、美国、日本等国家，主要是针对SLM设备的制造和成形工艺两方面展开。国外有许多专业生产SLM设备的公司，如美国的PHENIX、3D SYSTEM公司；德国的EOS、CONCEPT、SLM SOULITION公司；日本的MATSuuR、SODICK公司。
中国对SLM设备的研究主要集中在高校，华中科技大学、西北工业大学和华南理工大学等高校在SLM设备生产研发方面做了大量的研究工作。
国内使用的SLM设备主要还是以国外的产品为主，这将是今后中国SLM技术发展的一个重点方向。
激光金属直接成形(Laser Metal Direct Forming，LMDF)技术是利用快速原型制造的基本原理，是结合同步送粉和激光熔覆技术发展起来的一项激光增材制造技术。
它以金属粉末为原材料，采用高能量的激光作为能量源，按照预定的加工路径，将分步送给的金属粉末进行逐层熔化，快速凝固和逐层沉积，从而实现金属零件的直接制造。
LMDF原理
优势：
无需模具，快速成形
成形尺寸不受限制，可实现大尺寸零件制造
可实现不同材料的混合加工
可对损伤零件实现快速修复
国内外研究重心
近年来，LMDF技术受到了许多国家的重视。2013年欧洲空间局(ESA)提出了“ (AMAZE)计划”，即“以实现高技术金属产品的高效生产与零浪费为目标的增材制造项目”，云集了法国Airbus公司、欧洲宇航防务集团(EADS)的Astrium公司等28家机构，共同从事激光金属增材制造方面的研究。
美国的Sandai国家实验室和Los Alomos国家实验室针对镍基高温合金、不锈钢、钛合金等金属材料进行了大量的激光金属直接成形研究，所制造的金属零件不仅形状复杂，且其力学性能接近甚至超过传统锻造技术制造的零件。美国国防航空航天局(NASA)喷气推进实验室开发出一种新的光金属直接成形技术，可在一个部件上混合打印多种金属或合金，解决了长期以来飞行器尤其是航天器零部件制造中所面临的一大难题——在同一零件的不同部位具有不同性能
国内，清华大学在激光快速成形同轴送粉系统的研制及熔覆高度检测及控制方面取得了研究进展、西北工业大学通过对单层涂覆厚度、单道涂覆宽度、搭接率等主要参数进行精确控制，获得件内部致密，表面质量良好的成形件、西安交通大学优化了激光金属直接成形DZ125L高温合金零件过程中的工艺参数。
增材制造作为其中一项代表性技术，早已纳入我国国家重点发展领域的规划中，随着国家级、地方级政策的相继推出，国内增材制造的实力升级未来可期！
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