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

來(lái)源：長(zhǎng)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(guó)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(guó)北肯塔基大學(xué)的科研人員綜述報(bào)道了增材制造：塑造制造業(yè)未來(lái)的技術(shù)——趨勢(shì)、挑戰(zhàn)與機(jī)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(gè)復(fù)雜性加劇、競(jìng)爭(zhēng)激烈且變革加速的時(shí)代，對(duì)快速原型設(shè)計(jì)日益增長(zhǎng)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(jí)功能性和結(jié)構(gòu)性組件的設(shè)計(jì)提供了動(dòng)力。為厘清制造業(yè)格局，本文簡(jiǎn)要概述了傳統(tǒng)（減材）制造技術(shù)及其最新趨勢(shì)。在資源日益緊張和人口指數(shù)增長(zhǎng)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(jìn)展與應(yīng)用，并分析了該技術(shù)對(duì)非洲新興技術(shù)生態(tài)的里程碑意義、發(fā)展趨勢(shì)、機(jī)遇與挑戰(zhàn)。本綜述指出，增材制造是實(shí)現(xiàn)非洲聯(lián)盟《2063年議程》的關(guān)鍵推動(dòng)力，為克服工業(yè)多元化、青年失業(yè)和技術(shù)自主等長(zhǎng)期挑戰(zhàn)提供了可行路徑。通過(guò)本土化增材制造應(yīng)用和數(shù)字化工作流程，可實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和制造主權(quán)的規(guī)模化解決方案，對(duì)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(jì)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(dòng)化應(yīng)用趨勢(shì)

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

圖8.基于Scopus數(shù)據(jù)庫(kù)索引的全球研究產(chǎn)出前20國(guó)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(guó)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(lái)。本文概述了從三維模型開(kāi)發(fā)、表面鑲嵌文件轉(zhuǎn)換、G代碼生成、實(shí)體構(gòu)建到后處理及最終測(cè)試（驗(yàn)證與確認(rèn)）的八大關(guān)鍵步驟，重點(diǎn)分析了ASTM標(biāo)準(zhǔn)下的七類增材制造技術(shù)及其適用材料，同時(shí)簡(jiǎn)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(jì)算模型與打印過(guò)程的集成加速了材料設(shè)計(jì)周期，使復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)相比傳統(tǒng)方法更具優(yōu)勢(shì)。增材制造自動(dòng)化趨勢(shì)體現(xiàn)在人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用、機(jī)器人集成、原位監(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制、增強(qiáng)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(shí)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(jì)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(jì)算與實(shí)驗(yàn)方法，評(píng)估了各類技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用材料。

航空航天、汽車、機(jī)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�；�于分層堆積的設(shè)計(jì)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(guó)、中國(guó)、德國(guó)和英國(guó)通過(guò)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(jìn)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(lái)研究開(kāi)辟了新方向，包括自動(dòng)化挑戰(zhàn)、材料自下而上設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用理解以及可持續(xù)制造策略等。自動(dòng)化戰(zhàn)略研究涵蓋：利用機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化多變量工藝參數(shù)、機(jī)器人系統(tǒng)集成、自主化量產(chǎn)設(shè)施開(kāi)發(fā)、原位監(jiān)測(cè)技術(shù)及后處理自動(dòng)化等低風(fēng)險(xiǎn)高價(jià)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(kāi)發(fā)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式、溫室氣體減排、節(jié)能打印工藝及全生命周期評(píng)估等，這些對(duì)功能性結(jié)構(gòu)件的未來(lái)設(shè)計(jì)具有深遠(yuǎn)影響。

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