增材制造(AM)，通常被称为3D打印，出现在几十年前。但直到最近，这项技术才经历了快速发展，扩展到一系列行业和企业的许多应用领域。有趣的是，随着技术的发展和范围，它已经从小型印刷系统，用纸和塑料材料生产小部件;到可以生产复杂金属部件的大型打印平台。从字面上看，这是一个增材制造“跳出框框”(在这种情况下，小型打印机的限制)到大型混合机床的例子，这种混合机床采用了加法和减法工艺来制造零件。
AM的日益普及正在推动产品设计、产品开发和供应链管理的创新。AM使企业能够提供原本不可行或不可能的产品和服务。这为采用者提供了相当大的竞争优势，目前AM的缺点，如长周期时间，并不令人望而却步。随着金属打印和混合工具技术的快速发展，我们看到越来越多的可行应用。在不久的将来，不以某种方式使用AM的企业将处于明显的竞争劣势。
确定投资AM的适当时间可能是复杂的，需要对技术的当前状态和它将产生的业务变化有全面的了解。保持AM计划的公司更有可能在正确的时间采用，通过保持领先地位而获得重大收益。
AM不仅渗透到多个行业的制造业，而且有望影响汽车、航空航天和国防、石油和天然气以及工业设备等行业的供应链和零件库存系统。
增材制造进入主流制造业
在过去的五年里，增材制造已经在航空航天和国防、汽车、石油和天然气设备以及机械等行业建立起来。这主要是由于金属工艺的进步，以生产具有适当材料性能的零件，可以取代传统的机械加工零件。虽然AM制造零件需要比传统加工更长的周期时间，但这通常被制造零件更有效的功能设计、更轻的重量以及制造零件的关键几何形状的能力所抵消，这些部件不能用减法复制或可以取代多组件组装。
AM技术已经稳步发展了几十年，但只是在过去的几年里，AM工艺才起飞，并迅速转向混合机器。在20世纪80年代和90年代初，大多数金属基AM研究都集中在粉末床技术上。当时，几乎所有的金属加工都是由铸造，制造，冲压,加工；尽管有很多自动化应用于这些技术，如机器人焊接而且数控加工。大多数制造商只将工具头通过三维工作包络移动的想法与多个自由度相关联，以转换大量的原材料通过去除金属而不是添加金属的工艺，一层一层地制成所需的形状。然而，到了20世纪90年代中期，直接金属沉积的新技术开始挑战现状。例如微铸造和喷涂材料。
的涵盖性术语在美国，“增材制造”获得了更广泛的认可冷杉21世纪的十年。随着各种添加剂工艺的成熟，很明显，很快，金属去除将不再是唯一的金属加工由cnc等控制系统执行的过程。术语“减法制造”的出现是为了表达涉及金属去除的更传统的加工过程的大家庭。在早期采用阶段，术语3D打印主要指聚合物/树脂分层技术，而增材制造更有可能用于金属加工和制造部件生产环境。减法一词并没有取代机械加工一词补充当需要一个涵盖任何移除方法的术语时。今天，将加法和减法制造工艺结合到混合动力机器中几乎只专注于金属合金零件的制造。
制造零件的类别
在今天的制造环境中，基本上有三类预制部件:
原型
这代表了AM最早和最长的使用。早期的原型是使用分层纸的方法构建的，在这种方法中，CAD模型被分解成一堆从纸上剪下来的薄截面层，然后粘在一起。这种方法在汽车工业中很常用。因为它需要从更大的纸张上切割纸张，因此可以认为，与目前使用的增材制造技术相比，这种方法不是纯粹的增材制造技术，最著名的是立体平版印刷(SLA)和熔融沉积建模(FDM)。原型仍然是AM的主要应用之一。
生产
这代表了AM目前的增长领域。各行各业的制造商正在探索各种AM技术提供的机会，以创建生产部件。汽车和航空航天等行业正在使用混合AM技术来制造更轻的部件，同时保持相同的功能和强度，同时保持高度的设计灵活性和减少组件。
维修及保养
由于AM的使用，这一领域正在发生重大变化。部件可以更快地制造，在某些情况下，可以在维护设施现场制造。通过将金属沉积方法(激光/电子束烧结)和传统金属切割结合到单一环境中，可以通过使用更先进的材料来改进替换部件。零件的修理和翻新，特别是在航空航天工业中正在迅速发展，提供了一个简化的过程。
混合增材制造正在改变制造业的面貌
在过去的五年里，混合加法-减法制造获得了巨大的吸引力，似乎代表了许多行业及其制造工艺的制造部件的未来。术语“混合”是指金属AM工艺技术和工艺(使用新材料化合物和合金)与单一系统中的先进机械加工(减法)工艺的结合。在过去，金属基AM是有限的，但更先进的金属粉末工艺提供了更广泛的金属合金可供印刷。简单地说，混合制造将AM工艺和CNC铣削结合在一台机器环境中。
考虑到加法和减法过程的复杂性，将两者结合起来似乎相当困难，在某些方面确实如此。然而，即将上市的新一代复杂的混合加工中心为愿意采用这种尖端技术的制造商提供了强大的新功能。
今天的混合动力机床可以通过AM工艺建立非常复杂的几何形状，然后加工它们，以满足表面光洁度要求的所有功能面接近公差。这使得制造一类新的加工部件成为可能，并允许多个加工设置得到巩固。在某些情况下，先进的混合工艺可以生产出传统加工工艺完全无法制造的零件。
具有内部网格和多壁的复杂部件现在可以在混合AM机器上制造。在许多情况下，这将需要许多步骤和传统制造方法的复杂装配过程。在某些情况下，由于部件的复杂性，在混合动力机床中心上创建的新部件满足了以前从未实现过的功能要求和新性能标准。
此外，除了传统的金属合金外，下一代混合环境还允许使用新兴的新型和先进材料。在过去，金属基AM由于缺乏材料选择和最终产品中材料性能的降低而受到限制。然而，金属粉末熔化工艺和粉末冶金技术的进步提供了更广泛的可行金属合金，可以满足更广泛的应用要求。
在传统的零件制造过程中，从供应商那里购买的材料具有准确的规格和合金含量。混合制造允许制造商创造新的材料配方和合金来满足特定的要求。他们可以混合不同组合的金属粉末，进行实验来测试金属合金，适应新的金属组合，并生产性能更好的部件，具体到产品要求。
混合机床的软件将工件的CAD模型切割成薄片，其厚度取决于所使用的材料类型。对于金属来说，粉末沉积的厚度通常在30微米左右。030毫米)。打印室一般被加热到低于材料熔点的10摄氏度，以确保用于加热粉末的激光能够快速熔化它，并使整个过程更加高效。对于金属，预热消除了加工过程中的残余应力，当焊接或进一步热处理时，残余应力会导致翘曲。
其他AM类型的机器可以使用电子束而不是激光，因为电子束可以产生更多的能量，从而更快地熔化金属粉末，加快整个过程。还可以使用金属丝进给，可以以明显更快的速度放下材料。此外，这些机器可以在室温下工作，这是加快过程的另一个因素。这种工艺生产的零件表面光洁度较粗糙，需要进一步加工，但混合机床将解决表面光洁度与铣削能力。
今天的新一代混合AM零件制造机器为制造商提供了最新的AM金属技术，同时保留了减法加工过程的最佳特征。此外，混合制造超越了目前纯AM系统的一些限制。混合动力机器通常利用金属粉末沉积工艺，而不是许多纯AM系统典型的粉末床技术。它在密度和晶粒完整性方面创造了优异的材料质量，使零件制造商能够使用多种金属粉末，并在多个方向上构建结构。然而，应该指出的是，粉末床AM加工机器仍然非常适用于零件生产，其中大量的减法加工不需要表面光洁度或其他匹配的表面要求。总的来说，AM现在已经达到了一个可以批量生产的程度。
增材制造进入多个行业
增材制造，尤其是混合技术，已经在几个已经熟悉低产量制造昂贵复杂部件的行业站稳了脚跟。
航空航天和国防制造商“全心投入”增材制造
航空航天和国防(A&D)及类似行业受益于混合AM，以小批量生产高度复杂的部件，这些部件要么是安全关键的，要么需要满足严格的法规。AM技术在A&D制造环境中工作良好，因为许多部件不需要大规模生产，通常需要频繁的工程变更。在这里，AM经常通过消除工件铸件的需要来加快制造过程。使用混合AM技术，A&D公司通常能够将零件生产时间从几周缩短到几天;加快整体组装和交付给客户的时间。
波音(Boeing)和空客(Airbus)等主要机身制造商已经将数千个3d打印部件整合到他们最新的飞机上。新的空客350 XWB包含超过1000个打印部件。空客的主要竞争对手波音公司正在为整个打印部件系统申请专利。这些公司目前正在进行大型金属零件的制造研发，如钛合金起落架耳轴配件。这些公司希望大幅降低使用减法加工工艺生产这些零件的成本。铣削大量钛既昂贵又费时。在混合机床上使用极薄层的粉末沉积激光工艺，可以生产出比加工大型铸件具有更好的金属完整性和整体质量的大型零件。
展望下一代机身的设计和制造，AM具有很大的前景，并且考虑到绘图板上的复杂结构，AM似乎是制造未来机身的唯一方法。飞机设计师设想的机身结构非常轻，但非常坚固，基于活的生物结构，如鸟骨。这些机身结构将是复杂而不规则的，只有3D打印才能产生这些未来的设计。
在A&D中，另一个显示AM前景的领域是MRO和备件市场。维修站和其他车队维护设施将能够在现场配备AM混合动力机器和其他类型的打印机，以根据需要制造零件。这可以减少或消除保留备件库存的需要。市场研究预计，到2023年，AM在A&D应用中的价值将增长到34.5亿美元。
汽车行业采用增材制造生产
AM已经对汽车行业产生了非常重大的影响。汽车公司不仅打印生产零部件，在某些情况下，还打印整个单体单元。根据工程要求和功能，使用的材料从碳纤维复合材料到聚合物和金属合金。虽然汽车行业继续使用AM来生产原型，并且已经这样做了几十年，但汽车制造商越来越多地转向AM生产零件和组件。AM本质上仍然比传统生产(冲压，成型，加工)的零件慢，但工艺在速度和容量上都在不断提高。在这种情况下，零件的形状和配置非常复杂，需要大量的工装和多种生产工艺，AM为生产这些零件提供了一个可行的解决方案。AM的整体速度虽然比单一的传统生产工艺步骤慢，但当传统的零件制造工艺涉及多个步骤和昂贵的模具时，它在时间和成本方面绰绰有余。
对于汽车行业来说，增材制造支持产品创新。AM可以用更少的设计限制来生产零件和组件，这些设计限制通常限制传统制造工艺。这种灵活性使设计师能够更具创新性，在制造具有定制功能的部件时非常有用。这使得添加改进的功能成为可能，例如集成布线束(通过空心结构)，更轻的重量(通过晶格结构)，并实现传统制造方法无法生产的复杂几何形状。
AM将改变汽车供应链。通过消除对新的或额外的模具的需求，直接生产最终零件，AM将大大缩短总体交货时间，提高供应链效率。作为一种固有的添加剂工艺，AM通常只使用生产零件实际所需的材料。这可以减少废料，并大大降低材料的使用。am生产的零部件和制造它们的机器可以位于生产线和最终装配线上或附近，并可及时提供。这有助于降低场外库存成本。此外，AM可以支持低至中等产量的分散生产。这使得产品的生产离服务中心更近。
在动力总成制造领域，汽车制造商可以生产单一的铝合金发动机缸体，包括内部形状和复杂的晶格室，这将显著提高动力性能、燃油消耗并减轻整体重量。这些高级配置的发动机缸体不能使用传统的传输线工艺来生产，传统的传输线工艺仅限于铣削、镗孔和端面加工。
随着汽车制造从大规模生产向大规模定制过渡，增材制造将在未来的生产过程中发挥重要作用。每辆车都可以包括任意数量的定制组件。客户要求的独特体型甚至可以按订单打印。完全相同车辆的大量生产将被基于客户配置的定制汽车的车辆生产线所取代。拥有大型复杂生产线的大型工厂将让位于在许多地方生产定制汽车的小型微型工厂。