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路易斯维尔大学
简介
添加制造（AM）技术终于进入主流。经过25年作为“快速成型”技术的发展，它正在形成以制造为中心的行业。如今当你浏览展销会和参加工业会议时，会发现周围不止是工程师和制造商。你会遇上投资银行家、风险资本家和热衷于自制的人。最近《国家地理》有一段视频在互联网上走红，它展示了三维印刷月牙扳手的潜在可能性。由于有这么多人看过这段视频并且用电子邮件转发它的链接，以至于有些收件人认定这肯定是病毒恶作剧，而snopes.com（电子邮件恶作剧追踪网站）不得不去证实“三维印刷”的真实性。就在去年内，《经济学人》、《纽约时报》、标普、《连线》杂志等等都撰写过关于三维印刷技术的文章。
那么这番热炒究竟是为了什么？许多人认为添加制造具有革命性，而且有潜力一如Web2.0改变网络空间（互联网向用户驱动内容的转型，比如Facebook、Twitter、LinkedIn等等）那样来改变制造业。随着消费者看到运用添加制造来创造自己的制造品的潜力，那么工厂1.0版（由企业和制造业专门公司生产有形货品）就会转变为工厂2.0版（由消费者生产有形货品），从而永久地改变制造业的格局。
添加制造
添加制造技术是一种综称，它指的是将材料接合起来、直接从虚拟三维电脑数据中制造有形三维物件的制造工艺。这些工艺通常逐层制成零件，而不是像减式制造那样以依次去除材料的方式来制造三维几何形状。经过20多年在术语方面的混淆后，2009年，美国材料实验协会专门负责添加制造技术的国际F42委员会将添加制造定义为“接合材料、从三维模型数据中制作物件的工艺，通常是逐层制造，与减式制造方法正好相反。”这些年来这些技术也被称作快速成型、直接数字制造、固态自由制造、添加制作、添加层制造，或是被冠以其它类似的名称。在技术界，围绕“添加制造”这一名称的使用已经达成了国际共识，而在大众媒体中，这些技术则被称作“三维印刷”。
现有的每一台商用添加制造机器工作方式都是相似的。首先，计算机辅助三维设计（CAD）文件被切片，成为一叠两维平面层。这些层由添加制造机制成并逐层堆叠，以制造零件（图1）。如今添加制造有七种不同的方法，它们又有十多种变体方法。由于大多数这些方法首次获取专利都是在20世纪80年代末、90年代初，在许多情况下基本工艺的专利都已经过期或是即将过期，这就打开了激烈竞争的市场，这种情况在过去20年间因知识产权的排它性是不可能产生的。
本文接下来将概要讲述添加制造的这七种不同的方法，随后将探讨添加制造技术引起的商业趋势以及它带来的机遇。将添加制造工艺划分为下述的七个类别，依据的是美国材料试验协会F42委员会术语分委员会的工作。在本文撰写之时正在对这种分类进行投票，因而这些类别的最终名称还可能随着标准拟制集体决策过程的进行而改变。
材料喷射法
材料喷射是用喷墨打印机或其它类似机器，通过喷嘴或喷孔来选择性地喷涂制造材料液滴，从而制成三维结构。大多数情况下，这些液滴由感光聚合物或蜡状材料构成，以分别制成零件或熔模铸造图案。这些工艺真正属于三维印刷范畴，因为它们使用喷墨以及其它“印刷”技术来制成三维结构。
需要的形状 添加制造机制成的实际形状
图1分层添加制造法
感光聚合物在材料喷射中相当有用，因为它们遇光则从液态转换为固态。感光聚合物在对不同波长的光做出反应时可能交联并硬化，而在添加制造中，它们通常在可见光或紫外光的波长范围内转换。
材料喷射技术往往使用多阵列打印头来印刷不同材料。印刷两种材料最常见的原因是要把其中一种材料作为“制造”材料来使用，而将另一种材料作为“支承”材料来使用。对于包含槽道、空隙或悬垂结构的三维几何图形，任何悬垂表面之下必须要制造支承层（因为液滴必须滴落在某种东西上面才能固定位置；见图2）。如果要用到这第二种支承材料，通常会采用水溶性材料，这样将零件浸没在水基液体中就能去除这些支承部分。
材料喷射能够打印多材料和梯度材料结构。多材料零件的应用范围从具备受控硬度和挠度的零件、各种部分具有不同电气属性的零件，到零件不同部分具备不同生物属性的组织工程结构，不一而足。
粘结剂喷射法
粘结剂喷射技术也用喷嘴来打印材料，但它印刷的并不是制造材料，而是“胶水”，它们将粉末聚结成所需形状。粘结剂喷射工艺首先要沉积薄薄的一层粉末，之后用打印头在粉末上印刷一层胶水图案，这就构成第一层。接下来要重新沉积一层粉末，并再次印刷胶水。这一步骤重复进行，直至零件完成。
图2 热喷射蜡质歧管。注意支承部分。
粘结剂喷射有两个优点，一是它的速度，二是它不需要第二种支承材料。由于零件体积的大部分由粉末材料构成，它的体积中就只有小部分才需要由打印头来沉积。这样一来，一层很快就可以制成（用打印头阵列）——往往只需数秒钟。正在制作的零件周围的粉末自然就会为任何后续悬垂几何形状起到支承作用，因而不需第二种支承材料。
市售全彩三维印刷机都是粘结剂喷射机。粘结喷射机可以设置，使它能逐层印刷完整的色谱。这样就能按既定的颜色来生产组装零件（出于营销目的），并能在生产零件时直接在上面印刷图形、标识和其它视觉特性（图3）。
感光聚合物缸染法
光聚合物缸染工艺需要用某种光源来选择性固化预沉积的感光聚合物。最先获得专利并实现商业化的添加制造工艺是立体光刻，它的工作方式是在光聚合物缸的表面上进行激光扫描。制造时会将一张平台升高到刚好在液体表面之下一层厚度的地方。激光机扫描第一个横截面层，将这一层贴到平台上，然后平台在缸内降低一层厚的高度（材料流过先前制成的一层的顶部，或是通过刮刀或沉积装置而在先前的一层上成型）。这一工序反复进行，直至零件完成。光聚合物缸染技术能够达到任何添加制造工艺中最高的精确度和最佳的面饰效果。
某些感光聚合物缸染技术经过发展，以利用数字光处理投影机来将分层的激光图形投射到缸表面，从而将感光聚合物交联起来，并同时将整层从液态转换为固态。
感光聚合物缸技术需要建造支承网来支持悬垂结构，否则这些结构就会断裂或变形。这些支承部分采用的是与制造零件相同的材料，这样在零件完成后就必须将这些支承部分切割掉。
材料挤压法
添加制造技术最大的装机客户群是建立在材料挤压基础上的。材料挤压机要以受控的方式强迫材料穿过一只喷嘴来制造结构。制造材料通常是聚合物长丝，它们被挤压穿过一只加热喷嘴，这是对艺术和手工艺所采用的热胶枪的自动化应用。在喷嘴将一层材料沉积到制作平台上后，要么平台下移、要么喷嘴上移，然后再沉积新的一层材料。
如果在一台机器中安装了两只喷嘴，那么其中一只通常用来沉积水溶性支承材料。在专门为组织工程研究设计的机器中有时会采用三只甚至更多的喷嘴，这样就能在植入物的特定区域中沉积支架材料和其它生物相容材料。
材料挤压机相当简单，因而适合用于办公室和家庭。如今每年有数千台价格从700美元到3000美元不等的低廉挤压机销售给热衷于自己动手制作东西的人、小公司、教育机构和业余玩家。低成本添加制造机器的这种扩散便是当今对三维印刷形成主流兴趣的主要原因。
粉末床熔化法
粉末床熔化机工作的方式类似于粘结剂喷射机，但它并不将胶水印刷到粉末层上，而是用热能来将粉末熔化为需要的图案。大多数机器都用激光来熔化聚合物或金属粉末，以制造三维物件。另一种常见的变型是用电子射束来熔化金属粉末。
如果是聚合物粉末，那么正在制造的零件周围的粉末使得有可能在不需支承的情况下制成复杂的三维物件。但如果是金属粉末，金属零件固化期间的热收缩会导致零件弯曲，这时就需要支承部分来将零件固定到较厚的金属基板上，以保持零件的精度并防止它们弯曲。这些金属支承部分在零件完成后要用机加工方式来切割掉。
在为工程设计程度相当高的产品制造最终使用零件时，最常用的添加制造机器便是粉末床熔化机。用这一技术制造的聚合物及金属零件已在航天、国防以及其它工程设计程度高的系统中广泛应用。
定向能量沉积
定向能量沉积机器在沉积材料时用激光或其它能量源来熔化材料。这些机器的工作方式类似于材料挤压机，只不过不用喷嘴来熔化材料，而是在金属丝或给粉材料沉积到零件上时将它们熔化（图4）。
为了制作带悬垂结构的零件，定向能量沉积系统要么得用一套五轴沉积系统（这样可以从任何方向来沉积材料），要么就得用到第二种支承材料。由于这些系统通常都用来制作金属零件或是金属－陶瓷合成结构，因而制作过程中用到的任何支承部分都需要用机加工方式来去除。
定向能量沉积工艺主要用来为现有结构增加特性（比如在板子上增添加劲肋），或是用来修理损坏或老化的零件。大多数情况下，这些工艺都用来制造金属结构，因而大家普遍将它们称为金属沉积添加制造。
图4 正在沉积金属粉末（在弯曲表面上）的通快机器
薄板层压法
薄板层压技术通过切割并堆叠金属薄板来让物件成型。人们已经对纸、塑料和金属薄板采用这种制造法来分别制作木状、塑料和金属的零件。通常，纸和塑料薄板的粘合采用粘结剂，而金属薄板的接合一般都采用焊接（要么热钎焊或热焊，也可以用超声焊）或螺栓连接。此外，陶瓷和金属生带都采用了薄板层压法（例如用聚合物粘结剂将粉末聚结成材料薄板的形状）来制作结构，之后在高炉中烧炼这些结构，从而制成致密的零件。
混合及直写添加制造
在有些时候，同一台机器中会结合多种添加制造技术，也有将添加制造与减式制造技术结合使用的情况，比如电脑数控铣床或激光切割。例如，Solidscape公司就在材料喷射机中结合了一只简单的卧式铣刀头，从而生产出广受欢迎的高精蜡型机，产品层厚为0.0005英寸，被广泛用于珠宝行业来生产定制珠宝的蜡模。
有几种添加制造技术经过修改，以便小规模地沉积无源电子结构（半导体、绝缘子、电阻器、天线等等）。这些技术常常被称作直写技术，而且使用包含纳米粒子的材料（比如电子“油墨”）或是在干燥、热分解或其它后处理之后产生电子属性的其它添加材料。将直写技术与其它添加制造技术相结合，就有可能逐层制造出多功能三维嵌入式电子结构，从而将结构、热、电子以及其它方面的功能融汇在一只部件中。
添加制造对商业的影响
过去25年间，作为快速成型技术，添加制造对制造业设计工作产生了重大的影响。从CAD数据中直接制作三维物件的能力使设计师能够印出设计成果的三维演示稿，以便在设计过程中进行形状、匹配性和功能性的测试。这就减少了制作新设计原型的时间，并能让更加优化的设计进入制造过程，在进行耗资不菲的大批量生产加工并进入组装线之前便找出误差。
添加制造采用的逐层制造法特别适合于极为复杂的几何形状，其中可以带有内部通路、底切，以及用传统制造技术难于、或是不可能制作出的特性。对于高度复杂的小型物件，如果零件体积接近100,000分量，那么粉末床熔化工艺有时候就比注模更低廉。但是零件越大、或是它的几何形状越简单，相比于添加制造，传统制造工艺的成本有效性就越高。
添加制造相当适合于几何形状复杂而且小量生产的零件，或是个性化定制几何形状的零件。例如当今添加制造被应用于许多航天系统中，包括空间站、微卫星、F-18战斗机、波音787飞机等等，并且还应用于定制牙矫正器和助听器。宝马公司和其它汽车制造商普遍将添加制造技术作为装配架和固定件来使用，从而提高汽车组装的人工学符合性、准确性和速度。
添加制造技术关键的好处之一，是任何单个部件都不需要刀具加工或专用硬件。每个零件都可以不同于在它之前或之后制造的零件。这样制造商就可以将添加制造机器配置在靠近组装点或终端客户的地方，从而极大地改变制造业的物流和分销模式，而不会将制造集中在刀具加工所在的地方。由于添加制造在生产零件时所需人工甚少，它就不会刺激将制造业外包到低成本劳力的地区。因而添加制造一般都是在本国进行。
添加制造技术特别好的机遇之一出现在备件生产领域。如果某种停产部件有了需求，就可以用扫描技术来捕捉破损零件的几何图形，对CAD文件做出修改，然后印制出更换零件。修理汽车、飞机、国防系统以及数十年前设计制造而没有CAD图纸或模具来制作更换零件和/或原件制造商已经停运的其它机器的人们越来越多地在使用这种办法。
个人制造
添加制造在今日的地位正如个人电脑在20世纪70年代晚期、80年代初期的情况。添加制造正在开始从“主流”制造领域进入“个人”制造领域。2010年售出的“个人”添加制造机器超过5,978台（全都是材料挤压机，其中大多数售价在700到1,500美元之间），而其它添加制造系统的销售量估计是6,164套。在2007年最先出现市售个人添加制造机时，销售量仅66台，而其它添加制造系统的销售量则是4,938套（沃勒公司，2011年）。如此可见，尽管添加制造系统以了不起的速度增长，个人添加制造市场规模的增长却是爆炸性的。从经济角度来看，由于个人添加制造机的售价是其它添加制造系统的0.1%到10%（速度、精度和材料灵活性等等相应地也更低），个人添加制造在整个添加制造市场中仍只占一小部分。不过它爆炸式的增长还是吸引了许多投资者和企业的关注，并使得他们开始计划进入这一市场。
创业
我们普遍通过对比三维印刷和二维印刷的方式来理解添加制造的潜力。对于二维印刷，大批量印刷机（例如报纸、杂志、广告印刷机等）、中量印刷机（例如数字影印机）和小批量印刷机（例如激打和喷墨打印机）的组合比例相对稳定。正如消费者可以买一张批量生产的招贴，在沃尔玛印制、或是用自己的喷墨打印机在家中印制自己的照片，三维印刷将很可能由大型制造商在工厂中使用，由本地供应商在相邻的三维印刷商店中使用，不远的将来人们还会在自己家中使用它。
添加制造使得设计师和创业者能够在不需自有实体店基础设施的情况下销售产品。这是制造业中的一种新模式。具有创造力的人用不着投资者提供起步资金、也不用购买制造机械或是为模具或刀具的开发付费就能制造并销售独特的产品。这就意味着添加制造创业活动的市场壁垒非常低，而创业者成败之差的因素或许往往更多的是在于他们通过社会媒介来创造营销势头的能力，而不是他们获取风险资本或其它资金的能力。那么，具有创造力并且理解添加制造的能力、优点和局限性的创业者就会具备胜过他人的优势。
结论
添加制造技术有潜力创造一种新型的产业革命。在许多行业中，添加制造已经远不止是快速成型技术。正如互联网让信息的创造和传播实现了民主化，添加制造也有潜力让有形货品的生产与分销实现民主化。它不需刀具加工而定制复杂几何形状零件的能力降低了创业活动的壁垒，并为设计师优化设计提供了前所未有的机会。今日添加制造已经超越界限，从专门化全套制造与设计工具转换为“个人”制造的模式。那些有能力借有形货品新型商务模式东风的人大有可能成为将来的“互联网亿万富豪”。
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