增材制造：塑造制造業(yè)未來的技術——趨勢、挑戰(zhàn)與機遇綜述

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

據(jù)悉，南非威特沃特斯蘭德大學、美國紐約州立大學理工學院、加納學術城市大學、加納蘇尼亞尼技術大學、加納大學及美國北肯塔基大學的科研人員綜述報道了增材制造：塑造制造業(yè)未來的技術——趨勢、挑戰(zhàn)與機遇。相關論文以“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。在這個復雜性加劇、競爭激烈且變革加速的時代，對快速原型設計日益增長的需求促使增材制造技術和研究得到廣泛應用。三維建模、三維掃描和三維打印為工業(yè)級功能性和結構性組件的設計提供了動力。為厘清制造業(yè)格局，本文簡要概述了傳統(tǒng)（減材）制造技術及其最新趨勢。在資源日益緊張和人口指數(shù)增長的背景下，減材技術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在醫(yī)療、建筑、汽車和航空航天領域的最新進展與應用，并分析了該技術對非洲新興技術生態(tài)的里程碑意義、發(fā)展趨勢、機遇與挑戰(zhàn)。本綜述指出，增材制造是實現(xiàn)非洲聯(lián)盟《2063年議程》的關鍵推動力，為克服工業(yè)多元化、青年失業(yè)和技術自主等長期挑戰(zhàn)提供了可行路徑。通過本土化增材制造應用和數(shù)字化工作流程，可實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和制造主權的規(guī)�；�解決方案，對非洲工業(yè)化愿景的跨越式發(fā)展具有重要意義。

圖1.增材制造組件設計與制造的流程步驟

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.增材制造中的自動化應用趨勢

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

圖8.基于Scopus數(shù)據(jù)庫索引的全球研究產(chǎn)出前20國家

圖9.Scopus索引的各大洲增材制造研究產(chǎn)出分布

圖10.Scopus索引的非洲各國增材制造研究產(chǎn)出

圖11.制約增材制造發(fā)展的關鍵材料限制

圖12.可持續(xù)增材制造的六大主題領域

增材制造的原理、工藝和系統(tǒng)將塑造制造業(yè)的未來。本文概述了從三維模型開發(fā)、表面鑲嵌文件轉換、G代碼生成、實體構建到后處理及最終測試（驗證與確認）的八大關鍵步驟，重點分析了ASTM標準下的七類增材制造技術及其適用材料，同時簡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。綜述總結了支撐增材制造的三維建模與掃描技術體系，并著重闡釋了影響結構完整性與力學性能的工藝參數(shù)。

計算模型與打印過程的集成加速了材料設計周期，使復雜幾何結構的開發(fā)相比傳統(tǒng)方法更具優(yōu)勢。增材制造自動化趨勢體現(xiàn)在人工智能與機器學習應用、機器人集成、原位監(jiān)測與質量控制、增強型前后處理工作流以及物料供應鏈管理等領域，旨在實現(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劃已成功應用于增材制造流程。本文討論了理解增材制造現(xiàn)象的計算與實驗方法，評估了各類技術的優(yōu)缺點及適用材料。

航空航天、汽車、機電系統(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�；�于分層堆積的設計特性使得復雜幾何結構的制造成為可能。作為現(xiàn)代制造業(yè)（尤其是混合制造）的革命性催化劑，增材制造技術正被逐步整合到生產(chǎn)體系中——美國、中國、德國和英國通過產(chǎn)學研合作引領著該技術的研發(fā)創(chuàng)新，這種進步得益于信息技術、生物工程與材料科學等多學科領域的協(xié)同發(fā)展。

增材制造領域的發(fā)展為未來研究開辟了新方向，包括自動化挑戰(zhàn)、材料自下而上設計方法的應用理解以及可持續(xù)制造策略等。自動化戰(zhàn)略研究涵蓋：利用機器學習優(yōu)化多變量工藝參數(shù)、機器人系統(tǒng)集成、自主化量產(chǎn)設施開發(fā)、原位監(jiān)測技術及后處理自動化等低風險高價值領域�？沙掷m(xù)增材制造研究亟待探索，包括環(huán)保材料開發(fā)、循環(huán)經(jīng)濟模式、溫室氣體減排、節(jié)能打印工藝及全生命周期評估等，這些對功能性結構件的未來設計具有深遠影響。

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