本刊編輯整理

　　過去幾十年來，增材制造給各行各業(yè)帶來了革命性的變化，該技術(shù)已從原型設(shè)計工具發(fā)展成為工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的基石。隨著技術(shù)的不斷進步，增材制造為設(shè)計靈活性、效率和材料使用設(shè)定了新的標(biāo)準(zhǔn)。

　　近日，據(jù)Research Nester發(fā)布的報告稱，2024年全球增材制造市場規(guī)模超過227.3億美元，預(yù)計到2037年將超過2858.2億美元，預(yù)測期內(nèi)（2025-2037年）的年增長率將超過21.5%。2025年，增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模預(yù)計為266.4億美元。政府加大力度推廣應(yīng)用增材制造技術(shù)將推動行業(yè)增長。

　　分區(qū)域來看，到2037年底，北美地區(qū)的增材制造市場份額將以顯著的復(fù)合年增長率增長，并占據(jù)約35%的市場份額。政府為擴大3D打印產(chǎn)業(yè)而采取的舉措和投資不斷增加。例如，美國政府與ASTRO America合作，在國防部門建立3D打印機，用于生產(chǎn)設(shè)備。此外，Astro America還獲得了美國國家科學(xué)基金會100萬美元的獎勵，以促進3D打印機在佛羅里達州的應(yīng)用。

　　亞太地區(qū)市場統(tǒng)計據(jù)預(yù)測，到2037年底，亞太地區(qū)增材制造市場將成為第二大市場，所占份額接近28%。該地區(qū)的市場增長預(yù)計將得益于醫(yī)療設(shè)備投資的增加。迄今為止，根據(jù)醫(yī)療設(shè)備公共關(guān)聯(lián)激勵計劃，印度已批準(zhǔn)了26個項目，承諾投資總額達12.06億盧比。這將擴大醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)，并直接推動對用于創(chuàng)建原型的增材制造的需求。

　　除了醫(yī)療領(lǐng)域，汽車、航空航天、工業(yè)、消費品、建筑、國防等都是增材制造的終端應(yīng)用市場。由于對電動汽車的需求不斷增長，增材制造或3D打印技術(shù)的使用也在不斷增加。到2030年，全球?qū)⒂屑s2.5億輛電動汽車上路行駛，占汽車總銷量的35%以上。3D打印有助于概念開發(fā)、制造輕質(zhì)部件和提供個性化服務(wù)。

　　3D打印讓電機更緊湊

　　增材制造技術(shù)可實現(xiàn)傳統(tǒng)制造方法無法實現(xiàn)的復(fù)雜設(shè)計，這使工程師能夠在不影響強度或安全性的前提下優(yōu)化汽車。包括合金、鋁、鋼和聚合物復(fù)合材料在內(nèi)的輕質(zhì)材料，可將車身重量大幅減輕約50%。值得一提的時，當(dāng)整車重量減輕10%時，燃油效率就可以提高約6%-8%。此外，它還可用于在電動汽車電池外殼內(nèi)生產(chǎn)復(fù)雜的冷卻通道和熱交換器。

　　在電動汽車的電機領(lǐng)域，3D打印也展現(xiàn)出了其技術(shù)優(yōu)勢。由于導(dǎo)體、工藝和幾何形狀必須匹配，因此傳統(tǒng)繞組往往受到限制并且難以完美。現(xiàn)在，借助新的3D打印繞組和線圈，Additive Drives工程團隊能夠通過在設(shè)計和工程方面優(yōu)秀的“重新思考”來提高電動機（以及電動汽車）的效率——將電動機提升到一個新的水平。

　　“雖然電動機可能看起來很基本，但內(nèi)部有很多部分在起作用，包括熱力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和電磁學(xué)，其設(shè)計必須緊湊，甚至考慮‘優(yōu)雅’，因為工作空間很小，所以會導(dǎo)致重新設(shè)計工程和部件的放置。”Additive Drives董事總經(jīng)理Jakob Jung說。

　　雖然傳統(tǒng)制造會產(chǎn)生典型的圓線繞組，但與3D打印線圈相比，新設(shè)計作為熱源發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，散熱得到了改善，解決了一個常見的（以前是限制性的）問題。通過 Additive Drives創(chuàng)建的新程序和定制的激光熔化系統(tǒng)，能夠防止空隙和凹槽不合適的問題，填充凹槽時銅的量增加，電阻更小。可變形狀也有利于散熱，因為每根導(dǎo)線都與線圈的所謂疊片鐵芯熱接觸，因此沒有熱點。總體而言，發(fā)動機的輸出功率最多可提高45%。

　　多射流融合技術(shù)助力斯巴魯新一代概念車

　　在日本惠普、DMM.com和斯巴魯?shù)暮献飨拢?D打印在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域又邁進了一步。這些為斯巴魯?shù)母拍钴囋O(shè)計和制造的汽車零件采用3D打印技術(shù)，正通過日本惠普公司的射流融合（Jet Fusion）3D 打印機生產(chǎn)。

　　斯巴魯在開發(fā)零部件時希望解決各種制造難題，同時著眼于未來。汽車零部件開發(fā)所面臨的挑戰(zhàn)包括模具制造和物流成本。通常情況下，零件生產(chǎn)需要專用模具。而對于模制零件，設(shè)計往往又受到脫模方向的限制，因此很難進行定制和小批量、多品種零件的開發(fā)。其他問題還包括生產(chǎn)部件的庫存管理，以及運輸成本和二氧化碳排放量。

　　多射流融合技術(shù)帶來的改變這款概念車的名字代表著一種“助力”，幫助客戶可以前往他們以前去不了的地方，做他們以前做不了的事情。斯巴魯想通過設(shè)計有趣的裝飾部件，提出駕駛者和乘客與汽車實現(xiàn)互動的新方式。這些新設(shè)計的部件，將在未來使用惠普射流融合3D打印機進行打印。它們采用了惠普的多射流融合技術(shù)，以平衡所需的強度和批量生產(chǎn)能力。

　　“之所以選擇3D打印，是因為它具有增材制造的設(shè)計能力。”斯巴魯零配件事業(yè)部配件規(guī)劃部經(jīng)理Kanenori Susaki說，“汽車設(shè)計師一直受制于模具，難以解決零件分離等問題。然而通過使用3D打印技術(shù)，可以擺脫脫模角度和分模線外觀等所有問題，大大提高了設(shè)計自由度。我們的目標(biāo)是積極采用適合小批量、多品種生產(chǎn)的3D打印技術(shù)，為客戶提供更多的樂趣。”

　　通過使用惠普HP Jet Fusion 3D打印解決方案，斯巴魯無需使用模具就可以快速開發(fā)出具有獨特形狀的零件。HP 3D高重復(fù)使用性PA12（尼龍12）被用作材料，在耐熱性、耐候性和足夠的強度方面滿足了所需的性能。

　　惠普指出，HP Jet Fusion 3D打印機專為環(huán)保制造而設(shè)計，材料回收率高達80%。這種方法通過發(fā)送三維數(shù)據(jù)，可以在任何地方生產(chǎn)零件，無需對制造的零件進行庫存管理，可以大大減輕物流負擔(dān)。

　　多射流融合技術(shù)的顯著優(yōu)勢多射流融合技術(shù)提升了3D打印技術(shù)的水平，尤其是在使用柔性材料時。與傳統(tǒng)方法不同的是，這項技術(shù)在加工前會先鋪上一層細粉末，然后在需要的地方精確噴射結(jié)合劑，再通過加熱將其熔化。這種可控的工藝使部件具有卓越的強度和彈性。以下是選擇多射流融合技術(shù)而非傳統(tǒng)技術(shù)的原因：

　　● 速度：多射流融合能更快地生產(chǎn)零件，因為它只需一次就能處理各層。這意味著可以比以往更快地獲得柔性零件。

　　● 細節(jié)和精度：得益于精細的粉末和粘合劑的精確噴射，多射流融合可以毫不費力地實現(xiàn)復(fù)雜的細節(jié)和復(fù)雜的幾何形狀。這種精度對于高性能柔性零件至關(guān)重要。

　　● 一致性：多射流融合可使整個部件的機械性能保持一致。這種一致性是一大優(yōu)勢，可確保每個部件都能達到預(yù)期性能，而不會出現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)。

　　● 減少浪費：傳統(tǒng)方法通常采用減材工藝，去除材料以實現(xiàn)最終形狀。多射流融合的添加性質(zhì)意味著更少的廢料，使其不僅更高效，而且更環(huán)保。

　　● 成本效益高：對于中短批量生產(chǎn)而言，多射流融合比傳統(tǒng)制造方法更具成本效益。它需要的勞動力更少，產(chǎn)生的廢料也更少，有助于節(jié)省總體成本。

　　使用柔性材料的多射流融合不僅僅是一種替代方案，對于需要速度、精度和耐用性的應(yīng)用而言，它更是一種卓越的選擇。多射流融合技術(shù)徹底改變了世界制造業(yè)，尤其是在與柔性材料搭配使用時。各行各業(yè)的公司都在利用該技術(shù)的力量來制造以前過于復(fù)雜或過于昂貴的零件。無論從事的是汽車、醫(yī)療還是消費品行業(yè)，多射流融合技術(shù)都擁有實實在在的優(yōu)勢，促進產(chǎn)品性能和創(chuàng)新。

　　人工智能、可持續(xù)材料鋪平3D打印未來之路

　　在阿納海姆舉行的可持續(xù)制造博覽會上，惠普公司3D打印應(yīng)用全球主管Brian Ingold在題為“增材制造中的可持續(xù)性、價值和人工智能”主題演講中，介紹了增材制造的可持續(xù)發(fā)展能力。他談到，增材制造只使用必要數(shù)量的材料，從而減少了材料浪費。這與切割多余材料的傳統(tǒng)減法形成鮮明對比。

　　回收材料和人工智能優(yōu)化增材制造已證明了其在可持續(xù)流程和實踐中的價值。制造商經(jīng)常使用優(yōu)化設(shè)計來提高效率和減輕重量，這可以節(jié)省大量能源?，F(xiàn)在有很多用于增材的設(shè)計來自生成式人工智能。人工智能可能是為增材制造設(shè)計最有效的方法之一。

　　Ingold認為人工智能不會消除對設(shè)計工程師的需求，但它會增強設(shè)計流程。人工智能可能會讓我們實現(xiàn)60%-80%的目標(biāo)。然后，它可能還需要設(shè)計師來完善。生成式設(shè)計可以是一個十分簡單的創(chuàng)建對象過程。你可以對人工智能說，給我創(chuàng)造一個能承受多少重量、厚度多厚的零件。從長遠來看，人工智能可以處理設(shè)計中涉及的大型復(fù)雜物理問題。

　　“增材制造可以讓制造流程變得非常靈活。就拿備件來說，沒人會衡量備件的生命周期評估。”Ingold說，“汽車有剎車片，而剎車片有備件。如果剎車片是好的，那么很少有備件被使用。如果只打印所需的部件，對可持續(xù)發(fā)展的影響是積極的。”

　　尋求石油基打印材料替代品，也是業(yè)內(nèi)人士面臨的一個重大挑戰(zhàn)：如何在材料性能與環(huán)境影響之間取得平衡。從生物基樹脂到可回收聚合物，可持續(xù)3D打印材料的創(chuàng)新，正在改變這一局面。這些進步超越了簡單的材料替代，提供的解決方案既能保持或超越傳統(tǒng)的性能指標(biāo)，又能減少對環(huán)境的影響。

　　如今，可持續(xù)3D打印材料不斷發(fā)展，生物基和可回收材料日益突出。創(chuàng)新型公司正在將塑料廢棄物轉(zhuǎn)化為rPET、rABS 和rPLA等可回收長絲，有效實現(xiàn)了材料生命周期的閉環(huán)。這些回收材料不僅能將垃圾變廢為寶，還能提供與原生材料相當(dāng)?shù)男阅芴攸c。

　　從木材、藻類和食物垃圾等可再生資源中提取的生物基材料，也在3D打印行業(yè)取得了長足進步。與石油基替代材料相比，這些材料的碳排放量更低，同時還具有廣泛應(yīng)用所需的機械性能。隨著該領(lǐng)域研發(fā)工作的推進，生物基材料與傳統(tǒng)材料相比將越來越具有競爭力。

　　雖然可持續(xù)3D打印材料的好處顯而易見，但向這些替代品過渡并非沒有挑戰(zhàn)。其中一個明顯的障礙是需要在回收材料中加入新塑料，以確保最終產(chǎn)品的強度和耐用性。這一要求凸顯了持續(xù)研發(fā)工作，對優(yōu)化再生材料成分和加工的重要性。

　　隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，采用可持續(xù)3D打印材料和實踐將變得越來越重要。對環(huán)保解決方案日益增長的需求，加上技術(shù)和材料科學(xué)的進步，將推動這一領(lǐng)域的進一步創(chuàng)新。未來，可以預(yù)見會有更先進的可持續(xù)材料問世，如自修復(fù)聚合物、生物可降解復(fù)合材料，以及從藻類和真菌等可再生資源中提取的材料。

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