增材制造的工业起源可以追溯到 1980 年代中期。1984 年，美国物理学家查克·赫尔 (Chuck Hull) 获得了立体光刻工艺的专利，其中液体塑料可以通过激光束在罐中逐层选择性固化。这种材料的机械构建使直接从三维 CAD 模型创建具有复杂形状甚至细丝内部结构的任何所需组件成为可能。
从那时起，这种几乎无限的设计自由让全世界的研究人员兴奋不已，并激发了新工艺和新材料应用的开发。现在的材料范围从塑料到陶瓷，从有机织物到各种金属。然而，总的来说，专家们仍然认为增材制造的可能性还处于初期阶段。
因此，关于什么是增材制造的问题既不能全面回答，也不能得出结论。但至少有一个共同点，内部标准化从中衍生出了术语标准。因此，增材制造是指连接材料以根据 3D 模型数据生产零件的过程，通常是逐层进行。此外，ISO/ASTM 52900 将商用增材制造系统分为七种不同的工艺，它们在材料层的创建方式上有所不同。
增材世界的光荣7号
由于一些增材工艺序列类似于喷墨打印机中的工艺，因此术语 3D 打印 也成为增材制造中的常用术语。然而，根据起始材料和材料连接形成固体的方式，这些工艺流程的基本原理是不同的，有时甚至是截然不同的。因此，3D 打印的基材可以是液体、粉末、粘性或固体，它们可以通过熔化、烧结、层压、粘合或聚合来固化和构建，具体取决于技术条件。
1 | 粉末床融合成型技术 (PBF)
粉末床熔合（DIN：powder bed-based fusion）是金属领域的主要方法。在这里，组件是通过逐层构建材料来制造的，就像立体光刻术的原始时代一样。各个层对应于要生产的物体的三维 CAD 图像的水平“部分”。然后使用这些层来计算控制程序，该程序将激光或电子束以高精度引导到这些切口上，以在其整个区域上熔化材料。该区域粘附在前一层上，并随着材料冷却而变得坚固。一旦该层熔化，就会涂上一层新的粉末。DMG MORI 凭借LASERTEC SLM系列在该领域取得了成功。
2 | 材料挤出 (MEX)
在材料挤出（DIN：material extrusion）中，材料通过喷嘴或孔口有选择地分配。移动喷嘴，也称为挤出机，施加一层材料，随后挤出机或构建平台升高或降低，然后重复该过程。MEX 可用于打印各种材料。大多数情况下，它们是所谓的细丝形式的热塑性塑料（例如 ABS、尼龙、PEEK、PLA 等）。一般来说，材料挤出可以加工糊状材料。这些包括混凝土或陶瓷，但也包括巧克力或面团等食品。
3 | 还原光聚合 (VPP)
在 VPP 工艺（DIN：bath-based photopolymerization）中，液体聚合物树脂材料通过光活化聚合在罐中选择性固化。两种常见的 VPP 变体使用激光或发光二极管 (LED) 结合数字光处理 (DLP) 作为能源来固化树脂。基于激光的 VPP 系统通常先固化一层，然后降低构建体积并在构建区域上铺展一层新的液态光聚合物。
4 | 粘结剂喷射成型技术 (BJT)
在粘合剂喷射（DIN：free-jet binder application）中，打印头将粘合剂液滴施加到材料上，并以预定的图案将颗粒熔合在一起。这可以加工聚合物、金属、陶瓷或沙子。一层完成后，打印平台向下移动，新的一层粉末被施加到构建平台上。使用粘合剂喷射成型技术生产的零件通常需要进行后处理以提高其机械性能。这可能包括添加额外的粘合剂物质或将零件放入烘箱中以烧结颗粒。
5 | 材料喷射 (MJT)
在 MJT 工艺（DIN：free jet material application）中，通过喷嘴头选择性地喷涂光聚合物或其他蜡状物质的液滴。然后用紫外线灯固化该材料。一层固化后，打印头喷嘴会逐层向其施加新材料。这个过程可以打印不同的材料组合，在整个 3D 打印部件中创建不同的材料属性或颜色。
6 | 定向能量沉积 (DED)
在定向能量沉积工艺（DIN：material application with directed energy input）中，材料在应用过程中通过熔化被目标热能熔化。起始材料是金属粉末或金属丝。该工艺生产近净形零件，通常需要机加工以达到所需的公差。出于这个原因，DED 工艺通常与铣床结合使用（对于 DMG MORI，例如LASERTEC DED 混合系列）。此外，可以使用 DED 处理不止一种材料。特点之一是该工艺还可以通过将材料直接应用于受损区域来修复损坏的部件，例如成型工具。
7 | 片材层压 (SHL)
片材层压（DIN：layer lamination）还涉及通过堆叠和层压薄层材料来连接组件——在这种情况下使用粘合剂或焊接工艺。可加工的材料包括金属、纸张、聚合物或复合材料。层轮廓通常是在施加层或材料之前或之后通过机加工过程创建的。可能的工艺变体包括超声波增材制造 (UAM)、选择性沉积层压 (SDL) 或层压物体制造 (LOM)。与其他增材技术相比，这些工艺成本低廉且速度快，但设计精度较低。
可能性的开端
这种增材制造工艺的愿景，使得几何多样性和多功能材料选择变得显而易见。凭借这些优势，增材制造已经能够在机械工程、模具、医疗技术或航空航天等许多应用领域站稳脚跟。然而，就潜力而言，这项技术作为一个整体仍处于其可能性的开端。总的来说，据认为，它有能力深刻和可持续地改变工业生产——并始终以能够快速且经济高效地制造个性化、客户特定产品的愿景为动力。直接处于成熟工艺核心的是材料、组件尺寸、精度、可靠性和可重复性。间接挑战还存在于自动化后处理、增材制造和测试过程的标准化以及操作员和工程师的培训方面。
与此同时，增材制造的故事不仅在工业届继续。例如，除了生产个别植入物和假体外，在医学上的潜在应用范围还包括从培训和诊断到手术的准备。“生物打印”的愿景也被寄予厚望。然而，人体自身细胞的“打印”仍处于基础研究状态。
建筑和施工中的增材制造更接近实践（也更容易想象）。为施工规划制作设计模型已经司空见惯。甚至打印房屋框架也不再是乌托邦。普遍的动机正在增长，尤其是在这些应用领域，增材工艺的生产力、自动化程度和环境兼容性。
私营部门已经发现了增材制造对自身的好处。折扣店打印机提供的大量物化的自我形象，或在发烧友（tinkerer）之间交换技巧和信息的众多 3D 社区就是最好的证据。大众对增材制造工艺的积极态度的重要作用之一是它促进了社会对技术和创新的兴趣。另一方面，3D 打印在私人领域的无数小例子中展示了如何在整体上以低能耗和低耗材以及定制化生产中更少的浪费来极大地缓解环境问题。
您想了解更多关于 DMG MORI 卓越增材制造产品的信息吗？为此，我们的博客文章“增材制造工艺的未来”为您提供了对 LASERTEC SLM系列粉床机以及 LASERTEC DED 和 LASERTEC DED hybrid机床的独特优势的特别见解。