增材制造：塑造制造业未来的技术——趋势、挑战与机遇综述

来源：长三角G60激光联盟

据悉，南非威特沃特斯兰德大学、美国纽约州立大学理工学院、加纳学术城市大学、加纳苏尼亚尼技术大学、加纳大学及美国北肯塔基大学的科研人员综述报道了增材制造：塑造制造业未来的技术——趋势、挑战与机遇。相关论文以“Additive manufacturing: shaping the future of the manufacturing industry – overview of trends, challenges and opportunities”为题发表在《Applications in Engineering Science》上。

增材制造（AM）是全球制造业组合中的创新方法。在这个复杂性加剧、竞争激烈且变革加速的时代，对快速原型设计日益增长的需求促使增材制造技术和研究得到广泛应用。三维建模、三维扫描和三维打印为工业级功能性和结构性组件的设计提供了动力。为厘清制造业格局，本文简要概述了传统（减材）制造技术及其最新趋势。在资源日益紧张和人口指数增长的背景下，减材技术的局限性为增材制造方法的普及铺平了道路。本文讨论了增材制造技术在医疗、建筑、汽车和航空航天领域的最新进展与应用，并分析了该技术对非洲新兴技术生态的里程碑意义、发展趋势、机遇与挑战。本综述指出，增材制造是实现非洲联盟《2063年议程》的关键推动力，为克服工业多元化、青年失业和技术自主等长期挑战提供了可行路径。通过本土化增材制造应用和数字化工作流程，可实现可持续发展和制造主权的规模化解决方案，对非洲工业化愿景的跨越式发展具有重要意义。

图1.增材制造组件设计与制造的流程步骤

图2.增材制造方法示意图：(a)材料挤出，(b)光固化，(c)材料喷射，(d)薄片层压，(e)粉末床熔融，(f)定向能量沉积，(g)粘结剂喷射，(h)冷喷涂，(i)搅拌摩擦沉积

图3.基于原料特性的定向能量沉积工艺典型分类

图4.激光辅助定向能量沉积的工艺参数

图5.送丝式定向能量沉积的工艺参数

图6.增材制造中的自动化应用趋势

图7.实现3D打印集成遗传算法与参数化建模的六步简化流程

图8.基于Scopus数据库索引的全球研究产出前20国家

图9.Scopus索引的各大洲增材制造研究产出分布

图10.Scopus索引的非洲各国增材制造研究产出

图11.制约增材制造发展的关键材料限制

图12.可持续增材制造的六大主题领域

增材制造的原理、工艺和系统将塑造制造业的未来。本文概述了从三维模型开发、表面镶嵌文件转换、G代码生成、实体构建到后处理及最终测试（验证与确认）的八大关键步骤，重点分析了ASTM标准下的七类增材制造技术及其适用材料，同时简要探讨了冷喷涂和搅拌摩擦沉积等基于逐层堆积原理的工艺。综述总结了支撑增材制造的三维建模与扫描技术体系，并着重阐释了影响结构完整性与力学性能的工艺参数。

计算模型与打印过程的集成加速了材料设计周期，使复杂几何结构的开发相比传统方法更具优势。增材制造自动化趋势体现在人工智能与机器学习应用、机器人集成、原位监测与质量控制、增强型前后处理工作流以及物料供应链管理等领域，旨在实现低成本高效的3D打印制造。例如，遗传算法和材料基因组计划已成功应用于增材制造流程。本文讨论了理解增材制造现象的计算与实验方法，评估了各类技术的优缺点及适用材料。

航空航天、汽车、机电系统、生物医疗、纺织、珠宝和鞋履等行业正日益广泛采用增材制造产品。基于分层堆积的设计特性使得复杂几何结构的制造成为可能。作为现代制造业（尤其是混合制造）的革命性催化剂，增材制造技术正被逐步整合到生产体系中——美国、中国、德国和英国通过产学研合作引领着该技术的研发创新，这种进步得益于信息技术、生物工程与材料科学等多学科领域的协同发展。

增材制造领域的发展为未来研究开辟了新方向，包括自动化挑战、材料自下而上设计方法的应用理解以及可持续制造策略等。自动化战略研究涵盖：利用机器学习优化多变量工艺参数、机器人系统集成、自主化量产设施开发、原位监测技术及后处理自动化等低风险高价值领域。可持续增材制造研究亟待探索，包括环保材料开发、循环经济模式、温室气体减排、节能打印工艺及全生命周期评估等，这些对功能性结构件的未来设计具有深远影响。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apples.2025.100224