摘 要：随着社会的发展和工业化进程的加快，生态环境面临着严峻考验，增材制造作为绿色制造的重要生产方式，适应了绿色制造的发展要求，结合我国绿色制造面临的问题，对增材制造技术的现状、特点和发展趋势进行了介绍，提出了增材制造的发展方向。
关键词：生态环境;绿色制造;增材制造;工艺过程
随着工业进程的加快，机械制造业已经成为国家经济建设的重要支柱产业，制造业的迅猛发展，为人类物质生活水平的提高提供了物质基础，但长期以来，以高投入、高消耗、高污染、低效率為特征的短期粗放型经济方式换取经济的繁荣，却付出了生态环境严重恶化和资源、能源过度浪费的代价。据统计，自改革开放以来，我国能源利用率低于世界先进水平的10%，工业用水重复利用率低于世界先进水平的25%，矿产资源总回收率低于世界先进水平的20%[1]，以金属切削加工为核心的冷加工占机械制造过程总工作量的60%以上，切削加工的过程必然要消耗大量的自然能源，同时也对环境产生不利的影响[2]。目前机械制造业大多数采用传统的生产模式，是一个开放的生产系统，社会财富主要通过掠夺自然资源累积起来[3]。面对日益恶化的生态危机，人们已经意识到只考虑发展不顾环境的传统发展模式是不符合人类社会发展长远利益的。
1 绿色制造
传统的机械制造虽然能够达到产品制造的目标，但在生产过程中资源消耗量过大，产生大量危害人类身体健康以及生存环境的废气、废水以及废渣等污染物，生态环境日益恶化，严重影响了人类的正常生活，对人类的长久发展十分不利。
绿色制造又称环境意识制造（Environmentally Conscious Manufacturing），它是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式。绿色制造遵循“3R”原则（Reduce，Reuse，Recycle），优化了自然资源的使用效率，同时也降低了自然资源的浪费现象，有效地保护人类的生存环境，提高制造的生产效率以及生产质量，绿色制造采用低能耗、节约、环保的工艺技术，最大限度地消除环境负影响，提高环境效益[4] ，其目的是使产品整个产品生命周期中，对环境的负作用最小，对健康无害，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化，有效提高了经济、社会的可持续发展能力。
2 增材制造
增材制造（Additive Manufacturing，AM）俗称3D打印，是基于离散/堆积成型原理，并融合CAD/CAM技术、激光技术、数控技术以及材料加工与成形技术，以三维CAD模型为唯一的数据来源，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，完成实体零件的自由化制造。相对于传统的对原材料去除切削、组装的加工模式不同，增材制造可在短时间内制造出任意复杂的零件，这使得过去受到传统制造方式的约束而无法实现的复杂结构件制造变为可能，给制造业带来了革命性的变化，被誉为“第三次工业革命标志性的生产工具”。近二十年来，AM技术取得了快速的发展，其内涵及外延也在不断深化和扩展，产生了快速原型制造（Rapid Prototyping）、三维打印（3D Printing ）、实体自由制造（Solid Free-form Fabrication）之类不同的叫法。作为先进的数字化制造技术之一，AM技术开创了产品开发的新模式，与传统的加工方法相比，具有许多独特的特点 [5]：（1）可以设计更加复杂的零件，而且产品结构越复杂，其制造速度的优势就越显著;（2）零件接近净成型，机加余量小，材料利用率高;（3）不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序，在一台设备上可快速精密地制造;（4）减少设计、加工、检查的工具;（5）减少了加工工序，缩短了加工周期，效率高，竞争力强;（6）制造的产品成形组织均匀，具有很高的力学性能和化学性能，强度高、塑性好、耐腐蚀性能优异;（7）可实时地根据市场需求低成本地改变产品;（8）可对损伤零件实现快速修复。
增材制造技术作为绿色设计与制造的重要生产方式，适应新形势下以绿色消费为主的发展方向。AM与传统加工工艺相比，增材制造采用材料逐渐累加的方法制造实体零件[7]，机加工余量小，材料利用率高。根据美国能源部预计，增材制造将比机加工削减制造节省超过50% 的能源[8]。绿色制造与增材制造技术有机结合，拥有了更加广阔的发展前景。它满足了人们的绿色消费需求，是冲破绿色贸易壁垒，实施可持续发展战略的必然选择。
3 国内增材制造技术发展现状
增材制造技术代表着生产模式和先进制造技术发展的一种趋势，在国家多部门持续支持下，增材制造技术在我国获得了快速的发展，在典型成形设备、软件、材料等方面的研究和产业化取得了较大进展，尤其是低成本增材制造设备社会化应用、金属零件直接制造技术在工业界的应用、基于增材制造的各种生物材料及生物学结构的制造技术等。增材制造的优势是制造周期短、适合单件个性化制造，可实现结构复杂零件、大型薄壁件、钛合金等难加工材料的成形零件制造。但AM技术相对传统制造技术还面临许多新挑战和新问题，在工艺技术研究方面，国外是基于理论基础的工艺控制，而我国则更多依赖于经验和反复的试验验证，导致我国增材制造工艺关键技术整体上落后于国外先进水平，还存在使用成本高（10～100 元/g）、制造效率低（金属材料成形为100～3000g/h）、制造精度不能令人满意等诸多问题，产业化技术发展和应用远落后于欧美等发达国家。
4 增材制造技术存在的问题
4.1 产业规模化程度较低
我国增材制造产业虽然取得了长足进步，但整体上呈现“小、散、弱”的状态，据数据统计，2016年，中国智能制造产业产值规模达12000亿元，增材制造产业规模为80亿元，虽然产业规模逐年实现较快增长，但增材制造仅占智能制造产业的6‰，与传统制造业相比相差甚远。多数增材制造企业处于初创期，受制于技术研发周期长、应用成本高等因素，自身盈利能力较弱，持续创新投入面临较大的资金压力，部分企业依靠政府补贴维持生存，因此对于增材制造技术仍需要加强技术研发和产业培育，继续扩大产业规模。
4.2 行业标准体系急需健全和完善
虽然我国已提出部分增材制造领域的国家标准，但尚未建立起涵盖设计、材料、工艺设备、产品性能、认证检测等在内的完整的增材制造标准体系。行业标准的缺失导致了行业畸形扩张、恶性竞争等不良现象出现，很大程度上制约了增材制造技术成果的累积、推广和应用，未能有效架起技术和产业衔接的桥梁，阻碍了产业的发展进程。
4.3 专用材料发展滞后
我国在增材制造专用新材料领域的发展仍然滞后，面临材料选择局限性较大，品种少，供应商少，高性能材料严重依赖进口的现状。目前国内只开发出钛合金、高强度钢等几十种金屬和非金属材料，而发达国家一家公司就能开发出几十种，甚至上百种材料，而且金属材料成形品的可靠性、稳定性普遍不高且缺乏试验验证。
4.4 工艺技术有待进一步优化
激光金属直接成形（LMDF）技术在成形过程中伴随着复杂的物理、化学变化过程，容易产生球化、孔隙、裂纹等缺陷，成形过程中随着高能激光束长时间周期性剧烈加热和冷却、移动熔池在池底强约束下的快速凝固收缩，会在零件内部产生极大的内应力，容易导致零件严重变形开裂。进一步优化激光增材制造工艺技术，加强对激光增材制造过程中零件内应力变化规律、凝固组织形成规律以及内部缺陷形成机理的研究，依然是今后的研究重点。
4.5 关键装备和核心技术依赖进口
我国工业级增材制造装备在工艺稳定性、环境温度控制等方面总体上与发达国家相比还有较大差距，除光固化成形、激光选区烧结成形等非金属装备和桌面3D打印机实现批量生产外，其他装备均尚未实现批量化生产，关键装备与核心部件性能与国外产品差距较大，主要依赖进口的问题依然较为突出，大部分增材制造软件市场被国外企业占据，控制软件及专用工艺软件在国内仍处于起步阶段，有些软件甚至处于空白。
4.6 创新平台建设缺失
2012年，由美国政府主导，国防部制造和装备中心牵头，组织企业、研究机构和地方政府等100家单位联合成立“国家增材制造创新中心”。但我国目前尚未建立起有效的增材制造产业创新平台，高等院校、科研机构和企业各自为战，合作研究的动力不足，产学研用密切结合的研发及产业化推进机制尚未有效形成。
4.7 创新技术市场推广应用乏力
当前我国增材制造主要集中在航空航天、军工等垄断性行业以及医疗等高壁垒性领域，很多创新性技术掌握在高校院所手中，而高校、科研机构和企业又各自为战，技术和产品研发重复投入，信息、资源不能共享，加上中国消费市场对3D打印认识不足，工业级3D打印的使用成本昂贵，维护费用高，使中小企业望而却步，阻碍现有传统生产方式的改造升级，创新技术市场推广应用急需加强。
5 增材制造技术的发展趋势
增材制造技术具有显著的行业竞争优势和广阔的发展前景，符合绿色制造的发展趋势，正在引领一次新的工业革命。因此，我国应抓住这次机遇，统筹规划，突破关键技术，研发核心软件，完善共享平台，促进协调集成，以满足产品研制生产和企业战略发展需要，推动增材制造技术向以下几个方面发展：
一是提高材料单元在堆积过程中的物理与化学变化的控制水平，实现复杂零件的精密制造。控制金属直接成型中激光熔化的微小熔池的尺寸和外界环境，提高制造精度和制件性能。
二是提高增材制造设备的精度，从而提高产品的制造精度。材料累加是增材制造的基本工艺方法，直接决定了零件在累加方向的精度和质量，控制分层厚度向更小的（0.01mm）方向发展，是提高制件精度和降低表面粗糙度的关键。
三是提高大尺寸构件的高效制造技术。增材制造向大尺寸构件制造技术发展，但大尺寸构件制作时间过长，利用多激光束同步制造大尺寸构件，提高制造效率，并保证同步增材组织之间的一致性和制造结合区域的制造质量，这一关键技术的实现将会推动我国航空组织业的快速发展。
四是研究增材制造从单一材料向复合材料制造方向发展。机械产品的部分零件，单一材料往往不能完全满足性能要求，必然会应用复合材料，复合材料的增材制造技术是重要的发展方向。
五是加强增材制造技术的基础理论研究和软件开发，避免国外技术垄断。
AM已成为先进制造技术的一个重要的发展方向，将快速地提高航空、生物医学、军事、汽车等领域的创新能力。
6 结束语
我国的资源并不十分丰富，环境问题已经十分突出，面对日益恶化的生态危机，推行绿色制造已经迫在眉睫，绿色制造是世界各国制造业未来发展的方向。增材制造技术与传统加工工艺相比，在绿色环保方面的巨大优势，为机械制造领域提供了一种新的绿色加工工艺方案，并把现代制造的环保、资源的理念渗透到制造整个工艺过程中，改变了企业由原来的单纯追求经济效益转化为经济效益、社会效益和环保效益的协调发展，再加上政府的大力支持和引导，增材制造技术必将成为制造业的重要发展方向，对推动社会可持续发展，实现从“中国制造”向“中国智造”的转变，具有十分重要的意义。
参考文献：
[1]张勇等.绿色制造系统的动力学模型研究[J].机械制造，2006（01）：52-54.
[2]詹莲凤.绿色切削加工评价体系的研究[J].机械制造与自动化，2007（03）：6-7.
[3]翁德玮.制造业的绿色生产技术[J].机械制造，2005（11）：48-50.
[4]张华等.绿色制造的广义内涵和集成特性[J].制造技术与机床，1999（11）：10-12.
[5]刘业胜，韩晶连等.金属材料激光增材制造技术及在航空发动机上的应用[J].航空制造技术，2014（10）：62-67.
[6]姜康，郭磊等.基于绿色设计理念的增材制造技术研究[DB/OL].http：//articles.e-works.net.cn/green/Article140685_1.htm.
[7]李涤尘，贺健康等.增材制造：实现宏微结构一体化制造[J].机械工程学报，2013，49（06）：129-135.
[8]殷媛媛.增材制造：3D世界自由成型[N].文汇报，2013，03，07（12）.
作者简介：周宇（1969-），男，四川达州人，本科，副教授，主要从事机械制造工艺教学与研究。
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