编者按：人人都在谈论3D打印技术将如何改变目前的制造环境，这项技术也成为了工业4.0创新浪潮的一部分，人们希望它能够彻底变革现有的生产方式。这或许有点夸张，但增材制造 (AM) 确实昭示着生产力的巨大革新。
增材制造在每个行业的应用步伐取决于行业自身的特点，例如监管水平，以及现有及潜在的业界客户对创新和风险所持的态度。毫无疑问，制造业市场蕴含着巨大的变革机会。但问题是，当机遇来临时，您如何让自己的企业立于不败之地？
最好先思考一下，增材制造会给市场带来什么样的本质性改变，而您希望如何应用这技术来增强您的竞争力。阶梯模型简要介绍了应用增材制造的不同阶段：
增材制造的生产效益
应用增材制造可能获得的各种效益，包括在产品制造过程中累积的生产效益，以及在产品投入使用之后累积的长期效益。沿阶梯上行时，在新产品设计和验证方面的投入，及新制造工艺方面的投入都会上升，但获得的效益也会随之增加：
增材制造带来的效益会随着阶梯的爬升而提高，因为能够更多地利用到它所具有的独特功能。这些功能应用越多，增材制造产品就越具有创新性和突破性，价值也越大。
那么这有什么实践意义呢？
您可以逐步应用哪些功能？
接下来将重点介绍：
增材制造在阶梯模型的四级台阶您可以发挥的功能。
台阶0—快速原型制造和加工
这通常是许多公司开始应用增材制造的起点，即快速制造模型和工具，此时的产品设计尚未定型。在这一级台阶，有两个增材制造功能可发挥作用：
a可重复的数控加工
增材制造是一种高度自动化的过程，在装填好粉仓并启动激光之后，整个加工过程便无需任何人工干预。因此，它可替代传统的加工流程，提高生产成本效益，而加工结果的精度和可预测性也更好。增材制造在口腔领域的应用就是很好的例子，手工制作的模型被采用数字化设计并自动加工出的植入体替代。这是增材制造的内在特性，在阶梯的所有阶段都能获得这些效益。
b随形冷却
这是一个可以成功应用于模具制造的复杂功能。随形冷却需要根据零件轮廓构建冷却液通道，确保快速均匀的热量传递。通道本身应设计成具有流畅的圆角，可避免冷却液滞留而导致腐蚀，同时确保冷却液能以较小压降顺畅流动。可将多条冷却液通道设计到一个复杂模具中，每条长度相同，确保均匀冷却。最终生产出的模具制造周期短、使用寿命长。
也可将随形冷却功能应用到产品本身，但这需要更改产品设计，在应用阶梯模型中属于最高一级台阶了。
台阶1 — 直接零件替换
我们在阶梯模型中向上移动一级，来到零件制造阶段，但这仅是对现有零件的复制。这里只有制造工序发生变化，而零件的几何形状并未发生改变。这个阶段可实现增材制造的另外两个功能：
a近净成型制造
相较于切削式加工方法，增材制造的一个重要特性是，材料浪费非常少。我们要考虑批量生产，那么单位浪费率就变得十分重要。
在航空航天领域，BTF比率（原材料与成品零件之间的重量比值）是衡量加工效率的一个关键指标，在生产过程中，有多少原材料成为了切屑？增材制造是一种“近净成型”工序，尽管通常仍需要一些后处理操作，用于确保成型体成功的必要支撑结构也属于一种材料浪费。增材制造并非完美无瑕，但它带来的优势却极具吸引力，GKN Aerospace就是一个例子：
b本地化生产
增材制造无需模具，能消除与模具制造相关的高昂固定成本，有助于提高小规模制造企业的经济效益 —即使是一家小型企业，也能获得成本竞争优势，同时凭借临近客户的便利性，可提供更优质的服务。可借此机会革新现有供应链，或改造现有供应链以提高响应速度。
台阶2-零件集成
这是开始改变产品设计的第一步，以便充分利用增材制造能够加工复杂形状的特性。在这种情况下，希望通过将多个零件集成到单一且完整的加工件中，精简产品中的零件数量。这一级台阶，有三个增材制造功能可发挥作用：
a多特征部件
增材制造允许为部件设计细节特征，然后只需一次操作便可完成加工，无需额外的流程步骤。可消除工艺的复杂性，转而将其注入到零件中。
将多个加工步骤合并为单一的增材制造操作，自动加工出的单一加工件便可替代复杂的装配流程，降低模具成本、缩短总加工时间以及缩短交货时间等。
b消除结合点
在产品设计中，对传统制造过程无法一次完成的复杂形状，需加入接合点。接合点是指配对特征、紧固件、插头、垫片和密封圈等。它们会增加产品的零件数量、重量、加工和装配时间，也会导致产品结构中出现薄弱环节，各部件之间匹配不佳，埋下故障和性能隐患。因此最好避免接合点！
增材制造可在一次操作中加工出复杂形状。例如下图所示的扭曲状波导管，有助于节省装配成本，提高长期使用效益。
c连环结构
可在一次增材制造过程中生产具有连环结构的部件，无需进一步装配操作。如此可制造出外观整洁、极具吸引力的多功能零件。
台阶3—DfAM优化
到达阶梯顶部可利用最为高级的增材制造功能。运用增材制造专用设计(DfAM)原理，充分利用其带来的设计自由，获得创新、定制的解决方案。
a空心/多孔结构
传统方法生产的许多零件为实心结构，尽管空心结构的强度并不逊色，但传统加工方法费时费力，成本昂贵。增材制造通过单一加工过程轻松加工出空心结构，材料使用少、加工时间短。例如网状结构在保持强度的同时，重量减轻50%。
b拓扑优化
拓扑优化也可减轻零件重量，原理是定义相邻结构的接触面及其所承受的载荷。考虑这些载荷对材料产生的应力，并去除应力最小区域中的材料，只保留能以最有效方式传输指定载荷的区域中的材料。
以下为空间探测设备使用的一支架，其重量是极为关键的因素。通过拓扑优化，支架变为空心结构，“命运之手指”—重量减少了三分之一，设计和生产时间也大大缩短。
c增强美观性
增材制造技术让我们能随心所欲地设计各种不寻常的天然形状，生产出创新且富有吸引力的产品，例如珠宝。
d增加表面积
承载接触面需较大的表面积，以确保良好的附着性。骨科植入体尤其如此，医生希望提高金属植入体和邻近骨骼间的相容性，确保二者稳固接合，尽量防止出现“应力遮挡效应”，避免后续手术修复治疗。大面积接触表面，还有利于提高金属与复合材料之间的接合强度。
e提高传热性
设计新型热交换器是增材制造技术的一个重要应用。为最大限度提高一种液体与另一种之间的换热效率，热交换器内部应具有大量复杂的微型薄壁管道和二次表面。增材制造能经济高效地加工出内外部细节特征，产品性能更高，重量更轻。对赛车、公路车辆及绿色能源产品设计具有明显优势。
f高强度合金
某些合金材料具有理想的热属性和机械属性，但加工难度大，实际应用受到限制。增材制造本质是熔接过程，只要能将合金“雾化”为粉末，就可使用激光技术加工材料。
g微型结构材料
增材制造可加工出精细的网状结构，为生产具有特定属性的金属“泡沫”创造了机会。此类微型结构材料经过设计可具有各向异性的属性，例如不同平面具有不同的刚性和导热性。标准和定制的微型结构材料为生产轻质、高性能产品开启新的机遇。
h按照物料清单进行生产
增材制造无需刀具、模具，可将不同产品组件的制造过程集成到单一的加工工序中，一次性制造所有主要组件，对其进行后处理并完成组装。有助于简化生产调度、减少库存。还可有选择地将其与本地化生产，大规模定制相结合雷尼绍为全球第一辆3D打印山地自行车制造的车架就是个应用典范。
i大规模定制
只要有想要制造零件的CAD模型，无论是制造与之前完全相同的零件，或有稍许差异，使用增材制造在成本和加工时间方面几乎没有差别，能以经济实惠的方式生产定制零件。雷尼绍的种植牙业务每天要根据不同口腔技工所的设计文件，制造形状各异的修复体。这些修复体可在一次加工过程中完成，降低成本。
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