制造中的材料沉积是什么？通过增材工艺释放设计自由

从核心来看，材料沉积是一种制造过程，通过选择性地添加材料（通常是逐层添加），根据数字设计文件来构建物体。这种方法是更广为人知的增材制造或3D打印背后的基本原理。它与传统的减材方法形成鲜明对比，减材方法是从一个较大的块中去除材料以创建最终形状。

需要理解的关键转变是，材料沉积将制造从“雕刻去除”的过程转变为“堆积构建”的过程。这种根本性的差异带来了前所未有的设计自由度和材料效率，但也引入了一系列新的生产考量。

根本性转变：增材与减材

要理解材料沉积的重要性，必须将其与它所挑战的制造范式进行比较。

传统制造通常从一块固体材料开始，例如金属、塑料或木材。

然后，CNC铣床、车床和钻头等工具会切削、研磨或钻孔去除多余材料，以展现最终零件。这类似于雕塑家从一块大理石中雕刻雕像。

材料沉积，作为增材制造的引擎，从无到有。

它系统地仅在需要的地方添加材料以形成物体，一层又一层，微观地堆叠。这更像是用乐高积木搭建物体，但规模极其精细。

材料沉积并非单一技术，而是一系列工艺的统称，每种工艺都有其独特的优势和应用。

这是最广为人知的3D打印形式。热塑性长丝被加热并通过喷嘴挤出，随着材料冷却和固化，逐层构建物体。它常用于原型制作和消费级应用。

在此过程中，激光或电子束等高能源选择性地熔化并融合粉末床中的塑料或金属细颗粒。每层熔合后，会在顶部铺上一层新粉末。这用于制造坚固、复杂的工业零件。

这种方法使用光源——激光 (SLA) 或数字投影仪 (DLP)——选择性地固化槽中的液态光敏树脂。随着液体硬化成固体，物体逐层构建。它以生产具有极高细节和光滑表面光洁度的零件而闻名。

DED 使用聚焦的热能源（如激光或电子束）在材料沉积时将其熔化。通常与金属粉末或焊丝一起使用，这种技术常用于修复或向现有大型部件（如涡轮叶片）添加特征。

与任何技术一样，材料沉积也具有独特的优点和局限性，这些优点和局限性决定了其理想的使用场景。

沉积工艺可以创建传统减材方法无法实现或成本过高的复杂内部几何形状、晶格结构和有机形状。

由于材料仅在需要的地方添加，与从大块原材料中雕刻小零件相比，浪费大大减少。这在使用钛等昂贵材料时尤其具有成本效益。

对于大批量生产相对简单的零件，注塑成型等传统方法在单位成本上要快得多且更具成本效益。逐层沉积可能是一个缓慢的过程。

沉积零件的分层特性可能会导致强度上的方向性差异，称为各向异性。许多零件还需要进行打磨、抛光或热处理等后处理步骤，以达到所需的表面光洁度和机械性能。

最佳的制造方法完全取决于您项目的具体限制和目标。

如果您的主要关注点是快速原型制作或创建高度复杂、小批量的零件： 材料沉积几乎总是更好的选择，因为它在生产初始设计方面的速度以及处理复杂性的能力。
如果您的主要关注点是以尽可能低的成本大规模生产数百万个简单、标准化的零件： 传统的减材或成形制造（例如，模塑）仍然是行业标准，因为它具有无与伦比的速度和规模。
如果您的主要关注点是修复高价值金属部件或向现有部件添加定制功能： 定向能量沉积 (DED) 提供了其他方法无法比拟的独特功能。

理解材料沉积不再是一项小众技能；它是现代工程、设计和制造的基本支柱。