当开始考虑所有需要使添加剂成为现实, 很明显，设计和制造零件的传统方法正在消失.

增材制造(AM), 或者3D打印为产品设计提供了许多潜在的创新, 而其灵活的制造能力可以支持分布式制造模式——帮助释放新的业务潜力. 然而, 当企业开始考虑让增材制造成为现实所需的一切——比如生成式设计, 部分整合, 而拓扑优化——很明显，设计和制造零件的传统方法正在消失.

然而，采用新的制造技术总是面临挑战.  幸运的是，在将AM带入主流方面已经取得了巨大的进步. 新兴的工具, 工艺和技术已经脱颖而出，使采用者更接近工业化添加剂, 最显著的形式是模拟.

一个美丽的新物质世界

材料选择是第一个决定，也是增材制造应用中最重要的决定之一. 根据设计要求进行选择, 包括重量, 强度, 热工性能和成本目标. 例如, 设计师可能会选择钛来满足特定的强度参数, 而选择铝则满足成本限制. 这两种材料都可以使用AM技术打印, 但材料的选择取决于设计和业务需求.

目前, 材料增材制造的故事是一个不断增长的潜力——无论是金属还是聚合物. 可用材料的清单无法与传统制造方法中可用的材料进行比较, 但它正在增长. 在过去的五年里, 经过认证的增材制造材料已经从几百种扩展到3000多种, 不断有新的认证.  我们预计可印刷材料的市场将继续增长, 我们对扩展将带来的新设计可能性感到兴奋.

在AM零件的设计和验证过程中，先进的仿真和CAD功能对于充分理解这些新材料的特性至关重要. 使用常规方法进行仿真, 如果没有大量的预先校准，标准的有限元分析技术无法模拟这些材料. 

最近, 新的多尺度有限元分析功能已经出现，通过将局部微观结构模型与被分析部件的全局尺度模型相结合，可以帮助预测3D打印部件的耐用性. 这两种分析同时进行, 一个模型的结果会影响另一个模型的行为. 这种单独求解各域然后将结果联系起来的方法比标准有限元分析方法更精确, 1,000倍效率.  其结果是能够模拟打印部件中材料的完整性能.

创新的几何图形

增材制造的物体几乎可以是由3D模型定义的任何形状或几何形状. 它是一种几何不可知论技术, 允许公司制造和生产复杂的几何形状以前不可能与传统的注射成型或减法制造方法. 近乎无限的几何形状也使零件巩固成为可能.

而不是将一个系统分解成多个组件的可制造性与CNC或铸造方法, 增材制造可以将最复杂的几何形状减少到几个甚至一个部分. 精明的工程师甚至可以将弹簧或机械开关等功能集成到系统中，以进一步减少零件数量.

这些复杂的几何形状可能是一把双刃剑, 因为它们在传统的CAD技术中不容易定义. 需要具有强大仿真能力的多学科生成工程支持工具. 设计空间探索功能可以自动寻找满足多种性能要求的最佳设计, 在几分钟内迭代数百种可能的设计. 它还可以帮助用户可视化在竞争目标和约束之间的设计性能权衡. 

仿真是每个使用AM技术的设计师的朋友. 在为增材制造设计零件时, 在投入生产之前，必须对打印进行验证和模拟. 医疗行业对此非常熟悉, 作为3D打印的早期采用者，创建定制植入物，如替换关节.

作为这个过程的一部分, 设计师依靠专门的工具来模拟金属打印过程. Printing a hip joint in titanium can take up to 32 hours; a problem occurring mid-way through a print could cost up to $50K in wasted time and materials. 因此，在物理打印之前进行模拟可以节省时间和金钱.

工业规模

增材制造的另一个障碍是将其扩展到主流生产, 快速高质量生产数千个零件. 虽然在实现这一目标方面取得了进展, 每种处理方法仍然存在未知和挑战. 无论是热塑性塑料, 复合材料或金属, 许多物质间的相互作用仍未被完全理解. 这是零件可重复性和工艺精度的问题, 创造了对新设计方法和新技术的需求.

增材制造包括将材料加热到极端温度，然后将材料冷却成所需的形状. 打印的部件在相对自由的空间中冷却.  因此，零件不能均匀冷却，这可能导致意想不到的扭曲. 结果是, 为了获得可接受的热负荷和冷却循环，通常需要多次迭代, 导致大量的废料，并经常违背利用增材制造的快速生产能力的目的.

幸运的是, 基于计算流体动力学(CFD)技术的鲁棒模拟可以预测热机械变形，然后对CAD几何形状提出可能的改变，以纠正这些变形. 除了, 先进的增材制造准备和模拟软件可用于预测和纠正由于挤出机或激光沿着其3D打印路径移动而产生的过热中尺度缺陷.

还可以预测零件在哪里和为什么会失效, 帮助设计师将3D打印部件优化到微观结构水平.  这些解决方案驱动复杂的3D打印机械, 实现可重复的, 质量, 工业AM工艺将变得司空见惯.

最大化潜能

即使在这个简短的讨论中, 很明显，应对增材制造的挑战需要采用新的设计思维和新的制造方法. 对于大多数早期采用者来说，这是一个渐进的过程，而不是全有或全无的方法.

通常，这个过程从最低级别开始. 在德国, 汽车公司正在尝试将这种方法结合起来，使用增材制造和设计软件来制造结构合理的汽车框架. 他们可能不会打印一整辆车, 但他们采用的是挤压空心梁, 就像传统汽车制造中使用的那样, 并打印节点将这些光束连接在一起.

这些节点包括内部的印刷晶格结构，以最小的重量损失产生所需的结构刚度. 从小事做起，专注于一个可以实现的目标, 它们很耐用, 这些高效的零部件最终可能会改变未来的汽车制造业.

同时在航空航天工业, 高质量的生产正在通过复杂的模拟技术得到加强. 仿真驱动的设计技术现在用于最小化零件重量和材料使用，同时保持必要的结构特性. 然后, 生产过程, 再次使用模拟来确保构建设置和打印过程的高质量输出.

在这些例子中，我们看到技术提高了各行各业和世界各地的产量.  这就是增材制造的创新和发展，将技术提升到工业生产水平所需要的.

增材制造可能是相对创新的, 但随着新材料的认证，它正在迅速增长, 生成工程受到欢迎, 拓扑优化成为规范，制造软件被引入并采用. 传统的制造方法已经建立了几个世纪:铸造从青铜时代开始，锻造从铁器时代开始.

我们才刚刚开始了解增材制造技术如何改变设计和制造. 在这激动人心的发现和成熟的时刻, 一种专注于增材制造能力和挑战的设计精神，以及一种新的制造方法，正使增材制造更接近引发下一次工业革命.