展望“增材制造”

摘 要：与传统减材制造不同，增材制造可以不依靠材料，不产生废弃物，不受被制造物品复杂的几何形状约束，不需要繁冗的多级工艺处理和各种加工设备，而可以实现极为快速和轻松的制造过程。增材制造的最终目标应当是实现以基本粒子为基本单元来构建任何可以想象的结构。随着人类文明的不断发展，人类对能源的掌控和对物质的利用将会变得非常巨大和精细。

关键词：增材制造； 减材制造； 现代制造； 未来制造

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.216

1 概述

纵观人类发展史，制造技术和人类文明总是相互映衬。人类文明发展至今，制造技术的发展主要有两个方向：材料的发展和工具的发展。但是随着人类文明的不断进步，制造技术的特点也会发生巨大改变。如果可以站在更长的人类历史展望制造技术，那么或许未来制造将发生本质的改变。

进入21世纪，未来制造初现端倪。随着3D打印技术的不断成熟和推广应用，减材制造和增材制造的概念不断出现。在现阶段，减材制造是为了区别新兴的堆积材料加工的制造技术而对传统去除材料加工的制造技术的统称。由于目前各种先进加工技术刚刚产生还不能形成统一的体系，所以增材制造的概念还很模糊。虽然如此，但是用“增材制造”这个名词来形容未来制造发展的特点是非常形象的。由于本文的目的是探讨未来制造业的发展，这里就大胆以“增材制造”代表“未来制造”，希望通过对“增材制造”的展望来勾勒出未來制造的美好图景。

2 增材制造的发展方向

制造技术的发展总是和社会需求密切相关。未来高效节约型的社会势必会让制造技术变得绿色和更加精确。根据堆积材料的特点，增材制造将会把原材料变得越来越小，也会越来越单一。根据现代原子物理基本知识，不同元素的区别在于原子核内质子数量或者核外电子的数量，也就是说组成元素的基本粒子（这里指质子和电子）是相同的。增材制造最终将以组成物质的基本粒子作为原材料。

3 增材制造的发展特点

可以想象，与传统减材制造不同，增材制造可以不依靠材料，不产生废弃物，不受被制造物品复杂的几何形状约束，不需要繁冗的多级工艺处理和各种加工设备，而可以实现极为快速和轻松的制造过程。

增材制造可以不依靠材料。这里是指可以不用事先获得满足某个属性的原材料。在传统的减材制造过程中，需要针对性的选用不同特点的材料进行加工。比如制造汽车时要获得具有弹性的轮胎而需要弹性材料橡胶，要获得具有足够强度和耐磨性的支撑零件而需要高强度和硬度的合金材料。在未来增材制造中，满足产品特征的所有性能可以在制造过程中而不是事先获得。比如未来制造一辆汽车，那么汽车车身各个部分在形成过程中自然获得相应的属性特点。

增材制造不产生废弃物。由于增材制造现实的是基本粒子水平的构建行为，因此所有参与构建的基本元素之间没有任何差异而不会造成无用的浪费。在未来文明世界中，废弃物将彻底消失。

增材制造不受产品复杂程度的影响。因为增材制造的制造过程实质是根据产品的结构信息利用基本粒子重构产品的过程，因此只要获得了产品的结构信息，就可以完整复制出和信息一模一样的产品。至此产品本身的复杂程度和精细程度不会成为加工过程的障碍。

增材制造不需要繁冗的多级工艺处理和各种加工设备。正因为产品构建的原理相同，因而生产实现产品的机器甚至一样，从而可以摆脱繁冗的多级工艺处理和各种加工设备。

4 增材制造发展面临的困难

从目前的发展来看，要实现以上特点的增材制造至少需要克服两大问题。首先是实现原子甚至亚原子水平上的建造，这是一个无比精细和庞大的工程。其次是人类必须获取并掌控足够多的能源以应付庞大工程的能量消耗。

实现原子甚至亚原子水平上的建造是非常困难的。在我们常规的生产中，产品的尺寸越小，对加工工具的精度要求就越高。不过，人类已经向实现粒子操控迈向了第一步。比如，我国科学家就利用隧道扫描显微镜的针尖在硅原子表面通过移动硅原子排列出了“中国”两个汉字。虽然目前的技术距离实现粒子水平的加工制造还有很长的距离，但给我们指出了这种可能。同时，这种建造工程是无比庞大的，就算是一件很小的钥匙其中所包含的原子的数量就可以达到1023数量级之多，这个数量是传统加工技术所难以想象的。

增材制造还必须克服能源的限制。不论是将物品分解以获取基本粒子或者是将基本粒子重新组建成新的物品都是需要耗费难以想象的巨大能量。就算现在能够利用操控粒子来增材制造一把钥匙，其生产成本也远远大于传统的加工方法。很显然，如此浪费能量的制造方法要能够获得应用就必须使能源的获得变得容易和廉价。我们知道太阳每时每刻都在向宇宙辐射能量，而地球吸收的能量仅占其中数十亿分之一，就算这数十亿分之一的吸收率，地球每年从太阳上获取的能量的总和也要比人类有史以来使用的能量的总和还要多得多。况且宇宙中像太阳一样的恒星数不尽数，不怕人类不够用，只怕人类用不到。科幻小说里，高度文明的外星人通过无数的小型能量收集机器人可以将一颗恒星的能量全部吸收，虽然人类还只能想象这样的场景，但是人类的确也迈出了自己的一大步。全球核聚变研究蓬勃的发展让人类看到了未来无限能源的曙光。

5 增材制造的美好景愿

未来的模样实在让人难以想象却又让人忍不住去猜想。也许未来的某一天，一个人在家里就可以制造出他想要的任何东西。如果真的出现了这样的场景，未来人的想法也会变得和我们大不一样。但只要增材制造能够在人类的明天实现，那么有几点是可以肯定的。没有人将因为物资的匮乏而贫穷，人类文明将高度发达，人类将摆脱物质的束缚而追求最富足的精神快乐。

参考文献：

[1]王英.机械自动化技术应用与发展前景[J].科技传播，2010（24）.

[2]乔固.机械自动化控制系统浅谈[J].科技风，2010（07）.

[3]冯衡滨.试论我国机械自动化技术的发展[J].民营科技，2008（02）.

作者简介：廖伟强（1987-），男，湖北宜昌人，工科学士，研究方向：机械设计制造及其自动化。