展望“增材制造”

摘 要：與傳統(tǒng)減材制造不同，增材制造可以不依靠材料，不產(chǎn)生廢棄物，不受被制造物品復(fù)雜的幾何形狀約束，不需要繁冗的多級(jí)工藝處理和各種加工設(shè)備，而可以實(shí)現(xiàn)極為快速和輕松的制造過(guò)程。增材制造的最終目標(biāo)應(yīng)當(dāng)是實(shí)現(xiàn)以基本粒子為基本單元來(lái)構(gòu)建任何可以想象的結(jié)構(gòu)。隨著人類文明的不斷發(fā)展，人類對(duì)能源的掌控和對(duì)物質(zhì)的利用將會(huì)變得非常巨大和精細(xì)。

關(guān)鍵詞：增材制造； 減材制造； 現(xiàn)代制造； 未來(lái)制造

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

1 概述

縱觀人類發(fā)展史，制造技術(shù)和人類文明總是相互映襯。人類文明發(fā)展至今，制造技術(shù)的發(fā)展主要有兩個(gè)方向：材料的發(fā)展和工具的發(fā)展。但是隨著人類文明的不斷進(jìn)步，制造技術(shù)的特點(diǎn)也會(huì)發(fā)生巨大改變。如果可以站在更長(zhǎng)的人類歷史展望制造技術(shù)，那么或許未來(lái)制造將發(fā)生本質(zhì)的改變。

進(jìn)入21世紀(jì)，未來(lái)制造初現(xiàn)端倪。隨著3D打印技術(shù)的不斷成熟和推廣應(yīng)用，減材制造和增材制造的概念不斷出現(xiàn)。在現(xiàn)階段，減材制造是為了區(qū)別新興的堆積材料加工的制造技術(shù)而對(duì)傳統(tǒng)去除材料加工的制造技術(shù)的統(tǒng)稱。由于目前各種先進(jìn)加工技術(shù)剛剛產(chǎn)生還不能形成統(tǒng)一的體系，所以增材制造的概念還很模糊。雖然如此，但是用“增材制造”這個(gè)名詞來(lái)形容未來(lái)制造發(fā)展的特點(diǎn)是非常形象的。由于本文的目的是探討未來(lái)制造業(yè)的發(fā)展，這里就大膽以“增材制造”代表“未來(lái)制造”，希望通過(guò)對(duì)“增材制造”的展望來(lái)勾勒出未來(lái)制造的美好圖景。

2 增材制造的發(fā)展方向

制造技術(shù)的發(fā)展總是和社會(huì)需求密切相關(guān)。未來(lái)高效節(jié)約型的社會(huì)勢(shì)必會(huì)讓制造技術(shù)變得綠色和更加精確。根據(jù)堆積材料的特點(diǎn)，增材制造將會(huì)把原材料變得越來(lái)越小，也會(huì)越來(lái)越單一。根據(jù)現(xiàn)代原子物理基本知識(shí)，不同元素的區(qū)別在于原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)量或者核外電子的數(shù)量，也就是說(shuō)組成元素的基本粒子（這里指質(zhì)子和電子）是相同的。增材制造最終將以組成物質(zhì)的基本粒子作為原材料。

3 增材制造的發(fā)展特點(diǎn)

可以想象，與傳統(tǒng)減材制造不同，增材制造可以不依靠材料，不產(chǎn)生廢棄物，不受被制造物品復(fù)雜的幾何形狀約束，不需要繁冗的多級(jí)工藝處理和各種加工設(shè)備，而可以實(shí)現(xiàn)極為快速和輕松的制造過(guò)程。

增材制造可以不依靠材料。這里是指可以不用事先獲得滿足某個(gè)屬性的原材料。在傳統(tǒng)的減材制造過(guò)程中，需要針對(duì)性的選用不同特點(diǎn)的材料進(jìn)行加工。比如制造汽車時(shí)要獲得具有彈性的輪胎而需要彈性材料橡膠，要獲得具有足夠強(qiáng)度和耐磨性的支撐零件而需要高強(qiáng)度和硬度的合金材料。在未來(lái)增材制造中，滿足產(chǎn)品特征的所有性能可以在制造過(guò)程中而不是事先獲得。比如未來(lái)制造一輛汽車，那么汽車車身各個(gè)部分在形成過(guò)程中自然獲得相應(yīng)的屬性特點(diǎn)。

增材制造不產(chǎn)生廢棄物。由于增材制造現(xiàn)實(shí)的是基本粒子水平的構(gòu)建行為，因此所有參與構(gòu)建的基本元素之間沒(méi)有任何差異而不會(huì)造成無(wú)用的浪費(fèi)。在未來(lái)文明世界中，廢棄物將徹底消失。

增材制造不受產(chǎn)品復(fù)雜程度的影響。因?yàn)樵霾闹圃斓闹圃爝^(guò)程實(shí)質(zhì)是根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)信息利用基本粒子重構(gòu)產(chǎn)品的過(guò)程，因此只要獲得了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)信息，就可以完整復(fù)制出和信息一模一樣的產(chǎn)品。至此產(chǎn)品本身的復(fù)雜程度和精細(xì)程度不會(huì)成為加工過(guò)程的障礙。

增材制造不需要繁冗的多級(jí)工藝處理和各種加工設(shè)備。正因?yàn)楫a(chǎn)品構(gòu)建的原理相同，因而生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的機(jī)器甚至一樣，從而可以擺脫繁冗的多級(jí)工藝處理和各種加工設(shè)備。

4 增材制造發(fā)展面臨的困難

從目前的發(fā)展來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)以上特點(diǎn)的增材制造至少需要克服兩大問(wèn)題。首先是實(shí)現(xiàn)原子甚至亞原子水平上的建造，這是一個(gè)無(wú)比精細(xì)和龐大的工程。其次是人類必須獲取并掌控足夠多的能源以應(yīng)付龐大工程的能量消耗。

實(shí)現(xiàn)原子甚至亞原子水平上的建造是非常困難的。在我們常規(guī)的生產(chǎn)中，產(chǎn)品的尺寸越小，對(duì)加工工具的精度要求就越高。不過(guò)，人類已經(jīng)向?qū)崿F(xiàn)粒子操控邁向了第一步。比如，我國(guó)科學(xué)家就利用隧道掃描顯微鏡的針尖在硅原子表面通過(guò)移動(dòng)硅原子排列出了“中國(guó)”兩個(gè)漢字。雖然目前的技術(shù)距離實(shí)現(xiàn)粒子水平的加工制造還有很長(zhǎng)的距離，但給我們指出了這種可能。同時(shí)，這種建造工程是無(wú)比龐大的，就算是一件很小的鑰匙其中所包含的原子的數(shù)量就可以達(dá)到1023數(shù)量級(jí)之多，這個(gè)數(shù)量是傳統(tǒng)加工技術(shù)所難以想象的。

增材制造還必須克服能源的限制。不論是將物品分解以獲取基本粒子或者是將基本粒子重新組建成新的物品都是需要耗費(fèi)難以想象的巨大能量。就算現(xiàn)在能夠利用操控粒子來(lái)增材制造一把鑰匙，其生產(chǎn)成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的加工方法。很顯然，如此浪費(fèi)能量的制造方法要能夠獲得應(yīng)用就必須使能源的獲得變得容易和廉價(jià)。我們知道太陽(yáng)每時(shí)每刻都在向宇宙輻射能量，而地球吸收的能量?jī)H占其中數(shù)十億分之一，就算這數(shù)十億分之一的吸收率，地球每年從太陽(yáng)上獲取的能量的總和也要比人類有史以來(lái)使用的能量的總和還要多得多。況且宇宙中像太陽(yáng)一樣的恒星數(shù)不盡數(shù)，不怕人類不夠用，只怕人類用不到。科幻小說(shuō)里，高度文明的外星人通過(guò)無(wú)數(shù)的小型能量收集機(jī)器人可以將一顆恒星的能量全部吸收，雖然人類還只能想象這樣的場(chǎng)景，但是人類的確也邁出了自己的一大步。全球核聚變研究蓬勃的發(fā)展讓人類看到了未來(lái)無(wú)限能源的曙光。

5 增材制造的美好景愿

未來(lái)的模樣實(shí)在讓人難以想象卻又讓人忍不住去猜想。也許未來(lái)的某一天，一個(gè)人在家里就可以制造出他想要的任何東西。如果真的出現(xiàn)了這樣的場(chǎng)景，未來(lái)人的想法也會(huì)變得和我們大不一樣。但只要增材制造能夠在人類的明天實(shí)現(xiàn)，那么有幾點(diǎn)是可以肯定的。沒(méi)有人將因?yàn)槲镔Y的匱乏而貧窮，人類文明將高度發(fā)達(dá)，人類將擺脫物質(zhì)的束縛而追求最富足的精神快樂(lè)。

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作者簡(jiǎn)介：廖偉強(qiáng)（1987-），男，湖北宜昌人，工科學(xué)士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。