展望“增材制造”

摘 要：與傳統減材制造不同，增材制造可以不依靠材料，不產生廢棄物，不受被制造物品復雜的幾何形狀約束，不需要繁冗的多級工藝處理和各種加工設備，而可以實現極為快速和輕松的制造過程。增材制造的最終目標應當是實現以基本粒子為基本單元來構建任何可以想象的結構。隨著人類文明的不斷發展，人類對能源的掌控和對物質的利用將會變得非常巨大和精細。

關鍵詞：增材制造； 減材制造； 現代制造； 未來制造

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

1 概述

縱觀人類發展史，制造技術和人類文明總是相互映襯。人類文明發展至今，制造技術的發展主要有兩個方向：材料的發展和工具的發展。但是隨著人類文明的不斷進步，制造技術的特點也會發生巨大改變。如果可以站在更長的人類歷史展望制造技術，那么或許未來制造將發生本質的改變。

進入21世紀，未來制造初現端倪。隨著3D打印技術的不斷成熟和推廣應用，減材制造和增材制造的概念不斷出現。在現階段，減材制造是為了區別新興的堆積材料加工的制造技術而對傳統去除材料加工的制造技術的統稱。由于目前各種先進加工技術剛剛產生還不能形成統一的體系，所以增材制造的概念還很模糊。雖然如此，但是用“增材制造”這個名詞來形容未來制造發展的特點是非常形象的。由于本文的目的是探討未來制造業的發展，這里就大膽以“增材制造”代表“未來制造”，希望通過對“增材制造”的展望來勾勒出未來制造的美好圖景。

2 增材制造的發展方向

制造技術的發展總是和社會需求密切相關。未來高效節約型的社會勢必會讓制造技術變得綠色和更加精確。根據堆積材料的特點，增材制造將會把原材料變得越來越小，也會越來越單一。根據現代原子物理基本知識，不同元素的區別在于原子核內質子數量或者核外電子的數量，也就是說組成元素的基本粒子（這里指質子和電子）是相同的。增材制造最終將以組成物質的基本粒子作為原材料。

3 增材制造的發展特點

可以想象，與傳統減材制造不同，增材制造可以不依靠材料，不產生廢棄物，不受被制造物品復雜的幾何形狀約束，不需要繁冗的多級工藝處理和各種加工設備，而可以實現極為快速和輕松的制造過程。

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屬性的原材料。在傳統的減材制造過程中，需要針對性的選用不同特點的材料進行加工。比如制造汽車時要獲得具有彈性的輪胎而需要彈性材料橡膠，要獲得具有足夠強度和耐磨性的支撐零件而需要高強度和硬度的合金材料。在未來增材制造中，滿足產品特征的所有性能可以在制造過程中而不是事先獲得。比如未來制造一輛汽車，那么汽車車身各個部分在形成過程中自然獲得相應的屬性特點。

增材制造不產生廢棄物。由于增材制造現實的是基本粒子水平的構建行為，因此所有參與構建的基本元素之間沒有任何差異而不會造成無用的浪費。在未來文明世界中，廢棄物將徹底消失。

增材制造不受產品復雜程度的影響。因為增材制造的制造過程實質是根據產品的結構信息利用基本粒子重構產品的過程，因此只要獲得了產品的結構信息，就可以完整復制出和信息一模一樣的產品。至此產品本身的復雜程度和精細程度不會成為加工過程的障礙。

增材制造不需要繁冗的多級工藝處理和各種加工設備。正因為產品構建的原理相同，因而生產實現產品的機器甚至一樣，從而可以擺脫繁冗的多級工藝處理和各種加工設備。

4 增材制造發展面臨的困難

從目前的發展來看，要實現以上特點的增材制造至少需要克服兩大問題。首先是實現原子甚至亞原子水平上的建造，這是一個無比精細和龐大的工程。其次是人類必須獲取并掌控足夠多的能源以應付龐大工程的能量消耗。

實現原子甚至亞原子水平上的建造是非常困難的。在我們常規的生產中，產品的尺寸越小，對加工工具的精度要求就越高。不過，人類已經向實現粒子操控邁向了第一步。比如，我國科學家就利用隧道掃描顯微鏡的針尖在硅原子表面通過移動硅原子排列出了“中國”兩個漢字。雖然目前的技術距離實現粒子水平的加工制造還有很長的距離，但給我們指出了這種可能。同時，這種建造工程是無比龐大的，就算是一件很小的鑰匙其中所包含的原子的數量就可以達到1023數量級之多，這個數量是傳統加工技術所難以想象的。

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難以想象的巨大能量。就算現在能夠利用操控粒子來增材制造一把鑰匙，其生產成本也遠遠大于傳統的加工方法。很顯然，如此浪費能量的制造方法要能夠獲得應用就必須使能源的獲得變得容易和廉價。我們知道太陽每時每刻都在向宇宙輻射能量，而地球吸收的能量僅占其中數十億分之一，就算這數十億分之一的吸收率，地球每年從太陽上獲取的能量的總和也要比人類有史以來使用的能量的總和還要多得多。況且宇宙中像太陽一樣的恒星數不盡數，不怕人類不夠用，只怕人類用不到。科幻小說里，高度文明的外星人通過無數的小型能量收集機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展讓人類看到了未來無限能源的曙光。

5 增材制造的美好景愿

未來的模樣實在讓人難以想象卻又讓人忍不住去猜想。也許未來的某一天，一個人在家里就可以制造出他想要的任何東西。如果真的出現了這樣的場景，未來人的想法也會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現，那么有幾點是可以肯定的。沒有人將因為物資的匱乏而貧窮，人類文明將高度發達，人類將擺脫物質的束縛而追求最富足的精神快樂。

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作者簡介：廖偉強（1987-），男，湖北宜昌人，工科學士，研究方向：機械設計制造及其自動化。