貌似整个材料测试行业都在谈论增材制造，但这对材料测试意味着什么？与 MTS 专家 Mike Shepard 博士和 Mark Menzuber (MBA) 一同探讨增材制造的基础知识、它与 3D 打印的不同之处以及它会如何影响材料测试的未来。
什么是增材制造 (AM)，其有何优势？
Shepard：我没办法用一个简短的回答作出合适的评价，但是增材制造正在推动一场设计和制造领域的革命。通过这项技术，我们可以使用数量丰富而且不断增加的增材制造方法，从实体图纸直接制作出备件。在最好的情况下，性能可优于传统制造工艺。其技术多种多样，可适用于金属、聚合物，甚至复合材料和陶瓷。大致地说，这种技术是直接通过逐层堆积的方式制造备件。具有紧密公差或需要承受载荷的备件可能需要一些精加工步骤或热处理，但在某些情况下，增材制造系统制造的备件可以直接使用。
这种技术拥有诸多优势。首先，可以自由地设计形状和结构。设计人员可以优化重量、传热、空间和其他性能。其次，可以实现非常高的材料使用效率，因为不需要为了制作复杂的小型备件而将大块金属变成碎屑。这就是为何会说增材制造具有出色的 “BTF 比” 的原因。也就是说，采购的大部分材料都会真正变成部件的一部分，而不是碎屑或废料。供应链也可以大幅缩短。多个制造步骤和供应商可以缩减为同一地点的同一个复杂制造工艺。在缩短周转时间和整合物流链条方面的物流优势是显而易见的。
哪些行业趋势推动了 AM 需求？哪些行业在 AM 的使用方面处于领先地位？
Menzuber：大多数采用增材制造的公司都对以多种方式裁剪重量和增加性能非常有兴趣。此外，人们也很关注在现场使用增材制造代替多个可能需要在其他地点进行的生产步骤，从而简化供应链并缩短交货时间的可能性。最后，增材制造可以提高中小型生产批次的效率，从而有助于降低定制成本并缩短产品开发时间。
随着增材制造技术的成熟，它们有可能带来相当大的颠覆。人人都在考虑增材制造，但我发现航空航天和生物医学应用方面很活跃，投资也很多。这些行业有些应用可以带来非常高的增值，批量从低到中不等。这些行业中的应用往往经过高度优化和大量测试，因此可以集成增材制造等新兴制造工艺，因为它们具有清晰的价值定位。汽车应用也非常强势，但这一行业对成本较为敏感。
3D 打印和 AM 有何区别？
Shepard：通常而言，这两个术语仍然可以互换使用，特别是在主流媒体和消费市场领域。在我看来，增材制造备件通常用于最终应用。由于备件需要用在产品中，因此 AM 需要稳健的工艺，适合生产环境，可以达到合理的效率。
在快速原型设计应用中，备件通常不会用于任何重要服务。强度可以不太高，性能可以不均匀。在任何实际应用中使用这些备件时均应小心谨慎，特别是在涉及任何载荷的情况下。打印过程本身可能非常缓慢。尽管如此，快速制造出实物原型确实可以帮助设计工程师了解备件的工作方式以及与其他备件之间的相互作用。向合作伙伴和客户展示适用性和功能时，这些打印原型也非常有用。我认为这些 3D 打印原型是使用 3D CAD 软件创建可视形象的下一步。
MTS 是否使用增材制造？
Shepard：使用。事实证明，MTS 采用增材制造由来已久，从 90 年代中期开始。当时我们在市场上有点超前，但通过与许多伙伴合作，我们完善了自己的激光增材制造 (LAM) 工艺，从而得以成功地生产出航空航天品质的 Ti-6Al-4V 备件。其中一些备件可能仍然在 F-15 上服役。这些经验让我们深入了解到增材制造工艺及其生产的备件如何才算合格，尤其是在力学测试方面。
最近，与我们的客户对增材技术发生兴趣的原因一样，我们也对这项技术的设计潜力和效率感到兴奋。我们有一套内部增材制造系统，用于快速原型设计和一些生产备件。在设计定制系统时，我们将快速原型设计作为研发流程的一部分。3D CAD 非常强大，我们用的很多，但什么都比不过亲手拿到备件，研究它们的配合和工作方式。我们的客户对此也很认可。在我们为他们设计一套独特的新系统时，有一个全尺寸或比例缩小模型，让他们能够亲眼看到操作的力学原理，是非常有帮助的。
我们还将增材制造用于一些低批量生产且高度复杂的非载荷支承备件。对于这些备件，AM 为我们提供了具有竞争力的成本和较短的交货时间，在物流方面很有优势。过去，这些备件必须采用多个步骤制造，有时需要委托我们工厂以外的供应商。现在，我们只需上传部件的实体模型，采用 AM 工艺设置的标准实践，然后待备件加工完成后来取即可。增材制造的部件有时可以直接使用，无需辅助制造步骤。
AM 对材料测试有何影响？
Menzuber：有若干重要因素。首先，使用增材制造的部件加工标准样件可能会很困难，因此可能需要使用比例缩小样件或其他类型测试。我们在处理这些变数方面很有经验。我们拥有种类丰富的载荷框架和固定工装，可以帮助您对正确配置的样件施加适当水平的力，以便评估您关注的性能。我们也敏感地意识到，不同的客户感兴趣的测试类型不同，需要不同功能和价位的解决方案。
您需要时刻记住增材制造工艺的本质及其对备件中材料性能均匀性的影响。一般来说，增材制造的主要属性是直接逐层堆积出成品或接近成品的备件。而不是制作一大块相对均匀的材料，然后从中加工出一个备件。增材制造逐层逐层堆积的本质可能会导致材料性能不一定是各向同性，这意味着这些性能不一定均匀，具体取决于在备件中所处的方位。特别是，人们最关注的是垂直于增材层（通常称为 Z 方向）的性能。应当另外安排一些测试，确保他们了解备件中材料的均匀程度。此外，根据特定增材制造工艺的成熟程度，可能需要运行一些测试来了解各种加工参数对力学性能的影响，以便更好地了解生产的安全加工区域。这些工艺可能非常复杂，有很多变量。
作为增材生产流程的一部分，测试验证样片特别有价值。您可以在复杂制造前后制作小型测试验证样片，以确保系统整体可按预期运行。我们有一系列规格较小、价格适中的系统，非常适合这一用途。它们使用方便，可以按您喜好放在增材制造系统旁边。这些系统可以为您提供即时反馈，从力学性能的角度了解系统生产的材料是否合格。直接从部件上切下的样片可以更直接地显示工艺稳定性和部件质量。
为 AM 样件选择测试设备时，有哪些重要的注意事项？
Shepard：从逻辑上讲，测试界正在尽可能利用现有设备和标准化测试方法。遗憾的是，增材制造物品中的材料可能性能并不均匀。在许多情况下，完全无法从这些制造部件中获得标准样件。这对于我们是一项有趣的挑战。我们拥有全面的载荷框架技术系列（伺服液压式、机电式、电动式）以及固定工装（夹具、三点弯曲、夹钳等），因此在处理比例缩小和特殊样件时没有太大困难。如果需要，我们还可提供适合小尺寸测试的载荷框架。
根据所需测试的类型，适合您的系统类型可能有所不同。就高端而言，如果需要很高级别的性能和灵活性，可能需要伺服液压系统。它们特别适合疲劳和断裂等动态测试，也可以轻松进行拉伸测试等更多常规测试。有些客户的要求可能更简单，只需要能够运行拉伸测试即可。机电系统可能最适合这些客户。机电系统可能相当经济实惠，是生产过程中测试验证样片的理想选择。
近年来还有另外一种选择。电动式系统可提供丰富的动态性能，同时无需液压泵组。如果您需要在特别清洁的环境中运行，或者您之前没有测试经验又需要一些动态功能，希望避免液压安装的复杂性和费用，这些系统就尤其合适。
MTS 参与增材制造社区的情况如何？
Menzuber：首先，我们是这项技术的使用者，在技术领域有很长一段历史，因此我们对增材制造方法的优势和挑战有一些第一手的知识。其次，我们与客户有着非常密切的关系。每家客户都采用自己的方式将新材料和工艺集成到产品中，我们与他们紧密合作，为他们提供支持。这可能意味着帮助他们开发设计数据，为他们的材料模型生成参数，从测试验证样片到测试部件和满量程系统。第三，我们参与了制定增材制造试验标准的标准组织，特别是 ASTM 和 ISO。MTS 参与这些组织非常重要，这样我们就可以通过测试专业知识为技术社区提供支持，介绍客户的需求和体验。
什么是增材制造 (AM)，其有何优势？
Shepard：我没办法用一个简短的回答作出合适的评价，但是增材制造正在推动一场设计和制造领域的革命。通过这项技术，我们可以使用数量丰富而且不断增加的增材制造方法，从实体图纸直接制作出备件。在最好的情况下，性能可优于传统制造工艺。其技术多种多样，可适用于金属、聚合物，甚至复合材料和陶瓷。大致地说，这种技术是直接通过逐层堆积的方式制造备件。具有紧密公差或需要承受载荷的备件可能需要一些精加工步骤或热处理，但在某些情况下，增材制造系统制造的备件可以直接使用。
这种技术拥有诸多优势。首先，可以自由地设计形状和结构。设计人员可以优化重量、传热、空间和其他性能。其次，可以实现非常高的材料使用效率，因为不需要为了制作复杂的小型备件而将大块金属变成碎屑。这就是为何会说增材制造具有出色的 “BTF 比” 的原因。也就是说，采购的大部分材料都会真正变成部件的一部分，而不是碎屑或废料。供应链也可以大幅缩短。多个制造步骤和供应商可以缩减为同一地点的同一个复杂制造工艺。在缩短周转时间和整合物流链条方面的物流优势是显而易见的。
哪些行业趋势推动了 AM 需求？哪些行业在 AM 的使用方面处于领先地位？
Menzuber：大多数采用增材制造的公司都对以多种方式裁剪重量和增加性能非常有兴趣。此外，人们也很关注在现场使用增材制造代替多个可能需要在其他地点进行的生产步骤，从而简化供应链并缩短交货时间的可能性。最后，增材制造可以提高中小型生产批次的效率，从而有助于降低定制成本并缩短产品开发时间。
随着增材制造技术的成熟，它们有可能带来相当大的颠覆。人人都在考虑增材制造，但我发现航空航天和生物医学应用方面很活跃，投资也很多。这些行业有些应用可以带来非常高的增值，批量从低到中不等。这些行业中的应用往往经过高度优化和大量测试，因此可以集成增材制造等新兴制造工艺，因为它们具有清晰的价值定位。汽车应用也非常强势，但这一行业对成本较为敏感。
3D 打印和 AM 有何区别？
Shepard：通常而言，这两个术语仍然可以互换使用，特别是在主流媒体和消费市场领域。在我看来，增材制造备件通常用于最终应用。由于备件需要用在产品中，因此 AM 需要稳健的工艺，适合生产环境，可以达到合理的效率。
在快速原型设计应用中，备件通常不会用于任何重要服务。强度可以不太高，性能可以不均匀。在任何实际应用中使用这些备件时均应小心谨慎，特别是在涉及任何载荷的情况下。打印过程本身可能非常缓慢。尽管如此，快速制造出实物原型确实可以帮助设计工程师了解备件的工作方式以及与其他备件之间的相互作用。向合作伙伴和客户展示适用性和功能时，这些打印原型也非常有用。我认为这些 3D 打印原型是使用 3D CAD 软件创建可视形象的下一步。
MTS 是否使用增材制造？
Shepard：使用。事实证明，MTS 采用增材制造由来已久，从 90 年代中期开始。当时我们在市场上有点超前，但通过与许多伙伴合作，我们完善了自己的激光增材制造 (LAM) 工艺，从而得以成功地生产出航空航天品质的 Ti-6Al-4V 备件。其中一些备件可能仍然在 F-15 上服役。这些经验让我们深入了解到增材制造工艺及其生产的备件如何才算合格，尤其是在力学测试方面。
最近，与我们的客户对增材技术发生兴趣的原因一样，我们也对这项技术的设计潜力和效率感到兴奋。我们有一套内部增材制造系统，用于快速原型设计和一些生产备件。在设计定制系统时，我们将快速原型设计作为研发流程的一部分。3D CAD 非常强大，我们用的很多，但什么都比不过亲手拿到备件，研究它们的配合和工作方式。我们的客户对此也很认可。在我们为他们设计一套独特的新系统时，有一个全尺寸或比例缩小模型，让他们能够亲眼看到操作的力学原理，是非常有帮助的。
我们还将增材制造用于一些低批量生产且高度复杂的非载荷支承备件。对于这些备件，AM 为我们提供了具有竞争力的成本和较短的交货时间，在物流方面很有优势。过去，这些备件必须采用多个步骤制造，有时需要委托我们工厂以外的供应商。现在，我们只需上传部件的实体模型，采用 AM 工艺设置的标准实践，然后待备件加工完成后来取即可。增材制造的部件有时可以直接使用，无需辅助制造步骤。
AM 对材料测试有何影响？
Menzuber：有若干重要因素。首先，使用增材制造的部件加工标准样件可能会很困难，因此可能需要使用比例缩小样件或其他类型测试。我们在处理这些变数方面很有经验。我们拥有种类丰富的载荷框架和固定工装，可以帮助您对正确配置的样件施加适当水平的力，以便评估您关注的性能。我们也敏感地意识到，不同的客户感兴趣的测试类型不同，需要不同功能和价位的解决方案。
您需要时刻记住增材制造工艺的本质及其对备件中材料性能均匀性的影响。一般来说，增材制造的主要属性是直接逐层堆积出成品或接近成品的备件。而不是制作一大块相对均匀的材料，然后从中加工出一个备件。增材制造逐层逐层堆积的本质可能会导致材料性能不一定是各向同性，这意味着这些性能不一定均匀，具体取决于在备件中所处的方位。特别是，人们最关注的是垂直于增材层（通常称为 Z 方向）的性能。应当另外安排一些测试，确保他们了解备件中材料的均匀程度。此外，根据特定增材制造工艺的成熟程度，可能需要运行一些测试来了解各种加工参数对力学性能的影响，以便更好地了解生产的安全加工区域。这些工艺可能非常复杂，有很多变量。
作为增材生产流程的一部分，测试验证样片特别有价值。您可以在复杂制造前后制作小型测试验证样片，以确保系统整体可按预期运行。我们有一系列规格较小、价格适中的系统，非常适合这一用途。它们使用方便，可以按您喜好放在增材制造系统旁边。这些系统可以为您提供即时反馈，从力学性能的角度了解系统生产的材料是否合格。直接从部件上切下的样片可以更直接地显示工艺稳定性和部件质量。
为 AM 样件选择测试设备时，有哪些重要的注意事项？
Shepard：从逻辑上讲，测试界正在尽可能利用现有设备和标准化测试方法。遗憾的是，增材制造物品中的材料可能性能并不均匀。在许多情况下，完全无法从这些制造部件中获得标准样件。这对于我们是一项有趣的挑战。我们拥有全面的载荷框架技术系列（伺服液压式、机电式、电动式）以及固定工装（夹具、三点弯曲、夹钳等），因此在处理比例缩小和特殊样件时没有太大困难。如果需要，我们还可提供适合小尺寸测试的载荷框架。
根据所需测试的类型，适合您的系统类型可能有所不同。就高端而言，如果需要很高级别的性能和灵活性，可能需要伺服液压系统。它们特别适合疲劳和断裂等动态测试，也可以轻松进行拉伸测试等更多常规测试。有些客户的要求可能更简单，只需要能够运行拉伸测试即可。机电系统可能最适合这些客户。机电系统可能相当经济实惠，是生产过程中测试验证样片的理想选择。
近年来还有另外一种选择。电动式系统可提供丰富的动态性能，同时无需液压泵组。如果您需要在特别清洁的环境中运行，或者您之前没有测试经验又需要一些动态功能，希望避免液压安装的复杂性和费用，这些系统就尤其合适。
MTS 参与增材制造社区的情况如何？
Menzuber：首先，我们是这项技术的使用者，在技术领域有很长一段历史，因此我们对增材制造方法的优势和挑战有一些第一手的知识。其次，我们与客户有着非常密切的关系。每家客户都采用自己的方式将新材料和工艺集成到产品中，我们与他们紧密合作，为他们提供支持。这可能意味着帮助他们开发设计数据，为他们的材料模型生成参数，从测试验证样片到测试部件和满量程系统。第三，我们参与了制定增材制造试验标准的标准组织，特别是 ASTM 和 ISO。MTS 参与这些组织非常重要，这样我们就可以通过测试专业知识为技术社区提供支持，介绍客户的需求和体验。
