3D打印技術(shù)對機(jī)械工程的影響

常豐田 黃矗 黃波

【摘 要】 3D打印技術(shù)，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。它的出現(xiàn)，有學(xué)者認(rèn)為，將會對機(jī)械行業(yè)造成很大的沖擊。本文通過對3D打印技術(shù)的分析和對機(jī)械工程研究范圍的分析，得出3D打印技術(shù)對機(jī)械工程的影響：目前3D打印技術(shù)主要適用于產(chǎn)品開發(fā)，對車間、機(jī)床等不會造成太大影響。

【關(guān)鍵詞】 3D打印 機(jī)械工程 影響

【中圖分類號】 K826.16【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A【文章編號】1672-5158（2013）07-0033-01

1.3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)，也叫三維打印技術(shù)，它與普通打印機(jī)工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實物。如今這一技術(shù)在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，人們用它來制造服裝、建筑模型、汽車、巧克力甜品等。

每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。

三維打印技術(shù)的魅力在于它不需要在工廠操作，桌面打印機(jī)可以打印出小物品，而且，人們可以將其放在辦公室一角、商店甚至房子里；而自行車車架、汽車方向盤甚至飛機(jī)零件等大物品，則需要更大的打印機(jī)和更大的放置空間。

3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點是無需機(jī)械加工或任何模具，就能直接從計算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產(chǎn)品的研制周期，提高生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。

與傳統(tǒng)技術(shù)相比，三維打印技術(shù)還擁有如下優(yōu)勢：通過摒棄生產(chǎn)線而降低了成本；大幅減少了材料浪費；而且，它還可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造出的外形，讓人們可以更有效地設(shè)計出飛機(jī)機(jī)翼或熱交換器；另外，在具有良好設(shè)計概念和設(shè)計過程的情況下，三維打印技術(shù)還可以簡化生產(chǎn)制造過程，快速有效又廉價地生產(chǎn)出單個物品。

三維打印技術(shù)還有其他重要的優(yōu)點。大多數(shù)金屬和塑料零件為了生產(chǎn)而設(shè)計，這就意味著它們會非常笨重，并且含有與制造有關(guān)但與其功能無關(guān)的剩余物。三維打印技術(shù)不是這樣的。在三維打印技術(shù)中，原材料只為生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品”，借用三維打印技術(shù)，他的團(tuán)隊生產(chǎn)出的零件更加精細(xì)輕盈。當(dāng)材料沒有了生產(chǎn)限制后，就能以最優(yōu)化的方式來實現(xiàn)其功能，因此，與機(jī)器制造出的零件相比，打印出來的產(chǎn)品的重量要輕60%，并且同樣堅固。

2.機(jī)械工程目前的研究范圍

機(jī)械工程以有關(guān)的自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)實踐中的技術(shù)經(jīng)驗，研究和解決在開發(fā)、設(shè)計、制造、安裝、運用和修理各種機(jī)械中的全部理論和實際問題的應(yīng)用學(xué)科。機(jī)械是現(xiàn)代社會進(jìn)行生產(chǎn)和服務(wù)的五大要素（人、資金、能源、材料和機(jī)械）之一，并參與能量和材料的生產(chǎn)。

機(jī)械工程的學(xué)科內(nèi)容，按工作性質(zhì)可分為以下方面：①建立和發(fā)展可實際和直接應(yīng)用于機(jī)械工程的工程理論基礎(chǔ)。如工程力學(xué)、流體力學(xué)、工程材料學(xué)、材料力學(xué)、燃燒學(xué)、傳熱學(xué)、熱力學(xué)、摩擦學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械原理、機(jī)械零件、金屬工藝學(xué)和非金屬工藝學(xué)等。②研究、設(shè)計和發(fā)展新機(jī)械產(chǎn)品，改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)械產(chǎn)品和生產(chǎn)新一代機(jī)械產(chǎn)品，以適應(yīng)當(dāng)前和未來的需要。③機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)，如生產(chǎn)設(shè)施的規(guī)劃和實現(xiàn)、生產(chǎn)計劃的制訂和生產(chǎn)調(diào)度、編制和貫徹制造工藝、設(shè)計和制造工藝裝備、確定勞動定額和材料定額以及加工、裝配、包裝和檢驗等。④機(jī)械制造企業(yè)的經(jīng)營和管理，如確定生產(chǎn)方式、產(chǎn)品銷售以及生產(chǎn)運行管理等。⑤機(jī)械產(chǎn)品的應(yīng)用，如選擇、訂購、驗收、安裝、調(diào)整、操作、維修和改造各產(chǎn)業(yè)所使用的機(jī)械產(chǎn)品和成套機(jī)械設(shè)備。⑥研究機(jī)械產(chǎn)品在制造和使用過程中所產(chǎn)生的環(huán)境污染和自然資源過度耗費問題及處理措施。因此，機(jī)械工程是一個很大而且很寬泛的概念。

3.3D打印技術(shù)對機(jī)械工程的影響

3D打印技術(shù)有其獨特的優(yōu)勢和魅力。英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》曾如此描述3D打印技術(shù)對傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的影響：未來的工廠，大多數(shù)的工作將不是在車間完成，而是在辦公室展開，那里會坐滿設(shè)計師、工程師、IT專家、物流專家、營銷人員和其他專業(yè)人士。3D打印技術(shù)可以為汽車公司制造自動變速箱的殼體。如果按照傳統(tǒng)方式生產(chǎn)，僅開模具的花費就很大，并且周期長，而采用3D打印技術(shù)，很快就能拿到模具，價格相對低廉，性能也能達(dá)到設(shè)計預(yù)期要求。

然而，雖然3D打印技術(shù)有其一定的優(yōu)點，但是人們過分夸大了3D打印的影響。首先是3D打印機(jī)的價格較高，大多數(shù)桌面級3D打印機(jī)的售價在2萬元人民幣左右，但是對于桌面級3D打印機(jī)來說，由于僅能打印塑料產(chǎn)品，因此使用范圍非常有限。3d打印是一層層來制作物品，如果想把物品制作的更精細(xì)，則需要每層厚度減?。蝗绻胩岣叽蛴∷俣?，則需要增加層厚，而這勢必影響產(chǎn)品的精度質(zhì)量。若生產(chǎn)同樣精度的產(chǎn)品，同傳統(tǒng)的大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)相比，沒有成本上的優(yōu)勢，尤其是考慮到時間成本，規(guī)模成本之后。

綜上，3D打印技術(shù)不會對傳統(tǒng)的車間、數(shù)字機(jī)床產(chǎn)生太大的沖擊。3D打印技術(shù)在目前來看，最適合用于新產(chǎn)品的開發(fā)。而從制造角度來看，它并不是最合適的?，F(xiàn)在大多數(shù)的3D打印技術(shù)精度還達(dá)不到傳統(tǒng)制造的程度，也很難實現(xiàn)傳統(tǒng)制造方式的大批量、低成本制造。3D打印在協(xié)同制造和實現(xiàn)創(chuàng)意方面較有優(yōu)勢，但無法替代傳統(tǒng)的制造方式。以上面的汽車自動變速箱的殼體為例，真正在市場上銷售的車，變速箱并不是用這個方法做的。汽車公司會對變速箱進(jìn)行各種極端狀況下的測試，其中一些零件就是用3D打印方法做的。定型了以后，再開模具，然后按照傳統(tǒng)制造方法批量生產(chǎn)，這樣成本就會大大降低。3D打印適用于制造難加工的貴重材料，以及用傳統(tǒng)制造方法浪費大、甚至根本做不出來的復(fù)雜形狀。在大批量生產(chǎn)方面，則還須依靠傳統(tǒng)制造?，F(xiàn)在的3D打印技術(shù)還完全不成熟，對于材料，結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度，成本幾個方面注定在短時間內(nèi)不可能有大的規(guī)?；膽?yīng)用。

4.結(jié)束語

3D打印技術(shù)作為一種新型的技術(shù)，對機(jī)械工程的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)有一定的影響，在產(chǎn)品開發(fā)，三維設(shè)計和科研、食品、醫(yī)療等領(lǐng)域大展身手。不可否認(rèn)，3D打印技術(shù)會給機(jī)械工程帶來新鮮的血液，但是，由于其自身的局限性，短時間內(nèi)必定無法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械制造行業(yè)。直到2012年，3D打印生產(chǎn)出的前所未有的東西，幾乎沒有。做些小規(guī)模的飾品，藝術(shù)品是可以的，做逆向工程也可以的，但要談到大規(guī)模機(jī)械生產(chǎn)，3d打印還不能取代傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式。

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