3D打印技術(shù)成本節(jié)約方案的應(yīng)用研究

王巍 羅愛(ài)華 竇巍

摘 要：3D打印技術(shù)成本節(jié)約方案的研究目前主要局限在對(duì)新材料的研發(fā)和現(xiàn)有材料的優(yōu)化上，但影響材料節(jié)約的關(guān)鍵因素除了材料本身成本，還有材料的使用量，作者從前期數(shù)字造型環(huán)節(jié)找到了突破點(diǎn)，并提出了改進(jìn)意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；成本節(jié)約；數(shù)字造型

中圖分類號(hào)：TP334.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-5312（2016）24-0255-01

20世紀(jì)90年代中期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這種技術(shù)也被稱為“快速成型”技術(shù)，它借助三維軟件生成數(shù)字模型，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行立體打印輸出，從而產(chǎn)生實(shí)物模型。這種打印方式有別于傳統(tǒng)的平面打印，它使用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料作為打印介質(zhì)，通過(guò)逐層堆積的方式來(lái)構(gòu)造物體。由于3D打印技術(shù)無(wú)需任何附加的傳統(tǒng)模具制造和機(jī)械加工，通過(guò)快速自動(dòng)成型系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)模型結(jié)合就能夠制造出各種形狀復(fù)雜的原型，這使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期極大縮短，生產(chǎn)成本大幅下降，因此被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

一、中國(guó)3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀

在中國(guó)，這項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)得到了相對(duì)廣泛的普及，大部分學(xué)校甚至家庭都已經(jīng)配備了3D打印設(shè)備。3D打印設(shè)備可以分成兩個(gè)級(jí)別，一是桌面級(jí)別，一是工業(yè)生產(chǎn)級(jí)別。前者更多的應(yīng)用于家庭和簡(jiǎn)單造型的制作，多使用PVC、樹(shù)脂等材料，成本相對(duì)低廉。后者則是真正意義上的3D打印，由于材料價(jià)格高昂，目前僅應(yīng)用于一些“高精尖”工業(yè)。其一公斤材料（最常用的鈦合金材料）的價(jià)格為2000-3000元左右，最昂貴材料的甚至可以和白銀等價(jià)。

二、制約中國(guó)3D打印技術(shù)發(fā)展的瓶頸

誠(chéng)如世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟首席執(zhí)行官羅軍所說(shuō)，中國(guó)國(guó)內(nèi)現(xiàn)在90%的3D打印企業(yè)是做打印“小玩意”的桌面機(jī)，工業(yè)3D打印機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)尚未真正開(kāi)始。材料成為了制約3D打印技術(shù)發(fā)展的最明顯的瓶頸。3D打印技術(shù)從狹義上講屬于“增材制造”技術(shù)，即采用材料逐漸累加的方法制造實(shí)體零件的技術(shù)。因此材料是3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，材料的發(fā)展決定了3D打印的成本。正是基于這些原因，現(xiàn)在3D打印技術(shù)成本節(jié)約的研究主要局限在對(duì)新材料的研發(fā)和現(xiàn)有材料的優(yōu)化上。這確實(shí)是解決方式之一，但卻并不是唯一的途徑，3D打印技術(shù)的確依托于材料，但對(duì)于材料節(jié)約來(lái)說(shuō)則有兩個(gè)關(guān)鍵因素，一是材料本身的成本，二是材料的用量。前者在研制和開(kāi)發(fā)上需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間；而后者則是可以通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的方式來(lái)解決。從某種意義上講，減少材料的用量才是真正意義的成本節(jié)約，因此，從前期的數(shù)字模型文件入手制定3D打印技術(shù)的成本節(jié)約方案，將會(huì)是一個(gè)明智的選擇。

三、影響成本節(jié)約的四大因素

從前期的數(shù)字模型制作上研究3D打印技術(shù)的成本節(jié)約方案，就需要對(duì)3D打印的原理、流程和工序有充分的了解。發(fā)現(xiàn)其中影響材料損耗的因素，從而逆向推演出前期模型制作中需要關(guān)注和修正的問(wèn)題。

1.制作中空造型是成本節(jié)約的重要因素。3D打印的實(shí)物模型，通常有兩種需求。一種是需要表現(xiàn)制作物體的外部造型和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，直接可以用于生產(chǎn)；另一種是僅需表現(xiàn)制作物體的外部造型，后期通過(guò)修形加工再進(jìn)入生產(chǎn)流程。現(xiàn)在絕大部分的打印成品都屬于后者，畢竟工業(yè)級(jí)的3D打印并沒(méi)有普及。這就對(duì)于實(shí)物模型的內(nèi)部空間沒(méi)有任何要求。使用空心造型替代實(shí)心造型會(huì)節(jié)省50%-80%的材料損耗，而且會(huì)減輕制成品的重量，方便進(jìn)行運(yùn)輸。

2.零件合理拆分是成本節(jié)約的不確定因素。在應(yīng)用“分層實(shí)體成型工藝”的3D打印過(guò)程中，并不直接將制作好的造型輸出到打印設(shè)備，堆砌出物體的造型。而是需要3D打印人員對(duì)得到的三維虛擬造型進(jìn)行拆分，以保證其在打印過(guò)程中的穩(wěn)定性。就像蓋樓一樣，如果根基不穩(wěn)，時(shí)刻會(huì)有倒塌的危險(xiǎn)，從而導(dǎo)致打印的失敗。為了實(shí)現(xiàn)這種穩(wěn)定，通常都會(huì)使用一種支撐材料來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定。這種支撐材料對(duì)于實(shí)物模型沒(méi)有實(shí)際的展示價(jià)值，在打印完成后需要去除。所以如果能夠合理拆分零件，減少支撐材料的用量，也可以達(dá)到節(jié)約的目的。

3.多材料混合應(yīng)用是成本節(jié)約的關(guān)聯(lián)因素。對(duì)于3D打印最終生成的實(shí)物模型，特別是體積較大的實(shí)物模型，往往都需要由幾個(gè)大型的部件組合完成。而這些部件在硬度需求上往往是不一樣的，并不是整個(gè)實(shí)物模型必須統(tǒng)一材料。根據(jù)各部件的材料差異來(lái)分割物體，重要的部件使用結(jié)實(shí)昂貴的材料，次要部件用相對(duì)單薄廉價(jià)的材料替換，能有效的節(jié)省開(kāi)銷，保證物盡其用。

4.零件的合理碼放是成本節(jié)約的可控因素。3D打印設(shè)備輸出實(shí)物模型的大小依據(jù)設(shè)備的型號(hào)不同會(huì)有所區(qū)別。使用“分層實(shí)體成型工藝”的打印機(jī)同一批次打印實(shí)物模型的數(shù)量與損耗是成正比的，但對(duì)于使用“立體光固化成型工藝”打印機(jī)就不一樣了。雖說(shuō)恒定體積空間內(nèi)那些未被固化的光敏樹(shù)脂可以進(jìn)行一定的回收再利用，但必然會(huì)造成浪費(fèi)。因此，在恒定體積空間中，碼放的零件越多，浪費(fèi)也就越少。

四、成本節(jié)約的解決方案

針對(duì)3D打印技術(shù)輸出過(guò)程中影響成本的因素，結(jié)合三維數(shù)字造型的基本知識(shí)，有側(cè)重的解決問(wèn)題，能極大的減少實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的浪費(fèi)，節(jié)約原材料的投入，進(jìn)而降低3D打印的成本。

1.“抽殼”技術(shù)為產(chǎn)生中空的造型帶來(lái)極大的便利。讓物體從實(shí)心變?yōu)榭招?，在維軟件中并不難實(shí)現(xiàn)，在很多造型軟件中，都提供了“抽殼”命令，即讓用戶根據(jù)指定的厚度值在單個(gè)實(shí)體周圍抽出或生成殼。如3ds max中修改器列表里的“殼”修改器，solidworks軟件中的“抽殼”工具。這些工具都可以產(chǎn)生相對(duì)完美的空心造型，但事無(wú)絕對(duì)，當(dāng)遇到一些曲面變化較大的造型時(shí)，這種“抽殼”會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，導(dǎo)致曲面扭曲混亂。其實(shí)，如果對(duì)物體的壁厚沒(méi)有統(tǒng)一要求的話，完全可以使用“布爾運(yùn)算”實(shí)現(xiàn)中空造型?！安紶栠\(yùn)算”的優(yōu)勢(shì)在于它的隨意性，但在執(zhí)行這一操作時(shí)需要盡量保證一次成型，不要進(jìn)行多次運(yùn)算，多次運(yùn)算會(huì)導(dǎo)致曲面產(chǎn)生過(guò)多的縫隙，從而干擾最后生成的結(jié)果。

2.零件的拆分考察的是操作者的智慧。將一個(gè)三維造型拆分成若干個(gè)零件并不是什么難事，利用“布爾運(yùn)算”和“分離”命令很容易實(shí)現(xiàn)，但具體是否拆分、如何拆分，則要看操作者的經(jīng)驗(yàn)與智慧。以一個(gè)實(shí)心球體為例，如果不進(jìn)行拆分，直接打印，勢(shì)必造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)而需要眾多的支撐物。如果將其一分為二，并將平坦、直徑大的面朝下擺放，則可以完全省去支撐物。雖然所有的數(shù)字造型都可以被3D打印出來(lái)，但在制作數(shù)字模型的過(guò)程中，能拆分的就不合并，做好對(duì)位孔的設(shè)計(jì)會(huì)為后期的打印輸出帶來(lái)方便。拆分后的模型零件在打印精度上也遠(yuǎn)高于一體化的零件，可謂一舉兩得。

3.切實(shí)掌握整個(gè)3D打印的流程和工藝是前期制作的保證。任何一項(xiàng)工作都包含諸多環(huán)節(jié)，作為一名前期制作人員，僅僅掌握高超的建模技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，與工作相關(guān)的知識(shí)，如材料學(xué)、開(kāi)模技巧都應(yīng)有所涉及。以往零件的拆分都是在3D打印人員手中進(jìn)行，其使用的3D打印軟件雖然具備簡(jiǎn)單的修改能力，但畢竟無(wú)法與專業(yè)的三維造型軟件媲美。生硬的拆分零件和簡(jiǎn)單粗暴的曲面精簡(jiǎn)，只會(huì)影響整個(gè)3D打印的進(jìn)度和實(shí)物模型的精度。不同環(huán)節(jié)制作人員的相互溝通、互助、知識(shí)共享，才是能更好的完成整個(gè)工作流程保證。

4.利用虛擬空間有效規(guī)劃布局是成功的關(guān)鍵。數(shù)字模型本身就是虛擬空間的產(chǎn)物，在虛擬空間中，可以進(jìn)行不同的嘗試，其方式類似于展UV操作，但不同的是前者是三維空間，后者是二維空間。由于零件不能進(jìn)行疊加，只要考慮高度的限制，完全可以在頂視圖進(jìn)行布局，有效的放置物體。這一步也可以說(shuō)是3D打印前的最后一步，所以需要綜合各方面的知識(shí)，如材料相同的物體放在一起，根據(jù)穩(wěn)定性拆分零件等，是對(duì)制作人員綜合素質(zhì)的考察。

五、結(jié)論

綜上所述，從前期的數(shù)字模型制作上研究3D打印技術(shù)的成本節(jié)約，是十分切合實(shí)際的。從材料上進(jìn)行研發(fā)確實(shí)可能解決3D打印的成本，但這只是在后期輸出方面的一種解決方案。從前端輸入進(jìn)行研究，不但可以對(duì)成本進(jìn)行先行控制，還能讓不同環(huán)節(jié)的制作人員進(jìn)行相互協(xié)作，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)意識(shí)。3D打印看似是一個(gè)沒(méi)有技術(shù)含量的輸出工序，實(shí)則有著很強(qiáng)的知識(shí)覆蓋面，涉及諸多領(lǐng)域。

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