3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)的分析與對(duì)比

紀(jì)海峰

摘要：3D打印技術(shù)作為新興技術(shù)，已經(jīng)進(jìn)入到現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活之中，并快速發(fā)展和應(yīng)用。通過調(diào)查和研究對(duì)傳統(tǒng)制造技術(shù)和3D打印技術(shù)進(jìn)行了介紹，將兩者的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和對(duì)比，并展望了3D打印技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，對(duì)了解3D打印技術(shù)具有一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：傳統(tǒng)制造技術(shù)；3D打印技術(shù)；技術(shù)對(duì)比

中圖分類號(hào)：TH14文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.11.002

Analysis and Comparison of 3D Printing Technology and Traditional Manufacturing Technology

JI Haifeng

（Liaoning Building of Career Academy， Liaoyang 111000， China）

Abstract：As an emerging technology， 3D printing technology has entered the production and life of modern society and has been rapidly developed and applied. This paper introduces traditional manufacturing technology and 3D printing technology through investigation and research， compares the advantages and disadvantages of the two systems and compares them systematically， and looks forward to the future development of 3D printing technology. It has certain guidance for understanding 3D printing technology. effect.

Keywords：traditional manufacturing technology；3D print；technical comparison

0引言

3D打印（Three Dimension Printing，3DP）技術(shù)，是一種快速成型技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)。它是一種以數(shù)字化模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀塑料、金屬或可粘合材料，通過逐層打印的方法來構(gòu)建物體的技術(shù)[1]。與傳統(tǒng)的去除材料的加工制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)作為一種全新的制造技術(shù)，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)的成熟與推廣，3D打印技術(shù)也日趨完善。3D打印技術(shù)作為一種新興且實(shí)用的技術(shù)，目前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。本文主要對(duì)3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)的不同進(jìn)行分析與探討。

1傳統(tǒng)制造技術(shù)

在機(jī)械行業(yè)中，以車、銑、刨、磨和模具生產(chǎn)等傳統(tǒng)的去除材料加工為代表的制造業(yè)生產(chǎn)方式至今仍在沿用，雖然目前均已使用數(shù)控系統(tǒng)對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行升級(jí)和革新，但是員工的個(gè)人操作技術(shù)因素還是對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量有一定的影響，而使用模具來生產(chǎn)零部件的生產(chǎn)模式至今還在廣泛大面積的應(yīng)用。以上兩種典型的生產(chǎn)制造方式都存在工作環(huán)境差，生產(chǎn)周期較長、制造成本高，對(duì)員工個(gè)人技術(shù)要求較高等多種因素，這些因素的存在使得傳統(tǒng)制造技術(shù)與現(xiàn)代化快節(jié)奏的社會(huì)需求模式不相適應(yīng)。

23D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)的起源可以追溯到19世紀(jì)末的美國，其在行業(yè)內(nèi)的學(xué)名為“快速成型技術(shù)”，但是由于僅僅是一次單純的打印，其昂貴價(jià)格就已經(jīng)讓此項(xiàng)技術(shù)只能是面向一些企業(yè)級(jí)的用戶，所以一直只在行業(yè)內(nèi)小范圍的群體里傳播。直到20世紀(jì)80年代才出現(xiàn)成熟的技術(shù)方案并逐漸被業(yè)界關(guān)注。3D打印技術(shù)，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)不同，它是一種增材制造技術(shù)，也是一種快速成形技術(shù)，其主要是以數(shù)字模型文件作為加工生產(chǎn)的依據(jù)，運(yùn)用特殊蠟材、塑料或粉末狀金屬等可粘合材料，將分層打印的物質(zhì)用粘合材料來進(jìn)行連接和加固，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造三維物體的目的。

33D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)對(duì)比

3.1生產(chǎn)制造流程對(duì)比

傳統(tǒng)的制造技術(shù)有一整套嚴(yán)格嚴(yán)密的生產(chǎn)加工制造流程。首先是進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，隨后進(jìn)行外觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，接下來是圖紙?jiān)O(shè)計(jì)（目前均已使用CAD技術(shù)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)），隨后工作人員按照圖紙使用數(shù)控機(jī)床來對(duì)零件進(jìn)行加工，最后生成產(chǎn)品。如果所生產(chǎn)的產(chǎn)品是塑料等非金屬產(chǎn)品，還需進(jìn)行模具設(shè)計(jì)，試模成功后方可進(jìn)行大量生產(chǎn)。而且整個(gè)流程對(duì)操作者的專業(yè)技術(shù)知識(shí)要求非常高，如有一處環(huán)節(jié)產(chǎn)生問題，則會(huì)影響后續(xù)的很多相應(yīng)環(huán)節(jié)，屬于剛性生產(chǎn)，同時(shí)生產(chǎn)加工的環(huán)境比較惡劣。

而3D打印技術(shù)的流程則十分簡單，首先使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)（CAD設(shè)計(jì)），隨后將數(shù)據(jù)傳入3D打印機(jī)，進(jìn)行簡單的設(shè)置，完成打印后即可得到所加工產(chǎn)品，與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)由于操作簡單，對(duì)操作者專業(yè)知識(shí)要求不高，而生產(chǎn)過程簡單，生產(chǎn)的產(chǎn)品多樣化，生產(chǎn)方式靈活，且工作環(huán)境良好，由于其可以達(dá)到無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、生產(chǎn)方式較環(huán)保的特點(diǎn)，所以得到廣泛的關(guān)注。下圖是傳統(tǒng)制造技術(shù)最基本的操作流程與3D打印技術(shù)的操作流程對(duì)比。

圖操作流程對(duì)比

3.2綜合技術(shù)對(duì)比

傳統(tǒng)制造技術(shù)目前已經(jīng)比較完善，可以滿足絕大多數(shù)行業(yè)的要求。同時(shí)，傳統(tǒng)制造技術(shù)也在升級(jí)轉(zhuǎn)型，由原有的傳統(tǒng)制造技術(shù)向現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化和融合，但是傳統(tǒng)制造技術(shù)的生產(chǎn)模式也在現(xiàn)代制造技術(shù)中有很多的體現(xiàn)，例如生產(chǎn)效率低，制造成本較高；勞動(dòng)強(qiáng)度大，加工人員眾多；加工周轉(zhuǎn)次數(shù)頻繁，生產(chǎn)工序眾多；工作環(huán)境較差并具有危險(xiǎn)性；廢品率較高、對(duì)材料有較多浪費(fèi)等。

而3D打印技術(shù)有以下特點(diǎn)：第一，無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，可以利用先進(jìn)的數(shù)字化建模軟件進(jìn)行前期的模型設(shè)計(jì)，利用CAD 模型直接驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體零件數(shù)字化[2]；第二，材料利用率較高，無需加工前對(duì)毛坯進(jìn)行處理；第三，無需大型的自動(dòng)化生產(chǎn)線，無需固定的生產(chǎn)制造車間，降低生產(chǎn)成本；第四，無需傳統(tǒng)的切削刀具、固定夾具、加工機(jī)床或模具，可直接按照模型數(shù)據(jù)生成實(shí)物產(chǎn)品，簡單方便靈活，從而有效地縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期；第五，能夠?qū)⒉捎脗鹘y(tǒng)方法制造不便的復(fù)雜零件或產(chǎn)品，輕松的制造出來；第六，加工生產(chǎn)環(huán)境安全無污染。以上是其特點(diǎn)的分析，可以看出3D打印技術(shù)相比傳統(tǒng)制造技術(shù)，優(yōu)勢明顯。下表是3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)各項(xiàng)的綜合對(duì)比。

4.13D打印技術(shù)目前的技術(shù)缺點(diǎn)

雖然3D打印技術(shù)有著諸多的優(yōu)勢，但是其自身也存在著一些亟需改善的缺點(diǎn)。在當(dāng)下使用3D打印技術(shù)制造單件或小批量的產(chǎn)品，成本比較昂貴，這是由于在目前，打印材料仍然主要局限于塑料、石膏、樹脂、陶瓷、砂和金屬等，所以能用于3D打印的材料則顯得非常有限，同時(shí)用于增材制造的材料研發(fā)難度較大、而使用量卻不大等因素，導(dǎo)致3D打印制造在現(xiàn)階段成本較高；由于3D打印技術(shù)屬于增材制造，在加工制造中采用的是逐層制造，層與層之間是粘合疊加的方式來生成產(chǎn)品，所以導(dǎo)致產(chǎn)品或零件的外觀精度（如尺寸精度、形狀精度和表面粗糙度等）、物理性能（如強(qiáng)度、剛度、耐疲勞性等）和自身化學(xué)性能等重要指標(biāo)均無法達(dá)到傳統(tǒng)制造技術(shù)所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和性能。所以目前使用3D打印技術(shù)制造出來的產(chǎn)品多為工藝品、玩具或試驗(yàn)件居多，無法替代傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)品。

4.23D打印技術(shù)未來展望

3D打印技術(shù)是一種全新的生產(chǎn)制造技術(shù)，隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破，將會(huì)被越來越多的人或行業(yè)接受和認(rèn)可，也會(huì)在今后的多個(gè)領(lǐng)域得到大范圍的應(yīng)用[3，4]。目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)金屬材料的3D打印，國外一些國家已經(jīng)使用3D打印機(jī)進(jìn)行醫(yī)學(xué)輔助器官的打印嘗試，例如美國明尼蘇達(dá)大學(xué)研究人員正在嘗試使用3D打印技術(shù)制出生物工程脊髓、多倫多大學(xué)研究人員正在嘗試生物3D打印機(jī)打印出復(fù)雜血管組織等；還有很多行業(yè)和領(lǐng)域例如建筑、教育、制造業(yè)、航空航天和人工智能等都在致力于3D打印技術(shù)的研究。由此可見，未來會(huì)有更多的行業(yè)和領(lǐng)域應(yīng)用3D打印技術(shù)，相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，很多相關(guān)問題都會(huì)得到解決，也會(huì)有更多的人接受和使用3D打印技術(shù)制造出來的產(chǎn)品。

5結(jié)論

綜上所述，可以看出傳統(tǒng)制造技術(shù)經(jīng)過數(shù)百年幾代人的研究、應(yīng)用和發(fā)展，已經(jīng)積累了非常豐富的生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)，具有完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，當(dāng)然其也有著很多的缺點(diǎn)和需要改進(jìn)的地方，但很長一段時(shí)間內(nèi)，傳統(tǒng)的制造技術(shù)仍然是無法完全被替代的。3D打印技術(shù)作為新興技術(shù)，非常適合目前快節(jié)奏、需求多和發(fā)展迅速的社會(huì)使用，但是目前3D打印技術(shù)還處在由研究向工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化的階段，如果想要真正的解決現(xiàn)今多樣化和復(fù)雜化的產(chǎn)品需求和生產(chǎn)制造的需要，還有很長的一段路要走，還有很多的關(guān)鍵技術(shù)（例如新型打印材料的研發(fā)）要突破。

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