3D打印技術(shù)對(duì)機(jī)械制造業(yè)的影響分析

姚清

摘 要：3D打印技術(shù)（Three Dimension Printing，3DP）是一種新型的制造加工技術(shù)，給傳統(tǒng)的制造業(yè)帶來了不可估量的影響，將能從根本上實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造向智能綠色制造的轉(zhuǎn)變，因此在機(jī)械加工領(lǐng)域受到了越來越多的重視。本文主要分析了3D打印技術(shù)原理和優(yōu)勢(shì)，并著重探討了3D打印技術(shù)對(duì)機(jī)械制造業(yè)的影響，以期為促進(jìn)我國制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供一定參考。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；機(jī)械制造業(yè)；影響

中圖分類號(hào)：TH16 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來，我國機(jī)械制造業(yè)加強(qiáng)了對(duì)新技術(shù)的研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的智能化、信息化和自動(dòng)化。理論和實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，3D打印技術(shù)能夠?yàn)橹圃鞓I(yè)的發(fā)展帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。3D打印技術(shù)就是通過軟件設(shè)計(jì)程序，利用數(shù)字化工具，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行共享與傳遞，進(jìn)而依靠本地化生產(chǎn)方式完成生產(chǎn)制造，該技術(shù)能達(dá)到縮減成本、減少污染，滿足用戶個(gè)性化需求等目的。從長遠(yuǎn)來看，3D 打印技術(shù)堪稱制造業(yè)的革命武器，將推動(dòng)我國機(jī)械制造業(yè)邁上新的臺(tái)階。

1 3D打印技術(shù)的原理及技術(shù)特點(diǎn)分析

1.1 3D打印技術(shù)的原理

3D打印技術(shù)被認(rèn)為是最近20年來世界制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破，其是產(chǎn)品快速開發(fā)和柔性制造技術(shù)的結(jié)合體。3D打印技術(shù)也稱 “三維打印”，屬于快速成型技術(shù)的一種。該工藝是由美國麻省理工學(xué)院Emanu-al Sachs等人研制，它是以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，基于離散堆積原理，采用陶瓷粉末和金屬粉末作為黏合材料，通過逐層打印疊加的方式打印三維實(shí)物。3D 打印技術(shù)通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行成型模擬，整個(gè)工藝過程無須專用工具，工藝規(guī)劃簡單，制造速度快于傳統(tǒng)方法，能夠用最快的速度實(shí)現(xiàn)模型的展現(xiàn)，極大地減少了傳統(tǒng)制型所使用的材料及模具等。當(dāng)前世界科技發(fā)展以“數(shù)字化”為核心理念，3D 打印技術(shù)擁有良好的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)用范圍非常廣泛，最先應(yīng)用于制造鍛造用的模具模型，經(jīng)過近些年的快速發(fā)展，除應(yīng)用于設(shè)計(jì)模型、功能制造模型、實(shí)驗(yàn)分析模型外，還可廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)療、建筑、藝術(shù)行業(yè)。根據(jù)國家工信部估算，預(yù)計(jì)到2020年，3D打印技術(shù)將會(huì)達(dá)到50億美元的產(chǎn)值規(guī)模。3D打印技術(shù)在制造業(yè)的投入使用，將對(duì)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展起到顯著的提升作用，而伴隨著信息技術(shù)、CAD技術(shù)、材料技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等日新月異的發(fā)展，未來3D打印技術(shù)必會(huì)將制造業(yè)推向更高的層面。

1.2 3D打印技術(shù)的特點(diǎn)及常見工藝

3D打印技術(shù)具有如下特點(diǎn)：第一，數(shù)字化制造，利用CAD模型直接驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體零件數(shù)字化；第二，個(gè)性化快速制造，加工制造過程中不需要專用夾具或工具以及人工干預(yù)，設(shè)計(jì)制造全程自動(dòng)化、智能化、一體化，可以開展個(gè)性化定制加工；第四，直接堆積加工，逐層打印、層層堆積的生產(chǎn)模式只需一臺(tái)打印中心，沒有拼接組裝過程，產(chǎn)品均勻度和精確度比較高。3D打印工藝有很多種，比較常見的有熔融沉積制造（FDM），其優(yōu)點(diǎn)是成本低、操作簡單、加工體積小巧，不足之處是凝固成型的實(shí)體表面的結(jié)合部位輕度不高，且易出現(xiàn)明顯裂紋；分層實(shí)體制造（LOM）的優(yōu)點(diǎn)是成本低、產(chǎn)品成型率高，不需要填充材料，不足之處是產(chǎn)品表面質(zhì)量不高，材料浪費(fèi)較大；立體光刻（SLA）的優(yōu)點(diǎn)是材料利用率高，產(chǎn)品質(zhì)量高，表面光滑，不足之處是成本高，產(chǎn)品實(shí)體受光照影響易分解；選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）的優(yōu)點(diǎn)是原材料種類多，產(chǎn)品機(jī)械性能佳，不足之處是制作成本偏高，粉末成型度有待進(jìn)一步提升。

2 3D打印技術(shù)對(duì)機(jī)械制造業(yè)的影響

2.1 使機(jī)械制造業(yè)的格局發(fā)生調(diào)整和變革

3D打印技術(shù)使得無須采用機(jī)械加工的方式就能直接通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)“打印”不同形狀的物體，智能化、定制化、生態(tài)化特征顯著，其使機(jī)械制造業(yè)發(fā)生了革命性變化，加工制作的生產(chǎn)成本得到大幅降低，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制作的周期大幅縮短，加工異形產(chǎn)品或復(fù)雜形狀產(chǎn)品變得更加容易，真正實(shí)現(xiàn)了降本增效。如果將該技術(shù)普遍應(yīng)用到機(jī)械制造業(yè)，那么機(jī)械制造業(yè)原有的生產(chǎn)加工線將成為歷史。盡管當(dāng)前已利用3D打印進(jìn)行整機(jī)生產(chǎn)，但還未能得到廣泛應(yīng)用，相信隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)必將會(huì)對(duì)工程機(jī)械現(xiàn)有格局產(chǎn)生重大影響。同時(shí)，也將會(huì)對(duì)零配件供應(yīng)帶來深遠(yuǎn)的影響。例如，裝載機(jī)用戶在采購機(jī)械產(chǎn)品時(shí)，需要綜合考量機(jī)器自身質(zhì)量、配件供應(yīng)等各種情況，如果生產(chǎn)廠家在某地區(qū)未設(shè)立大規(guī)模配件庫，將會(huì)無法在該市場占據(jù)滿意的市場份額，但利用3D打印技術(shù)，此問題就可迎刃而解，配件供應(yīng)無須實(shí)物運(yùn)送，通過信息傳輸就能實(shí)現(xiàn)供貨。3D打印賦予機(jī)械制造生產(chǎn)分散性特性，可以拓展生產(chǎn)廠家的市場空間，增強(qiáng)其核心競爭力，提升用戶滿意度。

2.2 推動(dòng)機(jī)械制造業(yè)創(chuàng)新發(fā)展

3D打印技術(shù)能夠快速完成原型制造，高效地將概念產(chǎn)品化為現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，而且在此過程中，還能及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改和調(diào)整，將能從本質(zhì)上改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)組織形式，削弱傳統(tǒng)型大規(guī)模產(chǎn)品生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)集中式的生產(chǎn)朝分布式生產(chǎn)轉(zhuǎn)變，從而為中小企業(yè)帶來發(fā)展的春天，進(jìn)而激發(fā)機(jī)械制造業(yè)的創(chuàng)新能力。3D打印技術(shù)能激發(fā)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)新意識(shí)與能力，提高傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)品的更新速度?？s短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，擴(kuò)大制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。人力資源需求量大且成本比較高，是機(jī)械制造業(yè)面臨的瓶頸問題之一。一旦3D打印技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)實(shí)現(xiàn)普及，機(jī)械制造的智能化和自動(dòng)化水平將會(huì)得到大幅提高，一些模型機(jī)械的焊接、切割等流程的生產(chǎn)時(shí)間和成本就會(huì)得到降低，難加工材料的可加工性也會(huì)得到相應(yīng)地提升，從而就可以在保證產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)，有效降低人力成本的投入。

2.3 有效緩解機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)能過剩問題

產(chǎn)能過剩的問題是我國傳統(tǒng)機(jī)械制造業(yè)比較普遍的問題，尤其是鋼鐵等行業(yè)的產(chǎn)能過剩問題更加突出。在2008年金融危機(jī)后，汽車和機(jī)械等高科技產(chǎn)業(yè)也開始出現(xiàn)了產(chǎn)能過剩的問題。產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，雖然在價(jià)格上具有一定的優(yōu)勢(shì)，然而質(zhì)量上達(dá)不到出口的標(biāo)準(zhǔn)，國際競爭能力比較低，國內(nèi)需求又很難消化這么多的產(chǎn)品，在這種情況下，不僅浪費(fèi)了大量的資源，也因產(chǎn)品積壓和庫存量大影響了企業(yè)的資金流動(dòng)，降低了企業(yè)的資金利用效率。從具體實(shí)際來看，傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)經(jīng)由大規(guī)模生產(chǎn)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，增加了商品的經(jīng)濟(jì)性，提升了使用的便捷性，可迎合大部分需求，但無法實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)，與此不同的是，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)定制化生產(chǎn)，根據(jù)客戶的需求來進(jìn)行有針對(duì)性的生產(chǎn)，而且設(shè)計(jì)與制造周期短，生產(chǎn)效率高。3D打印技術(shù)提升了機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的便捷性，可以在本地范圍開展生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)與環(huán)保效益顯著，可以有效緩解機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)能過剩問題，避免產(chǎn)品積壓和資源浪費(fèi)。

結(jié)語

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)也會(huì)不斷地發(fā)展進(jìn)步。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械制造業(yè)，將會(huì)推動(dòng)機(jī)械制造業(yè)朝著自動(dòng)化、現(xiàn)代化和數(shù)字化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的創(chuàng)新，優(yōu)化機(jī)械制造布局，節(jié)省物力和人力資源，開創(chuàng)機(jī)械制造業(yè)的綠色的制造模式，使機(jī)械制造業(yè)邁向新的臺(tái)階，進(jìn)而提高我國機(jī)械制造業(yè)的實(shí)力。

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