工業(yè)級3D打印技術(shù)推動產(chǎn)品研發(fā)變革

井長勝 于強(qiáng) 王曉龍 劉亞坤

摘? ?要：工業(yè)級3D打印技術(shù)近幾年蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了很多更高速、高性能、高質(zhì)量的新工藝方法，航空航天、汽車等高端制造業(yè)也在積極應(yīng)用工業(yè)級3D打印技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品升級、新產(chǎn)品研發(fā)等工作，并取得了很好的效果。工業(yè)級3D打印技術(shù)的發(fā)展對產(chǎn)品研發(fā)的各方面都會產(chǎn)生影響，并逐漸推動產(chǎn)品研發(fā)工作多方面的變革。

關(guān)鍵詞：工業(yè)級;3D打印;增材制造;產(chǎn)品研發(fā)

中圖分類號：TP29? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

3D打印即三維打印，也被稱為增材制造技術(shù)（AM）。其核心思想起源于1892年美國的一項(xiàng)采用層疊方法制作三維地圖模型的專利，20世紀(jì)80年代3D打印機(jī)問世，從此3D打印技術(shù)開始快速發(fā)展，結(jié)合材料技術(shù)的發(fā)展，SLA、SLS/SLM、3DP、FDM、LOM、LENS、EBM、WAAM等很多不同的3D打印工藝相繼出現(xiàn)。3D打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到航空航天、汽車制造、模型模具、醫(yī)學(xué)和建筑等各行各業(yè)。

3D打印技術(shù)發(fā)展初期的設(shè)備和材料成本高、打印質(zhì)量不高，但近幾年3D打印技術(shù)正在逐步進(jìn)入工業(yè)時代，可快速批量加工高質(zhì)量零件的3D打印技術(shù)正在逐漸替代傳統(tǒng)制造技術(shù)。

工業(yè)級3D打印機(jī)的發(fā)展推動著新產(chǎn)品研發(fā)、制造的快速變革，國內(nèi)各行業(yè)需要積極應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)、制造，用需求拉動國內(nèi)工業(yè)級3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，使產(chǎn)品研發(fā)能力的提升與3D打印技術(shù)的發(fā)展相互促進(jìn)，以免與國外產(chǎn)生差距。

1 工業(yè)級3D打印技術(shù)的發(fā)展情況

1.1 高速、高性能、高質(zhì)量的增材制造新技術(shù)

美國Carbon3D公司的連續(xù)液態(tài)界面（CLIP，Countinuous Liquid Interface Production）3D打印技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的核心是“利用一層透氧膜，隔離光敏樹脂液體和空氣中的氧氣，實(shí)現(xiàn)高速、連續(xù)的3D打印成型”，這項(xiàng)革命性的CLIP技術(shù)比普通的3D打印快25～100倍，而且理論上分層可以無限細(xì)膩，在工藝上與澆鑄零件更為相似。

德國工業(yè)3D打印系統(tǒng)制造商EOS的LaserProFusion新技術(shù)是一種能夠取代注塑成型的增材制造技術(shù)：近百萬個二極管激光器，排成陣列激光，瞬間一次性燒結(jié)粉末材料并逐層制造零件。構(gòu)建過程非常高效，可以作為許多應(yīng)用的注塑替代品。

惠普公司發(fā)布了專為大批量生產(chǎn)工業(yè)級金屬零件而研發(fā)的HP Metal Jet，通過雙向鋪粉和面成型，可將工作效率提升高達(dá)50倍，并顯著降低成本。但成型后還需高溫?zé)Y(jié)。

迪士尼公司提出了一種采用激光全息投影的新型樹脂3D打印技術(shù)，將物體的激光全息圖整個“嵌入”光敏樹脂中，直接在空間中實(shí)現(xiàn)固化，完成打印。因此速度極高，被稱為近瞬時打印技術(shù)。這項(xiàng)新技術(shù)目前成型尺寸非常小，也不能打印太復(fù)雜的形狀。

德國博世公司開設(shè)了一家新的子公司，致力于通過增材制造工藝提供與注塑成型性能相當(dāng)?shù)乃芰狭慵瑹o需傳統(tǒng)制造方法所需的昂貴模具，可以節(jié)省小批量生產(chǎn)工業(yè)塑料零件的成本。

德克薩斯大學(xué)埃爾帕索分校（UTEP）的電磁學(xué)和光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種3D打印電子設(shè)備的自動化工藝，能夠制造非常規(guī)形狀的電路。三維電路可以使電路更小、更輕、更有效率，為實(shí)際應(yīng)用提供更高的可操作性。有了電子3D打印，電子設(shè)計(jì)師也同樣可以快速制作原型。

以色列3D打印機(jī)制造商N(yùn)ano Dimension完全使用3D打印技術(shù)制造了一款物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，整個原型的打印、測試和組裝僅耗時18個小時。比傳統(tǒng)制造方法快90%，傳統(tǒng)方法需要2周甚至更長時間。

1.2 3D打印材料的創(chuàng)新

瓦克化學(xué)公司開發(fā)了全球首項(xiàng)用于液體硅橡膠組件增材制造的工業(yè)級技術(shù)。憑借其獨(dú)特的“按需噴墨”技術(shù)，用于打印高功能性部件，同時保持硅橡膠的耐高溫性、抗輻射性及生物相容性等優(yōu)異性能。

西安交大采用連續(xù)纖維與熱塑性聚合物為原材料，利用復(fù)合浸漬-熔融沉積的 3D打印工藝實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料構(gòu)件的低成本一體化快速制造，所制備的 Cf/PLA復(fù)合材料抗彎強(qiáng)度達(dá)到了390 MPa，是傳統(tǒng) PLA 零件（48 MPa～53 MPa）的7倍，性能與鋁合金相當(dāng)，重量減少2/5?？蓾M足工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ诖蟪叽鐦?gòu)件的應(yīng)用需求，可實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽材料的可控制造，其良好的電磁屏蔽性能、機(jī)械性能、加工性能以及較低的加工成本使其在航空系統(tǒng)和衛(wèi)星天線領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

韓國通信衛(wèi)星使用了SLM制造的鋁合金（AlSi7Mg）輕量化部件，原來的多個部件合成一個整體制造，部件重量比原設(shè)計(jì)降低22%，制造成本降低30%，生產(chǎn)周期縮短1～2個月。

1.3 面向3D打印的仿真軟件和技術(shù)

仿真軟件使用戶可以考慮整個增材工藝鏈的各個環(huán)節(jié)，包括拓?fù)鋬?yōu)化、部件驗(yàn)證、打印設(shè)置、工藝過程仿真、支撐生成、打印失敗預(yù)防和微觀結(jié)構(gòu)預(yù)測等，幫助完成高質(zhì)高效的增材制造工藝設(shè)計(jì)而無需昂貴而耗時的試錯過程。

零件的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)：在保證結(jié)構(gòu)剛度和承載能力的條件下優(yōu)化結(jié)構(gòu)材料分布，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。拓?fù)鋬?yōu)化面向自由形狀的設(shè)計(jì)，增材制造是唯一能夠滿足其制造要求的工藝手段。

增材制造工藝過程仿真：預(yù)測部件形狀、變形和應(yīng)力，自動生成最佳支撐結(jié)構(gòu)和變形補(bǔ)償STL文件，保證打印精度，避免打印失敗。

1.4 無損檢測技術(shù)

增材制造的檢測工作可分為原料、加工過程、加工完成和使用過程4個階段，每個階段中都可能存在不同類型的缺陷，需要檢測的內(nèi)容也不盡相同。增材制造的零件孔隙率高，孔隙會降低零件的強(qiáng)度，局部的孔簇會導(dǎo)致用過程中裂紋的形成，而微孔的存在通常決定動態(tài)性能（如疲勞） 。

目前在無損檢測方面的技術(shù)主要包括計(jì)算機(jī)斷層掃描、滲透測試、渦流檢測、超聲檢測和紅外相機(jī)測量等。

2 工業(yè)級3D打印技術(shù)對零部件設(shè)計(jì)的影響

零部件設(shè)計(jì)可利用軟件仿真進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析評估，相比傳統(tǒng)制造工藝可以更大程度地采用拓?fù)鋬?yōu)化的計(jì)算結(jié)果，減重效果非常明顯。

面向傳統(tǒng)制造工藝的產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要根據(jù)加工能力分解為很多零件，金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展可以將很多零件進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，使零件數(shù)量大減，整體性能、可靠性大為提升，也減少整機(jī)裝配的工作量。如一些多個零件拼裝或焊接的箱體、液體流道、散熱風(fēng)道等，3D打印加工不僅節(jié)省拼裝零件之間的密封材料、導(dǎo)電材料，而且流道、風(fēng)道的截面設(shè)計(jì)、路線設(shè)計(jì)更符合流體力學(xué)要求，提升流動效率。

功能和結(jié)構(gòu)的融合設(shè)計(jì)，可對減震、防淋雨、散熱、電磁兼容等功能進(jìn)行創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與零件結(jié)構(gòu)融合設(shè)計(jì)，減少功能器件的使用。如防淋雨可以采取非密閉的外殼結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為既能進(jìn)氣又能泄水的曲折、分支等復(fù)雜通道，與外殼結(jié)構(gòu)融合設(shè)計(jì)，可以去除防水透氣類功能零件，避免功能零件的失效對整機(jī)環(huán)境適應(yīng)性的風(fēng)險，而這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)使用傳統(tǒng)制造工藝很難，甚至無法實(shí)現(xiàn)。

如果進(jìn)行零件和整機(jī)設(shè)計(jì)時綜合考慮了增材制造特點(diǎn)與壓鑄或注塑模具的特點(diǎn)，就可以在小批量增材加工的同時進(jìn)行大批量投產(chǎn)前的模具設(shè)計(jì)和制造工作，并行開展設(shè)計(jì)工作，節(jié)省模具設(shè)計(jì)、制造、試模、修模的時間，使產(chǎn)品更快上市。

3 工業(yè)級3D打印技術(shù)對產(chǎn)品研發(fā)流程的影響

面向傳統(tǒng)制造工藝的新產(chǎn)品研發(fā)流程基本上只能串行，設(shè)計(jì)完成后等待加工裝配后再測試，零部件多、設(shè)計(jì)時間長、加工時間也長，零件配合精度較差，零件裝配、測試、試驗(yàn)有時會發(fā)現(xiàn)問題，而解決問題的時間也長，導(dǎo)致整個研發(fā)周期很長。

而面向增材制造的新產(chǎn)品研發(fā)流程就會產(chǎn)生很多變化，有些工作可以并行開展，零件數(shù)量減少，設(shè)計(jì)時間和加工時間減少，也減少問題的發(fā)生，可以最大程度地縮短研發(fā)周期。

詳細(xì)分析整個研發(fā)流程如下：

產(chǎn)品造型階段可以快速3D打印多個不同的產(chǎn)品造型進(jìn)行對比、評估、修改，能使造型和概念設(shè)計(jì)更完善、周期更短，為后期詳細(xì)設(shè)計(jì)贏得更充足的時間，降低返工的可能性。

樣機(jī)階段采用3D打印技術(shù)加工產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、部分電路板，能大為節(jié)省樣機(jī)零部件的加工時間，從而可以有更充分的時間對樣機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)測試，盡早發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題。

小批試產(chǎn)階段可以采用工業(yè)級3D打印技術(shù)快速生產(chǎn)出小批量的零部件，進(jìn)行產(chǎn)品整機(jī)的流水線裝配試產(chǎn)，完善產(chǎn)品工藝，使產(chǎn)品能更快地達(dá)到批產(chǎn)狀態(tài)。

正式批產(chǎn)（如模具設(shè)計(jì)、加工，物料準(zhǔn)備等過程）的同時可以用工業(yè)級3D打印技術(shù)進(jìn)行小批量的產(chǎn)品生產(chǎn)，以便配合產(chǎn)品發(fā)布、市場推廣、客戶試用等上市工作，使產(chǎn)品能更快地推向市場。

4 面向工業(yè)級3D打印的產(chǎn)品研發(fā)展望

2019年6月歐洲發(fā)布《2030年歐洲工業(yè)展望》，該報告將增材制造確定為歐洲工業(yè)未來戰(zhàn)略增長的關(guān)鍵。

由于3D打印技術(shù)對產(chǎn)品設(shè)計(jì)各種工藝限制的減少，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件可以更快地向智能化方向發(fā)展，之前的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）將會發(fā)展為人工智能輔助設(shè)計(jì)（AIAD），使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加合理、高效，大為減輕設(shè)計(jì)工程師的工作量，可以將精力更多地放在產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)和完善上。產(chǎn)品研發(fā)組織形式和產(chǎn)品研發(fā)流程等也會發(fā)生很多面向增材制造和智能化設(shè)計(jì)的變革。

將3D打印技術(shù)與智能材料結(jié)合起來稱為4D打印技術(shù)，智能材料的3D打印結(jié)構(gòu)在外界環(huán)境激勵下實(shí)現(xiàn)自身的結(jié)構(gòu)變化。隨著4D打印智能材料的多樣化，4D打印技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛。相應(yīng)的產(chǎn)品研發(fā)模式也會發(fā)生深刻的變革。

5 結(jié)語

隨著工業(yè)級3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展、普及，企業(yè)需要在產(chǎn)品的策劃、設(shè)計(jì)過程中不斷增加增材制造的考量、嘗試，使產(chǎn)品戰(zhàn)略、設(shè)計(jì)思維、人員組織、制度流程和供應(yīng)鏈等各方面都能逐漸適應(yīng)增材制造帶來的變革。對企業(yè)而言，這些變革不可能一蹴而就，需要在各方面進(jìn)行規(guī)劃布局，不斷嘗試，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才能形成適合企業(yè)、適合產(chǎn)品特點(diǎn)的增材制造發(fā)展路線。

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