3D打印的發(fā)展與制造領(lǐng)域可行性應(yīng)用探討

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(天津機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350)

3D打印體現(xiàn)一種“降維制造”的思想，具體表現(xiàn)為三維電子模型轉(zhuǎn)化為二維層片，然后進(jìn)行分層制造，通過(guò)逐層累積形成三維實(shí)體。3D打印技術(shù)的發(fā)展依托于多學(xué)科領(lǐng)域頂尖技術(shù)支撐，主要包含有：信息技術(shù)、材料科學(xué)和精密機(jī)械。信息技術(shù)要求采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件與數(shù)字化工具；材料需要采用液化、絲化或粉末化形式；機(jī)械設(shè)備需要高精密、高穩(wěn)定性。3D打印這一技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從虛擬數(shù)字化實(shí)體模型到產(chǎn)品的直接轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)流程得到極大簡(jiǎn)化，研發(fā)周期大幅縮短，研發(fā)成本大大降低，實(shí)現(xiàn)了任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的直接生產(chǎn)，這對(duì)面向產(chǎn)品性能的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大推進(jìn)作用。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中3D打印技術(shù)可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)材料的“零”浪費(fèi)。例如在模具制造傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝過(guò)程中，當(dāng)接到客戶訂單后，制造商還需對(duì)接單項(xiàng)目例行進(jìn)行評(píng)審，評(píng)審?fù)ㄟ^(guò)后制定出生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)度表，然后通過(guò)3D設(shè)計(jì)軟件修正、有限元模流分析以及分型線、進(jìn)料點(diǎn)的確定，最后反饋給客戶定稿，客戶認(rèn)可后才可確定零件圖后續(xù)生產(chǎn)，進(jìn)而準(zhǔn)備加工流程。其加工流程如圖1所示。從圖1可見(jiàn)，當(dāng)采用傳統(tǒng)的加工工藝進(jìn)行模具制造時(shí)，一個(gè)合格的模具的生產(chǎn)，所需要的人力、物力成本較多，而且生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)比工藝更加凸顯出3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

此外，3D打印技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、創(chuàng)意與生產(chǎn)分開(kāi)，減少庫(kù)存的生產(chǎn)，相當(dāng)于提供了新的商務(wù)模式。將互聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和3D打印技術(shù)組成社會(huì)制造的網(wǎng)絡(luò)，民眾可充分參與產(chǎn)品的全生命制造過(guò)程，必會(huì)促進(jìn)具有個(gè)性化、實(shí)時(shí)化、經(jīng)濟(jì)化的生產(chǎn)與消費(fèi)模式，最終形成新的產(chǎn)業(yè)革命。

一、3D打印在制造領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

(一)3D打印技術(shù)市場(chǎng)規(guī)模

由QYResearch發(fā)布的《2017全球3D打印技術(shù)市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)》數(shù)據(jù)顯示，全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模2012年為20.2億美元，2013年為39.8億美元，預(yù)計(jì)2017年將超過(guò)50億美元。美國(guó)為最大的市場(chǎng)，占比37.5%，其次為歐洲，占比25.1%，日本占比約9.9%左右，德國(guó)占比為9.5%。此外，中國(guó)占比大約為7.8%。預(yù)計(jì)未來(lái)全球市場(chǎng)將持續(xù)25%左右的增速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì) 到2018年，全球3D打印行業(yè)整體收入將超過(guò)100億美元，我國(guó)3D打印市場(chǎng)有望超過(guò)100億人民幣。

(二)3D打印技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用

1.3D打印應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件制造。如汽車(chē)缸蓋、同步器開(kāi)發(fā)、燃?xì)廨啓C(jī)葉片等，同時(shí)滿足部分金屬零部件的力學(xué)性能并與鍛造件媲美。

2.3D打印應(yīng)用于復(fù)雜模具制造。在3D打印的原型件協(xié)助下，可采用不同的工藝方法進(jìn)行翻制模具，如硅橡膠模具、環(huán)氧樹(shù)脂模具、石膏模具、砂型模具等；而這一優(yōu)勢(shì)在復(fù)雜模具的制造中凸顯的尤為鮮明，如隨形冷卻水道，這是傳統(tǒng)制造工藝方法難以實(shí)現(xiàn)的，也是3D打印技術(shù)在模具行業(yè)中得以應(yīng)用的一大亮點(diǎn)?？墒鼓＞呔植拷禍丶翱炖洌瑑?yōu)化模具零件排氣結(jié)構(gòu)，縮短成型周期。同時(shí)帶來(lái)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工藝?yán)砟钜矊l(fā)生“革命性”變更。

3.3D打印應(yīng)用于非充氣輪胎制造。目前，熔融沉積和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)可應(yīng)用于非充氣輪胎3D打印。其中，選擇性激光燒結(jié)具備成型精度高，強(qiáng)度較大，在輪胎3D打印方面應(yīng)用前景廣闊。3D打印在非充氣輪胎的成功應(yīng)用，將引起的整個(gè)輪胎成型加工工藝技術(shù)的全面改革。此外，當(dāng)前已實(shí)現(xiàn)使用FDM技術(shù)適用PPSF材料打印汽車(chē)輪胎樣件。

4.3D打印應(yīng)用于建筑業(yè)制造。如利用3D 打印混凝土這一全新的混凝土施工方式技術(shù)可以顛覆傳統(tǒng)的建筑模式。未來(lái)將通過(guò)3D打印造出普通百姓都能住得起的房子。

5.3D 打印技術(shù)應(yīng)用于軍事裝備制造。例如美國(guó)利用3D 打印技術(shù)輔助制造導(dǎo)彈的彈出式點(diǎn)火器模型，中國(guó)使用 3D 打印機(jī)與高強(qiáng)度鈦合金粉末相結(jié)合完成了了殲-15艦載機(jī)起落架的制造和殲20改進(jìn)，同時(shí)利用3D激光打印的殲20骨架。而美國(guó)現(xiàn)已經(jīng)將3D打印機(jī)送入國(guó)際空間站。

二、3D打印在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題

(一)3D打印在模具生產(chǎn)應(yīng)用中的問(wèn)題

3D打印有效地減少了模具生產(chǎn)中的工藝流程，可從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中直接生成任意形狀的零件，極大地縮短了產(chǎn)品研制周期。但在效率、精度、穩(wěn)定性、品件大小等方面，這一技術(shù)還需要與傳統(tǒng)機(jī)械加工方式做更多的對(duì)比。此外，對(duì)于模具制造行業(yè)而言，耗材價(jià)格程度情況，是必須要考慮的對(duì)象。主要表現(xiàn)為：

1.3D打印模具的零件尺寸受限。

2.3D打印模具制品的力學(xué)性能難保證。

3.3D打印技術(shù)在當(dāng)前所能達(dá)到的尺寸精度和表面粗糙度還無(wú)法完全滿足精密模具生產(chǎn)的設(shè)計(jì)要求，這是也成為限制3D打印技術(shù)在模具生產(chǎn)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

(二)3D打印在機(jī)械制造過(guò)程中的問(wèn)題

當(dāng)前3D 打印技術(shù)相對(duì)單一，效率低下。主要依賴激光作為能量源。而此技術(shù)尚未成熟，長(zhǎng)期使用，其昂貴、維修難度大、技術(shù)應(yīng)用復(fù)雜。此外，制造的過(guò)程中，打印精度和打印效率受工件厚度影響較大。3D打印技術(shù)原理導(dǎo)致其打印效率和精度相沖突，而且當(dāng)前3D打印卻無(wú)法同傳統(tǒng)制造技術(shù)進(jìn)行大批量零件生產(chǎn)。

(三)3D打印在材料應(yīng)用中的弊端

當(dāng)前國(guó)內(nèi)3D打印中使用的金屬粉末主要依靠進(jìn)口。而且工業(yè)使用的3D 打印機(jī)價(jià)格非常昂貴，耗材也同樣非常昂貴。當(dāng)前消費(fèi)類(lèi)的3D打印材料種類(lèi)較少，主要應(yīng)用為POA塑料和ABS，但此類(lèi)材料存在有害氣體散發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)法完全滿足當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域的需求。而一次性對(duì)設(shè)備的投入和對(duì)昂貴耗材的購(gòu)買(mǎi)將嚴(yán)重制約著我國(guó)用戶使用3D打印技術(shù)。此外，3D打印技術(shù)在打印零件時(shí)，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)根據(jù)零件的使用要求選材，這也就提升了制造成本。

(四)3D打印自動(dòng)化控制系統(tǒng)有待完善

信息技術(shù)物化形態(tài)的計(jì)算機(jī)是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要支撐。當(dāng)前3D打印自動(dòng)化控制系統(tǒng)還不夠成熟。主要表現(xiàn)在計(jì)算機(jī)里面的三維模型構(gòu)建還不夠完美。

(五) 3D 打印技術(shù)缺乏統(tǒng)一的制造標(biāo)準(zhǔn)

3D打印供應(yīng)商在材料一致性、制造標(biāo)準(zhǔn)方面存在差異性，3D打印機(jī)大多自帶測(cè)量和打印軟件，但由于軟件為不同廠商各自開(kāi)發(fā)，這將存在互換性較差的問(wèn)題，且嚴(yán)重制約3D打印技術(shù)的普及與推廣。

(六)3D打印影響專(zhuān)利權(quán)人權(quán)利

在智能化時(shí)代背景下，3D 打印技術(shù)已逐漸普及到家庭，然而大量的個(gè)人制造卻嚴(yán)重威脅到專(zhuān)利權(quán)人的利益。對(duì)于CAD 文檔提供者的間接侵權(quán)行為難以成立，這對(duì)我國(guó)現(xiàn)行專(zhuān)利保護(hù)制度提出了挑戰(zhàn)。

(七)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈缺少統(tǒng)籌發(fā)展規(guī)劃

當(dāng)前3D打印所需供應(yīng)商、服務(wù)商體系和市場(chǎng)平臺(tái)仍未完善，而且存在代理混亂問(wèn)題。企業(yè)之間缺乏協(xié)調(diào)統(tǒng)一，溝通不足，主要局限于大型企業(yè)應(yīng)用。

三、3D打印技術(shù)在未來(lái)發(fā)展方向

(一)快速修復(fù)

3D打印可應(yīng)用于貴重部件的修復(fù)、延長(zhǎng)關(guān)鍵零部件的使用壽命，降低設(shè)備維修成本。對(duì)緊缺或損壞部件直接打印對(duì)于大型、固定設(shè)備可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)維修。如航天領(lǐng)域中易損且造價(jià)較高的鈦合金葉片。美國(guó)Optomec公司已成功利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)殼體激光成形修復(fù)。

(二)快速制造

3D打印應(yīng)用可解決客戶對(duì)備件依賴性。減少客戶庫(kù)存量和備件資金占用。傳統(tǒng)制造業(yè)中產(chǎn)品發(fā)貨時(shí)往往需要配備一定數(shù)量的備件，隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代，客戶對(duì)備件數(shù)量要求不斷提高，這也極大增大了產(chǎn)品成本。這就需要推進(jìn)3D打印技術(shù)在金屬零件直接打印方向的發(fā)展。在汽車(chē)領(lǐng)域大眾實(shí)現(xiàn)了為老式汽車(chē)推出3D打印零配件。

(三)協(xié)同設(shè)計(jì)與私人訂制

3D打印技術(shù)是一種生產(chǎn)方式的創(chuàng)新，在一定程度上解決了當(dāng)下傳統(tǒng)制造技術(shù)中的弊端以及其無(wú)法解決的問(wèn)題。3D打印技術(shù)的應(yīng)用能夠滿足消費(fèi)者的定制化需求，隨著互聯(lián)網(wǎng)、智能物流、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將有望催化產(chǎn)生全新的生產(chǎn)模式和商業(yè)模式。

在通過(guò)圖2可見(jiàn)，在這樣的生產(chǎn)流程中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)需滿足其下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的需求，而最終由零售商滿足消費(fèi)者的需求，事實(shí)上消費(fèi)者的消費(fèi)需求卻無(wú)法直接傳導(dǎo)到生產(chǎn)商。隨著當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與理念的成熟，目前可以讓消費(fèi)者將消費(fèi)需求直接傳導(dǎo)給生產(chǎn)商、品牌商，乃至原材料供應(yīng)商。3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用，正好能夠幫助上述信息的直接傳達(dá)，從而產(chǎn)生直接的價(jià)值，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可能直接為消費(fèi)的需求負(fù)責(zé)，從而形成區(qū)別于傳統(tǒng)“價(jià)值鏈”的“價(jià)值網(wǎng)”。當(dāng)前，可用的3D打印原材料，在很大程度上也決定了對(duì)應(yīng)可用的3D打印技術(shù)，從而決定了相關(guān)產(chǎn)品可應(yīng)用的領(lǐng)域；雖然在有些領(lǐng)域也符合定制化、個(gè)性化等特征，但由于對(duì)應(yīng)的原材料缺乏，無(wú)法在現(xiàn)有的3D打印技術(shù)下進(jìn)行加工生產(chǎn)。

另一方面，未來(lái)“設(shè)計(jì)眾包”模式有望興起，從而推進(jìn)3D打印技術(shù)的跨越式發(fā)展。有助于跨界領(lǐng)域人員協(xié)同設(shè)計(jì)，讓消費(fèi)者有機(jī)會(huì)參與到汽車(chē)、房屋、部件等設(shè)計(jì)的全過(guò)程。 推進(jìn)未來(lái)產(chǎn)品個(gè)性化發(fā)展要求，促進(jìn)產(chǎn)品新技術(shù)、多元化、網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)發(fā)展格局。

(四)“傳統(tǒng)+”模式

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)加工方法結(jié)合?；?D打印技術(shù)短期內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度工業(yè)制件，可以應(yīng)用于工件的毛坯造型、砂型、制作樣件等，并與數(shù)控加工結(jié)合獲取成品，然后批量生產(chǎn)。金屬增材—減材組合制造技術(shù)是當(dāng)今3D打印領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，如利用數(shù)控加工與3D打印技術(shù)的融合應(yīng)用。目前可通過(guò)3D逐層增材成形，結(jié)合高速銑定層厚輪廓減材精整，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜金屬零件的高精度制造。

(五)逆向制造

逆向工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速制造并實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)模式。逆向工程技術(shù)是采用3D掃描和3D 打印技術(shù)結(jié)合的方式，將已有實(shí)物模型通過(guò)三維掃描獲取模型表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)曲面重構(gòu)造型軟件獲取3D 數(shù)字模型，開(kāi)展后續(xù)的計(jì)算機(jī)輔助分析與制造，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速制造。對(duì)于產(chǎn)品升級(jí)、放大以及技術(shù)引進(jìn)等具有重要意義。相關(guān)應(yīng)用在汽車(chē)領(lǐng)域已經(jīng)具備一定成熟性應(yīng)用。

此外，在今后的產(chǎn)品引進(jìn)吸收與產(chǎn)品大修過(guò)程中，也可采用此模式，借助掃描技術(shù)進(jìn)行掃描采集相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，然后利用3D打印機(jī)，按一定比例進(jìn)行創(chuàng)建打印，然后針對(duì)模型進(jìn)行團(tuán)隊(duì)論證分析與研究。這有助于節(jié)省產(chǎn)品研發(fā)或設(shè)備維修診斷時(shí)間，對(duì)產(chǎn)品升級(jí)與改造具有重要意義。

(六)新材料、多尺度工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

未來(lái)3D打印技術(shù)應(yīng)研發(fā)用于工業(yè)生產(chǎn)、價(jià)廉質(zhì)優(yōu)以及零部件材料更具通用性3D打印材料。根據(jù)材料性能指標(biāo)參數(shù)需求采用通用化分析，即可以通用或者統(tǒng)一采用性能更佳的材料，可以減少3D 打印機(jī)的數(shù)量和打印材料的種類(lèi)。這在部分傳統(tǒng)行業(yè)的工藝革命具有重要意義，如輪胎3D翻新，輪胎3D打印制造等新技術(shù)應(yīng)用。

3D打印數(shù)據(jù)處理中的2D層面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為樣條曲線+光柵網(wǎng)格混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。此方法可有助于突破傳統(tǒng)制造技術(shù)在層次復(fù)雜性、材料復(fù)雜性、功能復(fù)雜性上的瓶頸，在眾多領(lǐng)域均有著繁雜高層次需求，這是3D打印技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)。

四、 小結(jié)

3D打印利用精準(zhǔn)的數(shù)字技術(shù)，通過(guò)多學(xué)科、多機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)創(chuàng)新了設(shè)計(jì)，解放了思維，豐富了生活，未來(lái)技術(shù)將更具經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性、實(shí)用性和創(chuàng)造性；3D打印受生產(chǎn)實(shí)踐制約的主要因素在于形狀與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度與批量大小。而這與材料、效率、精度的提升改進(jìn)密切相關(guān)；3D打印同傳統(tǒng)金屬材料制造技術(shù)一樣需要一個(gè)漫長(zhǎng)技術(shù)積累和驗(yàn)證過(guò)程才能形成完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。其可成為一種方法或工具實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)發(fā)展的有益補(bǔ)充；3D 打印將隨著科技發(fā)展、交叉科學(xué)的應(yīng)用，在材料、市場(chǎng)、操作性定能取得新的突破，未來(lái)將在相關(guān)制造領(lǐng)域朝著個(gè)性化、創(chuàng)新化和網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，從而提高設(shè)計(jì)和加工過(guò)程的效率。這對(duì)未來(lái)創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新人才培養(yǎng)具有實(shí)際意義；未來(lái)企業(yè)在研發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，可以通過(guò)3D打印技術(shù)制造樣品，然后利用傳統(tǒng)制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。這樣不僅可以改變傳統(tǒng)制造中先做樣品，然后優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，最后才大批量生產(chǎn)的步驟，還可以使傳統(tǒng)制造的批量生產(chǎn)方式彌補(bǔ)3D打印存在的速度慢、制作終端產(chǎn)品成本高的劣勢(shì)，有助于加快產(chǎn)品上市的時(shí)間，提高經(jīng)濟(jì)效率；今后應(yīng)該正確把握3D打印在我國(guó)制造業(yè)中的發(fā)展方向，理性和科學(xué)的面對(duì)與發(fā)展，制定符合我國(guó)國(guó)情的發(fā)展道路，為我國(guó)“綠色制造”，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮建設(shè)性作用。