3D 打印技術在機電方面的應用研究

杜 羽

（許昌電氣職業(yè)學院，河南 許昌 461000）

3D打印(3D Printing)，是一種快速成形技術，是以數字模型為基礎，運用可黏合材料（粉末狀金屬或塑料等打印材料），通過加熱融化，冷卻后粘接，逐層堆疊累積的方式來構造物體的立體形狀的技術[1]。3D 打印技術經過多年的發(fā)展，技術已經成熟，各個行業(yè)都在積極發(fā)展3D 打印技術，將其應用到機電技術中，是近年來發(fā)展的一個熱點，也是一種趨勢，會對機電技術的健康發(fā)展產生積極作用。

1 3D打印技術在機電方面的作用

1.1 縮短產品的研發(fā)周期

當代機電技術正處于高速發(fā)展的階段，機電技術的發(fā)展前景廣闊，有著巨大的市場需求，廣大用戶的消費需求也在不斷地變化，產品更新換代快，在這種前提下，勢必要縮短產品的研發(fā)周期。研發(fā)過程理論上，需經過市場需求調研、研發(fā)設計、生產加工、產品上市等環(huán)節(jié)，周期較長，縮短研發(fā)周期即可提高產品的競爭力及利潤。設計產品需要進行加工生產、多種設備聯合加工、反復設計等步驟，延長上市周期。傳統(tǒng)研發(fā)中，首批產品加工以及開模的過程，常需要較高的成本以及較長的制作周期，反復調試機械設備才能保障產品的質量，并且首件加工效率低、精度低、廢品率高，影響了產品的研發(fā)速度，增加了研發(fā)成本。

使用3D 打印技術，能夠很好地解決這些問題，產品的加工更加便捷。在研發(fā)設計時，可以暫時采用3D 打印技術完成產品的生產，不用安排生產試加工，不用協調機床設備和人員，擺脫生產加工設備的束縛；研發(fā)完成后，再進行批量生產加工，投入生產[1]。這優(yōu)化了產品設計加工過程，脫離傳統(tǒng)生產加工設備，解放了生產條件，集中精力進行產品的研發(fā)設計，降低研發(fā)時間，可以有效提高生產效率，從而提高企業(yè)的市場競爭力水平。

1.2 推進機電制造業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新，轉變設計理念

采用3D 打印技術，能夠簡單、快捷地將設計轉化成產品，方便對產品結構和尺寸的修改和調整；不同于傳統(tǒng)生產方式，3D 打印技術可以使設計者的創(chuàng)新能力得到更大發(fā)揮，提升產品更新的速度，縮短產品的設計周期，降低設計成本[2]。3D 打印技術的應用，能夠有效彌補傳統(tǒng)設計中所存在的弊端，簡化設計流程，縮短產品制造的周期，提升產品研發(fā)設計效率，有效促進機電技術的發(fā)展和創(chuàng)新[3]；減少設計中的物資消耗，脫離設計中的生產過程，完成產品加工。這一全新的設計模式，改變了原有的固定思維，提高產業(yè)的競爭力與創(chuàng)造力，促進產品換代速度，轉變設計理念。

1.3 促進機電產品數字化設計與制造技術的應用

在機電產品的設計中，利用3D傳感器和三維掃描儀對已存在的機電產品（特別是外殼及復雜形狀）進行三維測量和模型重建。應用3D 打印技術，進行機電產品三維形態(tài)打印生成，對外形的情況進行修改，重建模型，得出需要的數字設計建模，隨后可以根據要求安排生產和加工[2]。

3D 打印技術廣泛應用于機電方面，例如機械加工制造、機械產品設計、汽車新產品研發(fā)設計、航空航天技術等領域。在產品設計和開發(fā)方面，產品數字化設計與制造技術也成為了一種趨勢。3D打印技術和三維掃描儀經過多年的發(fā)展，3D打印技術打印方式簡單、易操作，三維掃描儀掃描精度高、使用快速便捷。以上技術在機電方面的應用，能加速產品設計和制造智能化，改變設計方式和設計理念，促進機電產品制造業(yè)的轉型升級，提升企業(yè)產品的智能制造技能水平。通過3D 打印技術的應用，可以實現產品設計與制造數字化、智能化、集成化、柔性化。因此，3D打印技術在機電產品設計制造中得到廣泛應用，通過數字化設計制造技術，可以完成產品設計、產品生產制造的整個過程。由于3D 打印技術本身具有設計研發(fā)周期短、成本低、打印易成型、柔性化制造的優(yōu)點，因此在產品數字化設計與制造中，會大量應用3D 打印技術來提高設計效率。通過3D 打印技術，應用數字化設計和制造技術，可以縮短研發(fā)周期，提高研發(fā)速度，減少制作的時間，提高產品設計的效率，提升產品在競爭日益激烈的市場中的核心競爭力[3]。

1.4 滿足客戶的個性化定制要求

伴隨著社會的進步和發(fā)展，人們個性化的要求越來越強烈，客戶的需求是不一致的，有時需要為客戶提供個性化定制，滿足客戶要求。在生產力不發(fā)達的情況下，生產技術不能滿足人們的個性需求變化，社會的進步就是為了滿足人民日益增長的多樣化需求，因此，個性化定制也是機電產品的一個服務目標。3D打印技術的出現，彌補了這項空白，通過個性化的數字建模，直觀地讓客戶看到現實效果；設計效果也很容易通過打印的方式呈現，擺脫生產中的模具以及生產加工中因產品型號規(guī)格調整而出現的眾多問題，直接面向客戶服務。然而，個性化定制成本高，效率低，高昂的價格會讓一部分客戶望而卻步。采用3D 打印技術后，可以大大地降低定制成本，滿足人們的個性化要求，也符合社會需求，凸顯客戶至上、以人為本的特色。

2 3D打印技術在實際應用中存在的問題

2.1 打印成本高，價格昂貴

3D 打印耗材比較貴，使用成本較高，在企業(yè)經費不是很充足的情況下，是不能夠大面積普及的。因此，3D 打印技術在實際應用中，只能夠打印一些小的模型，不能夠真正做到大范圍推廣和普及。由于打印平臺尺寸的限制，大型零件無法打??；尺寸稍微大一些的零件，需要較多的打印耗材和打印時間；較大的形狀也需要大量的打印耗材，在成本上也是不可行的；并且較大尺寸的打印零件，在有限的時間內是無法打印完成的，如果采用精細打印的話，將會耗費十幾甚至幾十個小時才能打印完成，打印效率低，且會占用設備和資源，在現代企業(yè)高效率生產的環(huán)境下也是不現實的。

2.2 打印材料力學性能不足，打印精度低

3D 打印的耗材材質與金屬材質相比，存在力學性能不足的情況：3D 打印材質存在強度低、硬度低、塑性差的問題，在一些受力要求的場合，是無法替代金屬材料的，在使用過程中，很容易超出力學要求而斷裂、折斷；3D打印材質硬度低，耐磨性差，無法應用在相對運動的位置。因此，3D打印存在一定的局限性，暫時還不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械加工零件。目前，打印精度高和打印性能較好的工業(yè)級3D打印機售價普遍較高，而普通精度和打印性能一般的桌面級3D 打印機大概是幾千元到幾萬元。普通桌面級3D 打印機一般使用價格較為低廉的PLA和ABS等打印耗材，只能滿足一般的要求，因打印材質原因，打印的產品只能用于力學性能要求不高、精度要求不高的場合。在力學性能要求較高的場合，則需要使用工業(yè)級3D打印機，打印耗材可以選用金屬、橡膠、陶瓷、塑料等材料，會大幅度增加打印成本。

3D 打印采用逐層打印的方式，通過堆積的方式來構造3D打印模型。采用3D打印的零部件，不同于機械加工的零部件，普通3D 打印的尺寸精度較差，在一些裝配要求較高的場合是沒有辦法使用的，因此，只能應用于裝配精度不高的場合。在進行數字化模型設計的時候，必須降低配合精度，加大配合間隙，才能完成裝配，但是若不能滿足配合精度要求，會出現配合間隙大、晃動、配合不牢靠的情況。

2.3 3D打印速度慢、效率低，過程中容易出現問題

3D 打印以加熱融化打印材料、層層堆積的方式打印產品，因此，切片的層數決定了打印產品的精度。層數越多，層越薄，產品精度就越高，產品完成所需時間就越長，3D打印技術的精度和速度是成反比的。一個尺寸稍微大一些的作品，打印時間就會長達幾十個小時，并且在打印的過程中會出現種種問題，可能會造成打印的產品作廢的情況。例如，初始打印時加熱溫度不夠，沒有粘接到一體，造成邊緣翹曲的情況；初始打印的時候，底層未固化，上層質量增加，對底層的擠壓，出現“大象腿”的情況；中間層打印的時候，由于多種原因，層與層之間沒有粘接牢固，出現層移位、分層錯亂的情況；長時間打印，中間無人值守，出現打印材料耗盡的情況；支撐沒有選用，或者選用的不夠合理，都會影響到打印的質量。因此，在打印的過程中，要避免以上問題的出現，保證打印質量。

3 3D打印技術展望

隨著科技的進步、機械制造業(yè)的迅速發(fā)展，現代制造業(yè)朝著智能化、綠色可持續(xù)、多元化方向發(fā)展，為實現這個目標，應該充分利高新技術優(yōu)勢，對3D 打印技術進行深入的研究和探索，抓住我國的機械制造加工行業(yè)發(fā)展的重要契機，促進機電行業(yè)的健康、高速發(fā)展。3D 打印技術有著新技術的強大優(yōu)勢，順應技術潮流。但是3D 打印技術也存在一定的弊端，不能有效應用于行業(yè)生產[4]。因此，3D打印技術還需要進行技術升級，具體的應用需要進行探索。

4 結束語

綜上所述，3D 打印技術具有很多優(yōu)勢，將其應用到現代化生產中，是發(fā)展的必然趨勢。新技術的引進，能夠有效提高生產力，對傳統(tǒng)行業(yè)有著極大的影響。通過3D 打印技術的引進，能夠提高研發(fā)效率，降低勞動成本，改變傳統(tǒng)設計理念，助力智能制造升級，有效提升企業(yè)的科技水平。3D 打印技術在機電領域有很好的應用前景，但是也有很大的局限性，需進行更深入的探索和研究，以便更好地為人們服務，進一步促進我國制造業(yè)的高速發(fā)展。