3D打印在家電維修中的應(yīng)用

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0174-04

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2025.21.041

Abstract：Therapidupgradingoftechnologyinthehomeappliancemarkethasledtodificultiesoreveninabiltytopurchase accesories forlong-termhomeapliancesinthemarket.Theinabilitytopurchaseacessorieswillforceconsumerstopurchase newhomeappliancestoreplace theoriginalones.Thisbehaviorisneitherinlinewithconsumersowninterestsnorrunscounter totheconceptofgreenandlow-carbonsocialdevelopment.Thereforeinviewofthedificultyinpurchasinglong-termhome applianceaccesories，combinedwiththeproductionofacesores，3Dprintingwasselectedasanapproachtoconductrsearch onthe manufacturingofhomeapplianceacesories.Takingrefrigeratordrawersasanexample，thepossbilityof3Dprintingbeing applied to home appliance repair and the significance of its application in home appliancerepair was studied.

Keywords：3D printing;appliance repair；accessory manufacturing； refrigerator； appliance market

當(dāng)前家電市場受到技術(shù)升級、市場需求變化等因素影響，家電產(chǎn)品的型號更新?lián)Q代速度加快，根據(jù)相關(guān)文獻研究統(tǒng)計冰箱、空調(diào)、洗衣機等大型家電產(chǎn)品1～2a就會出現(xiàn)技術(shù)升級，小型家電技術(shù)升級周期更短。家電廠商為迎合市場發(fā)展，滿足消費者對新產(chǎn)品新技術(shù)的需求，保障自身利益，在新產(chǎn)品投入市場后會逐漸減少舊型號產(chǎn)品的生產(chǎn)實現(xiàn)產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代。大型家電的使用壽命通常較長，根據(jù)中國《家用電器安全使用年限》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定冰箱、空調(diào)等大家電的使用壽命為 10a 。家電廠商產(chǎn)品的快速迭代和產(chǎn)品較長的使用壽命周期使家電產(chǎn)品的維修與維護與廠商的利益成為一對不易調(diào)和的矛盾，因廠商將重點投向新產(chǎn)品的研發(fā)與銷售，在年限較長家電產(chǎn)品的維修配件庫存?zhèn)湄浿?，若?zhǔn)備較多則造成資金積壓影響企業(yè)運行，因而大多數(shù)家電廠商對年限較長家電產(chǎn)品的配件備貨有限，通常情況下5a內(nèi)銷售的家電配件購買較為容易，若超過5a就存在配件購買困難甚至無法購買的情況。因配件無法購買而放棄維修選擇購買新產(chǎn)品既損害消費者自身利益，又與綠色環(huán)?？沙掷m(xù)的低碳社會發(fā)展理念相違背。因此對家電維修中年限較長家電配件購買困難問題展開研究，解決家電配件問題不僅能延長家電的使用壽命，為消費者節(jié)約支出，同時也是實現(xiàn)綠色可持續(xù)低碳經(jīng)濟發(fā)展在家電維修行業(yè)的探索。

對家電配件問題進行研究首先需對家電配件的分類及加工工藝進行分析。家電配件按功能劃分可分為結(jié)構(gòu)件、電子件和外觀件。其中電子件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且具備向下兼容特點購買較為容易，不作為本研究重點。家電產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件和外觀件等配件通常采用沖壓、擠壓、注塑等成型加工工藝制成，生產(chǎn)效率高、材料利用率高，但是這類工藝在生產(chǎn)時首先需要開發(fā)模具，模具開發(fā)周期長，制造成本高，因此只適合用于大規(guī)模生產(chǎn)，若進行單個或小規(guī)模生產(chǎn)將會大幅提高生產(chǎn)成本，這樣不僅消費難以接受，生產(chǎn)廠也因成本過高利潤較低，并且這類配件由于家電年限較長，型號不一，市場較小而放棄采用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)這類配件。因此研究新的生產(chǎn)工藝對家電配件進行生產(chǎn)成為解決年限較長家電維修困難問題的關(guān)鍵。對當(dāng)前各類生產(chǎn)工藝進行分析，結(jié)合家電產(chǎn)品配件的特點，發(fā)現(xiàn)各類生產(chǎn)工藝均難以實現(xiàn)少量配件的低成本生產(chǎn)，而3D打印與年限較長家電配件難以批量生產(chǎn)等痛點問題正好對應(yīng)解決，因而選擇3D打印對家電維修配件制造展開研究。

1 3D打印簡介

3D 打印也被稱為增材制造技術(shù)，起源于20世紀(jì)80 年代，1984年美國工程師CharlesHull成功研發(fā)SLA技術(shù)并獲得相關(guān)專利標(biāo)志3D打印技術(shù)正式誕生。與傳統(tǒng)減材制造技術(shù)不同，其是通過對目標(biāo)產(chǎn)品進行三維建模，然后模型進行分割細(xì)化，然后通過3D打印機將材料逐層堆疊最終得到目標(biāo)產(chǎn)品，其過程類似焊接過程中重復(fù)焊接堆填[3。根據(jù)材料和成型方式的不同，當(dāng)前3D打印可分為熔融沉積成型（FDM），光固化成型（SLA），選擇性激光燒結(jié)（SLS），數(shù)字光處理（DLP），電子束熔化（EBM），多噴嘴成型（MJM），層壓物體制造（LOM）等（表1）。因3D打印通過對目標(biāo)產(chǎn)品三維建模后直接打印生產(chǎn)，不需要開發(fā)模具，生產(chǎn)容易，周期短，同時可以根據(jù)設(shè)計者自身需求設(shè)計制造傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。并且3D打印過程中根據(jù)需要進行材料供給，基本不出現(xiàn)材料浪費現(xiàn)象，材料綜合利用率高，正好符合綠色低碳的社會發(fā)展理念。雖然3D打印具有諸多優(yōu)點，但前期因技術(shù)不夠成熟使得3D打印存在設(shè)備成本高、制造速度低等問題難以被廣泛使用。作為一項新興發(fā)展前景遠(yuǎn)大優(yōu)點眾多的技術(shù)，國家大力扶持其發(fā)展，自2015年3月工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、財政部聯(lián)合印發(fā)《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015—2016年》起，從國家到地方各級政府和部門紛紛出臺相應(yīng)政策鼓勵3D打印技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過10a發(fā)展3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)已逐漸成熟，打印設(shè)備由于產(chǎn)業(yè)鏈的成熟成本也逐漸降低，基本具備商用條件，當(dāng)前已被應(yīng)用于醫(yī)療、航空航天、藝術(shù)設(shè)計等領(lǐng)域。精度較低的打印設(shè)備成本較低，已被應(yīng)用于玩具制造、教育教學(xué)等領(lǐng)域，家電產(chǎn)品對配件精度要求較為寬松，若精度不夠可通過后處理提高配件精度，滿足使用要求，因而采用3D打印生產(chǎn)制造家電配件理論上可行。為研究在實際制造中存在的問題，選擇冰箱抽屜為例，對3D打印在家電維修中問題展開研究。

23D打印在家電維修領(lǐng)域的應(yīng)用研究

冰箱作為儲存和保持食物或其他物品處于低溫狀態(tài)的設(shè)備在當(dāng)前得到廣泛應(yīng)用，其低溫保鮮作為生活中不可或缺的功能使得其成為家電市場數(shù)量上最多的家電之一，研究3D打印在家電維修領(lǐng)域的應(yīng)用，將3D打印應(yīng)用于冰箱維修有較好的代表性。根據(jù)維修行業(yè)數(shù)據(jù)及用戶反饋，冰箱常見的零部件損壞大致比例見表2，其中壓縮機磨損、冷凝器腐蝕泄漏、封條老化變形、抽屜損壞等理論上都可通過3D打印進行維修。抽屜損壞比例約占 10%～20% ，針對抽屜的損壞占比及其結(jié)構(gòu)特點，使用3D打印對其進行制造維修研究具備典型性。冰箱抽屜作為冰箱的零部件，其功能主要是為食物提供便捷的儲存空間，使物品的存放和拿取更為方便，同時抽屜還利于空氣流通防正溫度積聚，便于溫度調(diào)節(jié)。但是由于冰箱所處的地方通常空氣濕度較大，食物中的水分揮發(fā)等，當(dāng)空氣及食物中的水分遇到冰箱的壁面后會液化凝固形成冰塊，隨著冰箱工作時間的延長，若不及時對所形成的冰塊進行清除，最終會形成較大的冰塊影響抽屜抽拉。若抽屜被冰塊卡住后，強行抽拉，因使用頻率的增加、材料的老化、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)等因素的影響，將極大概率損壞抽屜（圖1）。抽屜的結(jié)構(gòu)一般分為2類，一類為一體結(jié)構(gòu)，一類為組合型結(jié)構(gòu)。2部分通過卡扣組裝在一起，2類結(jié)構(gòu)均采用注塑工藝加工成型。通常情況下正面擋板由于拉伸時受力不均容易損壞，而箱體主要起到物品存放功能損壞的冰塊概率較小。傳統(tǒng)抽屜采用注塑工藝生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，表面質(zhì)量好并且價格便宜，但是注塑工藝在生產(chǎn)過程中需要先設(shè)計模具，生產(chǎn)周期較長只適宜大規(guī)模生產(chǎn)。因為存量較小的配件市場開模生產(chǎn)不符合廠家經(jīng)濟利益，而3D打印針對這類情況正好解決。通過對相應(yīng)配件進行設(shè)計建模然后進行打印制造便可實現(xiàn)配件生產(chǎn)。

本研究針對冰箱抽屜的損壞部位頻率，選取組合型抽屜正面擋板作為維修制造對象，對配件制造維修展開研究，首先對正面擋板結(jié)構(gòu)尺寸進行測量，然后運用三維制圖軟件對其結(jié)構(gòu)進行繪制。因?qū)嶒灄l件限制需根據(jù)實物進行逆向建模，若是條件充足，該過程可通過三維掃描直接建模生成模型，降低建模難度。模型建立完成后將模型導(dǎo)入切片軟件進行切片，該過程是將整個模型分割成無數(shù)微小薄層同時給出打印路徑。制造過程中3D打印機根據(jù)切片軟件給的打印路徑對所切的薄層進行分層融熔堆疊。因此切片對3D打印產(chǎn)品的效果起到關(guān)鍵性作用，若是切片過細(xì)，則打印產(chǎn)品的精度較高、外觀效果較好，但是打印時間較長，若是切片較少，雖然節(jié)省打印時間，但是打印產(chǎn)品外觀較為粗糙。因此切片時應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品需求選擇合適的切片精度。作為冰箱抽屜擋板對精度要求不高，但應(yīng)保證外觀平滑，所以切片過程選擇精度較低以節(jié)約打印時間，因此光滑效果通過后處理實現(xiàn)。切片完成后將文件導(dǎo)人打印機進行打印。根據(jù)擋板的性能要求應(yīng)透明便于觀察抽屜內(nèi)食物情況，結(jié)合3D打印的技術(shù)特點選擇FDM技術(shù)對擋板進行打印。材料選擇聚碳酸酯。聚碳酸酯作為一種常用的3D打印材料具有透明性好、強度高的特點，與冰箱抽屜的功能要求正好符合。

33D打印具體實施步驟

3D打印的具體實施步驟如圖2所示。利用三維制圖軟件創(chuàng)建三維模型，本研究采用Solidworks進行。模型創(chuàng)建完成后對其進行檢查，確保模型正確不出現(xiàn)非流形邊等問題。將模型導(dǎo)入Cura進行切片，根據(jù)擋板使用場景，層高選擇 0.2mm ，填充密度選擇 30% ，打印速度選擇 80mm/s ，因聚碳酸酯易吸濕，打印前在80～100°C 的環(huán)境下干燥 4～6h_? 。為提高附著力，熱床溫度設(shè)置為 100^°C ，噴嘴溫度調(diào)節(jié)至 280^cC ，打印過程中根據(jù)打印效果對溫度進行微調(diào)。打印前需對打印機進行校準(zhǔn)，首先進行調(diào)平，噴嘴與平臺距離調(diào)整為 0.1mm 然后調(diào)整 Z 軸偏移，測試打印機，觀察首層附著力。調(diào)整測試完成后開始打印，打印過程中實時監(jiān)控打印過程。

因切片原因及材料特性打印完成后的產(chǎn)品較為粗糙，為保證正常完整和外形美觀、使用順手，需對產(chǎn)品進行打磨拋光，打磨拋光后擋板能正常安裝外觀與原裝產(chǎn)品并無多大差異，能滿足正常使用需求（圖3）。

在對冰箱抽屜擋板打印過程中，通過測量實物尺寸建立三維模型，因擋板結(jié)構(gòu)簡單，建模容易。若是遇到結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的配件，通過測量建立三維模型不僅步驟繁瑣而且難度較大，在商業(yè)化生產(chǎn)中可通過三維掃描建立模型，同時可針對各型號模型建立模型庫，打印時根據(jù)需要直接調(diào)出相應(yīng)模型進行打印制造即可。在打印過程總共耗時約 ^4h ，因?qū)嶒炑b備功率較小，若是商業(yè)化過程中采用大功率打印設(shè)備打印時間還有較大縮短空間，聚碳酸酯的價格約為500元/kg，擋板消耗的材料為 0.14kg ，材料成本為70元，綜合建模打印、材料及打磨拋光各個環(huán)節(jié)成本支出計算，整個檔板3D打印成本約為100元，整體成本主要集中在材料，查詢同款抽屜價格為50元左右，采用3D打印制造的冰箱抽屜價格為普通抽屜的2倍，若單從價格方面考慮采用3D打印對冰箱配件進行制造維修其競爭力較弱，但從配件缺乏角度出發(fā)采用3D打印不僅能解決配件購買問題，而且價格雖然略高但仍在消費者可接受的范圍內(nèi)，同時采用3D打印速度更快，更靈活方便。

43D打印應(yīng)用于家電維修行業(yè)的意義

采用3D打印對家電配件進行制造維修在功能上與采用傳統(tǒng)方法制造的配件基本相同，雖然其價格略高于傳統(tǒng)方法批量生產(chǎn)的配件，但采用3D打印制造不僅解決了老舊家電配件購買困難問題，延長家電使用周期，為消費者節(jié)省開支，同時與社會綠色發(fā)展的理念相符。生產(chǎn)成本與技術(shù)的成熟度和產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化成反比，3D打印作為一項新興技術(shù)，當(dāng)技術(shù)進一步成熟，規(guī)模進一步擴大，產(chǎn)業(yè)鏈更為完善后其成本將會進一步降低，從而得到消費者的認(rèn)可和接受，

在將3D打印應(yīng)用于家電維修過程中需要大量的技術(shù)技能人才參與，這類人才應(yīng)具備一定的專業(yè)知識同時擁有較強的動手能力，這些特點正好與職業(yè)教育學(xué)生特點相符。作為與普通教育同等地位的職業(yè)教育其學(xué)生數(shù)量與普通教育學(xué)生數(shù)量相當(dāng)，3D打印將理論與實訓(xùn)結(jié)合，可較好培養(yǎng)學(xué)生家電維修的動手能力，為學(xué)生就業(yè)拓寬方向。職業(yè)教育過程中學(xué)生利用3D打印對家電進行維修還可將先進科技與日常學(xué)習(xí)結(jié)合起來開闊學(xué)生的眼界和思維，另外通過3D打印具備復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造的特點，通過在家電維修中的應(yīng)用由點及面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性能力，使學(xué)生能力遷移到各個方向，在各領(lǐng)域中創(chuàng)造出更多有意義的東西。

5結(jié)束語

將3D打印應(yīng)用于家電維修其效果與普通配件并無太大差異，可解決年限較久家電配件購買困難問題，雖然成本高于普通配件價格，隨著技術(shù)的成熟和普及價格將會進一步降低，可行性將進一步增加。另外，3D打印技術(shù)應(yīng)用推廣過程中需要大量技術(shù)技能人才，職業(yè)技術(shù)類相關(guān)學(xué)生若是掌握相關(guān)技術(shù)不僅能拓寬自己的就業(yè)范圍，同時由于3D打印具有靈活設(shè)計，制造方便等特點，學(xué)生可利用其設(shè)計開發(fā)出各類新產(chǎn)品進行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。總之，采用3D打印對家電產(chǎn)品的維修既解決了年限較長家電配件購買困難問題，又有利于職業(yè)教育學(xué)生能力的培養(yǎng)。

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