文/劉永輝 張玉強(qiáng) 張渠

雖然我國(guó)已經(jīng)成為世界第一家電生產(chǎn)大國(guó)，但還不是家電強(qiáng)國(guó)。我國(guó)家電行業(yè)面臨資源壓力大、市場(chǎng)增長(zhǎng)放緩、原材料價(jià)格上漲和勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)喪失等諸多挑戰(zhàn)，其轉(zhuǎn)型升級(jí)和邁向產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈高端的需求非常迫切。3D打印技術(shù)作為新生事物，被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命的重要標(biāo)志之一”，該技術(shù)是一項(xiàng)具有工業(yè)革命意義的高新制造技術(shù)，代表了世界制造業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。本文介紹了3D打印技術(shù)在家電家居產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用。3D打印技術(shù)在家電家居領(lǐng)域，特別是促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提升核心競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品個(gè)性化定制方面日益發(fā)揮巨大的推動(dòng)作用。

3D打印技術(shù)在家電家居產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用主要分為兩方面：(1)快速原型制作和新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)驗(yàn)證與功能驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，這一方面的技術(shù)和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟；(2)終端產(chǎn)品直接制造，包括基于性能最優(yōu)的高級(jí)模具設(shè)計(jì)制造和高端家電家居產(chǎn)品個(gè)性化定制，這是近幾年來(lái)剛剛涌現(xiàn)出來(lái)的新技術(shù)和新應(yīng)用。

本文分為上下兩篇，上篇主要介紹3D打印技術(shù)及其在產(chǎn)品原型制作和支持新產(chǎn)品研發(fā)方面的應(yīng)用；下篇側(cè)重于闡述3D打印技術(shù)在提升模具設(shè)計(jì)與制造能力和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高端化、個(gè)性化方面的新技術(shù)和新應(yīng)用。

3 D打印技術(shù)及其特點(diǎn)

3D打印技術(shù)最早稱(chēng)為快速成形技術(shù)或快速原型制造技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代后期，是在現(xiàn)代CAD/CAM技術(shù)、機(jī)械工程、分層制造技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)、精密伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)制造技術(shù)?？梢宰詣?dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等方面提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段?？焖俪尚渭夹g(shù)就是利用三維CAD數(shù)據(jù)，通過(guò)快速成形機(jī)，將一層層的材料堆積成實(shí)體原型。

不同種類(lèi)的快速成形系統(tǒng)因所用成形材料的不同，成形原理和系統(tǒng)特點(diǎn)也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是“分層制造，逐層疊加”，類(lèi)似于數(shù)學(xué)上的積分過(guò)程。形象地講，快速成形系統(tǒng)就像是一臺(tái)“立體打印機(jī)”。3D打印機(jī)、3D打印技術(shù)或增材制造技術(shù)因此得名。

目前市場(chǎng)上的3D打印技術(shù)主要分為選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)、熔融沉積制造技術(shù)(FDM)、立體光固化成型技術(shù)(SLA)、噴墨打印技術(shù)(PolyJet)、數(shù)字化光處理技術(shù)(DLP)、三維噴繪打印技術(shù)(3DP)等。對(duì)于3D打印制造工藝的研究，一方面是在原有技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)；另一方面是研究新的成型技術(shù)新的成型方法。如三維微結(jié)構(gòu)制造、生物活性組織的工程化制造、激光三維內(nèi)割技術(shù)、層片曝光方式等。圖1為3D打印技術(shù)典型生產(chǎn)過(guò)程（以選擇性激光燒結(jié)技術(shù)SLS為例）。

由圖1可以看出，與傳統(tǒng)的“去除型”制造技術(shù)不同，3D打印技術(shù)采用材料逐漸累加的方法來(lái)制造實(shí)體零件。這一技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，在一臺(tái)設(shè)備上可快速而精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實(shí)現(xiàn)“自由制造”；解決許多過(guò)去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其制造優(yōu)勢(shì)越顯著。表1為3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)“去除型”制造技術(shù)工藝特點(diǎn)的對(duì)比分析。

表1 3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)“去除型”制造技術(shù)工藝特點(diǎn)對(duì)比分析

3 D打印技術(shù)支持新產(chǎn)品研發(fā)

當(dāng)前，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。要保持家電產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，迫切需要在加大新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)投入力度、增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)的同時(shí)，積極采用先進(jìn)的創(chuàng)新手段。產(chǎn)品原型制作由于能夠優(yōu)化新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，可以有效地縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期，提升研發(fā)的成功率，因而在新產(chǎn)品研發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。家電產(chǎn)品原型主要分為外觀(guān)樣機(jī)（設(shè)計(jì)驗(yàn)證）、結(jié)構(gòu)樣機(jī)（裝配驗(yàn)證）和性能樣機(jī)（功能驗(yàn)證）。目前制作產(chǎn)品原型主要有兩種手段：數(shù)控機(jī)床和3D打印機(jī)。

傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床加工直接使用ABS、PP等真實(shí)材料，材料成本較低；但其缺點(diǎn)是需要根據(jù)零件數(shù)據(jù)進(jìn)行編程加工，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，需要進(jìn)行零件拆分加工，加工完畢后再進(jìn)行粘接拼合。零件越復(fù)雜，需要編程和拆分的工作量越大，后處理的拼接工序越復(fù)雜，所需人工工時(shí)就越多，加工成本越高。

3D打印技術(shù)加工速度快、工藝柔性高，能一次性完成結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的零件制作，且其制作成本和制作速度與零件的復(fù)雜程度基本無(wú)關(guān)。根據(jù)3D打印成型工藝的不同，使用材料可以為光敏樹(shù)脂、尼龍、類(lèi)ABS等，材料成本較高。

因此，在實(shí)際家電產(chǎn)品原型制造過(guò)程中二者各有優(yōu)勢(shì)、互為補(bǔ)充。數(shù)控機(jī)床比較適合制作結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的普通實(shí)心零件，例如空調(diào)外殼、頂蓋等。而3D打印機(jī)主要用來(lái)制作各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者工期要求短的零件，例如貫流風(fēng)扇（圖2）、異形風(fēng)道等。從未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，特別是材料成本的逐漸降低，3D打印技術(shù)將會(huì)逐漸超過(guò)甚至取代數(shù)控加工技術(shù)。

目前3D打印技術(shù)在國(guó)內(nèi)的家電行業(yè)上得到了很大程度的普及與應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域主要在于新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。將3D打印技術(shù)引入到產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)，提高了企業(yè)對(duì)市場(chǎng)的快速響應(yīng)能力，提升了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，使我們?cè)S多家電企業(yè)在產(chǎn)品創(chuàng)新方面也走在了世界前列，如青島的海爾、海信，廣東的美的和格力等，都先后采用3D打印技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，收到了很好的市場(chǎng)效果。