張利成

摘要：近幾年3D打印技術(shù)正在逐步進(jìn)入工業(yè)時(shí)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(jí)3D打印機(jī)的發(fā)展推動(dòng)著新產(chǎn)品研發(fā)、制造的快速變革，國(guó)內(nèi)各行業(yè)需積極應(yīng)用3D打印技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)、制造，用需求拉動(dòng)國(guó)內(nèi)工業(yè)級(jí)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(guó)外產(chǎn)生差距。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);現(xiàn)狀;工業(yè)發(fā)展

一、3D打印技術(shù)現(xiàn)狀

3D打?。?Dprinting），又稱增材制造、積層制造，可指任何打印三維物體的過(guò)程。3D打印主要是一個(gè)不斷添加過(guò)程，在計(jì)算機(jī)控制下層疊原材料。3D打印內(nèi)容來(lái)源于三維模型或其他電子數(shù)據(jù)，其打印出的三維物體可擁有任何形狀和幾何特征。3D打印是新興的增量制造技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)減量生產(chǎn)的一種補(bǔ)充。3D打印技術(shù)發(fā)展如火如荼，我們一起來(lái)關(guān)注近期的熱點(diǎn)事件。3D打印的突出優(yōu)勢(shì)：

1、降低制造門檻。個(gè)人只需在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，由軟件自動(dòng)轉(zhuǎn)化為中間文件，發(fā)送到3D打印機(jī)即可實(shí)現(xiàn)制造。用戶無(wú)須掌握復(fù)雜的制造工藝和加工技能，大幅降低了制造業(yè)技術(shù)門檻。

2、便于制造復(fù)雜零件。由于3D打印的逐層加工、累積成型特點(diǎn)，制造幾乎不受結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的限制，結(jié)合數(shù)字化設(shè)計(jì)，可輕松實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的個(gè)性化定制。傳統(tǒng)的減材加工方法無(wú)法加工任意復(fù)雜的中空形狀，此外減材加工中去掉的材料被浪費(fèi)掉了。3D打印的方法無(wú)需刀具、模具，所需要工裝、夾具大幅減少，生產(chǎn)周期大幅縮短，材料利用率大幅提高。

二、工業(yè)級(jí)3D打印技術(shù)對(duì)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(píng)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(gè)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(dòng)效率。功能和結(jié)構(gòu)的融合設(shè)計(jì)，可對(duì)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(duì)整機(jī)環(huán)境適應(yīng)性的風(fēng)險(xiǎn)，而這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)使用傳統(tǒng)制造工藝很難，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)。如果進(jìn)行零件和整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)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(shí)間，使產(chǎn)品更快上市。

三、工業(yè)級(jí)3D打印技術(shù)對(duì)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(cè)試，零部件多、設(shè)計(jì)時(shí)間長(zhǎng)、加工時(shí)間也長(zhǎng)，零件配合精度較差，零件裝配、測(cè)試、試驗(yàn)有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，而解決問(wèn)題的時(shí)間也長(zhǎng)，導(dǎo)致整個(gè)研發(fā)周期很長(zhǎng)。而面向增材制造的新產(chǎn)品研發(fā)流程就會(huì)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(shí)間和加工時(shí)間減少，也減少問(wèn)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(gè)研發(fā)流程如下：產(chǎn)品造型階段可以快速3D打印多個(gè)不同的產(chǎn)品造型進(jìn)行對(duì)比、評(píng)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(shí)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(shí)間，從而可以有更充分的時(shí)間對(duì)樣機(jī)進(jìn)行各項(xiàng)測(cè)試，盡早發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問(wèn)題。小批試產(chǎn)階段可以采用工業(yè)級(jí)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(guò)程）的同時(shí)可以用工業(yè)級(jí)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(chǎng)推廣、客戶試用等上市工作，使產(chǎn)品能更快地推向市場(chǎng)。

四、3D打印技術(shù)工業(yè)化發(fā)展方向

隨著自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化的推進(jìn)，3D打印迎來(lái)新動(dòng)力，產(chǎn)業(yè)發(fā)展站在了一個(gè)新的起點(diǎn)上。目前，3D打印在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航空航天和醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。日常生活中可以看到越來(lái)越多的鞋子生產(chǎn)商正在采用3D打印技術(shù)來(lái)制造鞋子、研發(fā)人員正在研究用于醫(yī)療器械或可供治療的人體身體部位的打印器官、一座著名的建筑或者是一個(gè)簡(jiǎn)單玩具等，看到這些人們?yōu)橹老踩艨瘛?D打印是通過(guò)采用層層累計(jì)材料的方式制造出新的幾何外形零件，降低零件重量、提高強(qiáng)度，制造更輕、更耐高溫的零件。

1、自動(dòng)化。隨著3D打印技術(shù)的成熟，重點(diǎn)將轉(zhuǎn)向精簡(jiǎn)前后期制作流程。雖然3D打印生產(chǎn)工具和原型的大部分已經(jīng)準(zhǔn)備好幾乎直接使用，但只需最少的精加工工作，但也有大量的終端部件需要復(fù)雜的精加工工藝。這不僅是勞動(dòng)密集型的，而且是成本密集型的。采摘機(jī)器人技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)化具有通過(guò)減少后期制作時(shí)間和成本大幅提高效率的潛力。配合軟件技術(shù)知識(shí)，我們?cè)O(shè)想一個(gè)自動(dòng)化后期制作系統(tǒng)，確保可追溯性和速度，而不會(huì)過(guò)度依賴人工干預(yù)。軟件也將在預(yù)生產(chǎn)步驟的自動(dòng)化中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，正如模擬軟件興趣的激增，這主要是由于Metal3DPrinting的采用日益增加。盡管Metal3DPrinting已經(jīng)證明了其節(jié)省時(shí)間和成本的巨大潛力，但由于構(gòu)建造成的浪費(fèi)材料的成本很快變得難以負(fù)擔(dān)，我們預(yù)計(jì)仿真軟件在失敗發(fā)生之前預(yù)測(cè)失效方面將扮演越來(lái)越重要的角色。

2、融合。在過(guò)去的幾年里，我們看到3D打印在供應(yīng)鏈中的地位。憑借更快的交貨時(shí)間和無(wú)工裝生產(chǎn)，3D打印已被證明是傳統(tǒng)上資源密集型應(yīng)用的寶貴技術(shù)。這也導(dǎo)致了供應(yīng)鏈更加精簡(jiǎn)，存貨風(fēng)險(xiǎn)也更少。我們相信3D打印將通過(guò)兩種方式穩(wěn)步提高其在制造供應(yīng)鏈中的價(jià)值：通過(guò)創(chuàng)建數(shù)字供應(yīng)鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)改變整個(gè)商業(yè)模式（如助聽器和眼鏡行業(yè)），并在現(xiàn)有供應(yīng)鏈中更加融合。

3、合作。協(xié)作是將3D打印擴(kuò)展到制造業(yè)的關(guān)鍵。不斷增加的硬件，軟件和服務(wù)提供商等現(xiàn)有參與者之間的合作將導(dǎo)致優(yōu)化和易于集成的產(chǎn)品供應(yīng)，這將推動(dòng)采用。我們也期望看到3D打印行業(yè)與其客戶之間的更多合作。共同創(chuàng)造創(chuàng)造了一個(gè)框架，可以將3D打印軟件，工程和制造知識(shí)與客戶特定的市場(chǎng)知識(shí)相結(jié)合，這是創(chuàng)新帶來(lái)轉(zhuǎn)型影響的真正動(dòng)力。

4、金屬3D打印。金屬3D打印在降低成本和提高采用率方面正在迅速發(fā)展，2018年將在新技術(shù)方面取得進(jìn)展，并對(duì)已有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。我們相信Metal3DPrinting永遠(yuǎn)不會(huì)取代傳統(tǒng)制造業(yè)但作為一項(xiàng)免費(fèi)制造技術(shù)，其地位正變得越來(lái)越重要。展望未來(lái)，在解決特定制造難題和創(chuàng)建定制化，復(fù)雜的最終用途產(chǎn)品時(shí)，金屬3D打印將變得越來(lái)越必要。

結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)級(jí)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(guò)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(lái)的變革。對(duì)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。

參考文獻(xiàn)

[1]周偉國(guó).3D打印技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2017.