杜 羽

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南 許昌 461000）

3D打印(3D Printing)，是一種快速成形技術(shù)，是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運(yùn)用可黏合材料（粉末狀金屬或塑料等打印材料），通過(guò)加熱融化，冷卻后粘接，逐層堆疊累積的方式來(lái)構(gòu)造物體的立體形狀的技術(shù)[1]。3D 打印技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)成熟，各個(gè)行業(yè)都在積極發(fā)展3D 打印技術(shù)，將其應(yīng)用到機(jī)電技術(shù)中，是近年來(lái)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，也是一種趨勢(shì)，會(huì)對(duì)機(jī)電技術(shù)的健康發(fā)展產(chǎn)生積極作用。

1 3D打印技術(shù)在機(jī)電方面的作用

1.1 縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期

當(dāng)代機(jī)電技術(shù)正處于高速發(fā)展的階段，機(jī)電技術(shù)的發(fā)展前景廣闊，有著巨大的市場(chǎng)需求，廣大用戶(hù)的消費(fèi)需求也在不斷地變化，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，在這種前提下，勢(shì)必要縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。研發(fā)過(guò)程理論上，需經(jīng)過(guò)市場(chǎng)需求調(diào)研、研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、產(chǎn)品上市等環(huán)節(jié)，周期較長(zhǎng)，縮短研發(fā)周期即可提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力及利潤(rùn)。設(shè)計(jì)產(chǎn)品需要進(jìn)行加工生產(chǎn)、多種設(shè)備聯(lián)合加工、反復(fù)設(shè)計(jì)等步驟，延長(zhǎng)上市周期。傳統(tǒng)研發(fā)中，首批產(chǎn)品加工以及開(kāi)模的過(guò)程，常需要較高的成本以及較長(zhǎng)的制作周期，反復(fù)調(diào)試機(jī)械設(shè)備才能保障產(chǎn)品的質(zhì)量，并且首件加工效率低、精度低、廢品率高，影響了產(chǎn)品的研發(fā)速度，增加了研發(fā)成本。

使用3D 打印技術(shù)，能夠很好地解決這些問(wèn)題，產(chǎn)品的加工更加便捷。在研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，可以暫時(shí)采用3D 打印技術(shù)完成產(chǎn)品的生產(chǎn)，不用安排生產(chǎn)試加工，不用協(xié)調(diào)機(jī)床設(shè)備和人員，擺脫生產(chǎn)加工設(shè)備的束縛；研發(fā)完成后，再進(jìn)行批量生產(chǎn)加工，投入生產(chǎn)[1]。這優(yōu)化了產(chǎn)品設(shè)計(jì)加工過(guò)程，脫離傳統(tǒng)生產(chǎn)加工設(shè)備，解放了生產(chǎn)條件，集中精力進(jìn)行產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)，降低研發(fā)時(shí)間，可以有效提高生產(chǎn)效率，從而提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力水平。

1.2 推進(jìn)機(jī)電制造業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新，轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念

采用3D 打印技術(shù)，能夠簡(jiǎn)單、快捷地將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品，方便對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和尺寸的修改和調(diào)整；不同于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，3D 打印技術(shù)可以使設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新能力得到更大發(fā)揮，提升產(chǎn)品更新的速度，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本[2]。3D 打印技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中所存在的弊端，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，縮短產(chǎn)品制造的周期，提升產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)效率，有效促進(jìn)機(jī)電技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新[3]；減少設(shè)計(jì)中的物資消耗，脫離設(shè)計(jì)中的生產(chǎn)過(guò)程，完成產(chǎn)品加工。這一全新的設(shè)計(jì)模式，改變了原有的固定思維，提高產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力與創(chuàng)造力，促進(jìn)產(chǎn)品換代速度，轉(zhuǎn)變?cè)O(shè)計(jì)理念。

1.3 促進(jìn)機(jī)電產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的應(yīng)用

在機(jī)電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，利用3D傳感器和三維掃描儀對(duì)已存在的機(jī)電產(chǎn)品（特別是外殼及復(fù)雜形狀）進(jìn)行三維測(cè)量和模型重建。應(yīng)用3D 打印技術(shù)，進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品三維形態(tài)打印生成，對(duì)外形的情況進(jìn)行修改，重建模型，得出需要的數(shù)字設(shè)計(jì)建模，隨后可以根據(jù)要求安排生產(chǎn)和加工[2]。

3D 打印技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)電方面，例如機(jī)械加工制造、機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)、汽車(chē)新產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、航空航天技術(shù)等領(lǐng)域。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)方面，產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)也成為了一種趨勢(shì)。3D打印技術(shù)和三維掃描儀經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，3D打印技術(shù)打印方式簡(jiǎn)單、易操作，三維掃描儀掃描精度高、使用快速便捷。以上技術(shù)在機(jī)電方面的應(yīng)用，能加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造智能化，改變?cè)O(shè)計(jì)方式和設(shè)計(jì)理念，促進(jìn)機(jī)電產(chǎn)品制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升企業(yè)產(chǎn)品的智能制造技能水平。通過(guò)3D 打印技術(shù)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造數(shù)字化、智能化、集成化、柔性化。因此，3D打印技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中得到廣泛應(yīng)用，通過(guò)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)，可以完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)制造的整個(gè)過(guò)程。由于3D 打印技術(shù)本身具有設(shè)計(jì)研發(fā)周期短、成本低、打印易成型、柔性化制造的優(yōu)點(diǎn)，因此在產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造中，會(huì)大量應(yīng)用3D 打印技術(shù)來(lái)提高設(shè)計(jì)效率。通過(guò)3D 打印技術(shù)，應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，可以縮短研發(fā)周期，提高研發(fā)速度，減少制作的時(shí)間，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率，提升產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的市場(chǎng)中的核心競(jìng)爭(zhēng)力[3]。

1.4 滿(mǎn)足客戶(hù)的個(gè)性化定制要求

伴隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，人們個(gè)性化的要求越來(lái)越強(qiáng)烈，客戶(hù)的需求是不一致的，有時(shí)需要為客戶(hù)提供個(gè)性化定制，滿(mǎn)足客戶(hù)要求。在生產(chǎn)力不發(fā)達(dá)的情況下，生產(chǎn)技術(shù)不能滿(mǎn)足人們的個(gè)性需求變化，社會(huì)的進(jìn)步就是為了滿(mǎn)足人民日益增長(zhǎng)的多樣化需求，因此，個(gè)性化定制也是機(jī)電產(chǎn)品的一個(gè)服務(wù)目標(biāo)。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了這項(xiàng)空白，通過(guò)個(gè)性化的數(shù)字建模，直觀地讓客戶(hù)看到現(xiàn)實(shí)效果；設(shè)計(jì)效果也很容易通過(guò)打印的方式呈現(xiàn)，擺脫生產(chǎn)中的模具以及生產(chǎn)加工中因產(chǎn)品型號(hào)規(guī)格調(diào)整而出現(xiàn)的眾多問(wèn)題，直接面向客戶(hù)服務(wù)。然而，個(gè)性化定制成本高，效率低，高昂的價(jià)格會(huì)讓一部分客戶(hù)望而卻步。采用3D 打印技術(shù)后，可以大大地降低定制成本，滿(mǎn)足人們的個(gè)性化要求，也符合社會(huì)需求，凸顯客戶(hù)至上、以人為本的特色。

2 3D打印技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題

2.1 打印成本高，價(jià)格昂貴

3D 打印耗材比較貴，使用成本較高，在企業(yè)經(jīng)費(fèi)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(shù)在實(shí)際應(yīng)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(tái)尺寸的限制，大型零件無(wú)法打?。怀叽缟晕⒋笠恍┑牧慵?，需要較多的打印耗材和打印時(shí)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(shí)間內(nèi)是無(wú)法打印完成的，如果采用精細(xì)打印的話，將會(huì)耗費(fèi)十幾甚至幾十個(gè)小時(shí)才能打印完成，打印效率低，且會(huì)占用設(shè)備和資源，在現(xiàn)代企業(yè)高效率生產(chǎn)的環(huán)境下也是不現(xiàn)實(shí)的。

2.2 打印材料力學(xué)性能不足，打印精度低

3D 打印的耗材材質(zhì)與金屬材質(zhì)相比，存在力學(xué)性能不足的情況：3D 打印材質(zhì)存在強(qiáng)度低、硬度低、塑性差的問(wèn)題，在一些受力要求的場(chǎng)合，是無(wú)法替代金屬材料的，在使用過(guò)程中，很容易超出力學(xué)要求而斷裂、折斷；3D打印材質(zhì)硬度低，耐磨性差，無(wú)法應(yīng)用在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位置。因此，3D打印存在一定的局限性，暫時(shí)還不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械加工零件。目前，打印精度高和打印性能較好的工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)售價(jià)普遍較高，而普通精度和打印性能一般的桌面級(jí)3D 打印機(jī)大概是幾千元到幾萬(wàn)元。普通桌面級(jí)3D 打印機(jī)一般使用價(jià)格較為低廉的PLA和ABS等打印耗材，只能滿(mǎn)足一般的要求，因打印材質(zhì)原因，打印的產(chǎn)品只能用于力學(xué)性能要求不高、精度要求不高的場(chǎng)合。在力學(xué)性能要求較高的場(chǎng)合，則需要使用工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)，打印耗材可以選用金屬、橡膠、陶瓷、塑料等材料，會(huì)大幅度增加打印成本。

3D 打印采用逐層打印的方式，通過(guò)堆積的方式來(lái)構(gòu)造3D打印模型。采用3D打印的零部件，不同于機(jī)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(chǎng)合是沒(méi)有辦法使用的，因此，只能應(yīng)用于裝配精度不高的場(chǎng)合。在進(jìn)行數(shù)字化模型設(shè)計(jì)的時(shí)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(mǎn)足配合精度要求，會(huì)出現(xiàn)配合間隙大、晃動(dòng)、配合不牢靠的情況。

2.3 3D打印速度慢、效率低，過(guò)程中容易出現(xiàn)問(wèn)題

3D 打印以加熱融化打印材料、層層堆積的方式打印產(chǎn)品，因此，切片的層數(shù)決定了打印產(chǎn)品的精度。層數(shù)越多，層越薄，產(chǎn)品精度就越高，產(chǎn)品完成所需時(shí)間就越長(zhǎng)，3D打印技術(shù)的精度和速度是成反比的。一個(gè)尺寸稍微大一些的作品，打印時(shí)間就會(huì)長(zhǎng)達(dá)幾十個(gè)小時(shí)，并且在打印的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)種種問(wèn)題，可能會(huì)造成打印的產(chǎn)品作廢的情況。例如，初始打印時(shí)加熱溫度不夠，沒(méi)有粘接到一體，造成邊緣翹曲的情況；初始打印的時(shí)候，底層未固化，上層質(zhì)量增加，對(duì)底層的擠壓，出現(xiàn)“大象腿”的情況；中間層打印的時(shí)候，由于多種原因，層與層之間沒(méi)有粘接牢固，出現(xiàn)層移位、分層錯(cuò)亂的情況；長(zhǎng)時(shí)間打印，中間無(wú)人值守，出現(xiàn)打印材料耗盡的情況；支撐沒(méi)有選用，或者選用的不夠合理，都會(huì)影響到打印的質(zhì)量。因此，在打印的過(guò)程中，要避免以上問(wèn)題的出現(xiàn)，保證打印質(zhì)量。

3 3D打印技術(shù)展望

隨著科技的進(jìn)步、機(jī)械制造業(yè)的迅速發(fā)展，現(xiàn)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(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，應(yīng)該充分利高新技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)3D 打印技術(shù)進(jìn)行深入的研究和探索，抓住我國(guó)的機(jī)械制造加工行業(yè)發(fā)展的重要契機(jī)，促進(jìn)機(jī)電行業(yè)的健康、高速發(fā)展。3D 打印技術(shù)有著新技術(shù)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，順應(yīng)技術(shù)潮流。但是3D 打印技術(shù)也存在一定的弊端，不能有效應(yīng)用于行業(yè)生產(chǎn)[4]。因此，3D打印技術(shù)還需要進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，具體的應(yīng)用需要進(jìn)行探索。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，3D 打印技術(shù)具有很多優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用到現(xiàn)代化生產(chǎn)中，是發(fā)展的必然趨勢(shì)。新技術(shù)的引進(jìn)，能夠有效提高生產(chǎn)力，對(duì)傳統(tǒng)行業(yè)有著極大的影響。通過(guò)3D 打印技術(shù)的引進(jìn)，能夠提高研發(fā)效率，降低勞動(dòng)成本，改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，助力智能制造升級(jí)，有效提升企業(yè)的科技水平。3D 打印技術(shù)在機(jī)電領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，但是也有很大的局限性，需進(jìn)行更深入的探索和研究，以便更好地為人們服務(wù)，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)的高速發(fā)展。