浅谈3D打印在一般生产车间的应用

李永辉

摘 要：3D打印，被称为将变革产品制造和带来“第三次工业革命”的技术。其实质是增材制造技术，属于快速成型技术的一种。介绍了技术最成熟、普及程度最广泛的基于FDM（Fused deposition modeling，熔融沉积式）的3D打印技术，说明了将3D打印引入一般车间的可能性，以及设计和实施的过程，并最终为生产车间带来效益。

关键词：增材制造；3D打印；FDM；熔融沉积制造；生产现场管理

在日常的生产过程中，会遇到仪器或设备的紧急开关无防护装置，人员误碰会导致设备突然断电停机；使用频率较高的工具因其小部件的损坏，造成功能的不完整，影响工作效率等问题。面对这些问题，若企业不具备制造这些非标装置所需的注塑、切削等设备或材料，只能请外部单位进行定制、采购。这些需求又属于定制设计而非批量生产，外协加工将会产生比较大的费用。利用3D打印的灵活性，可以根据需求定制个性化的产品，并自行设计、制作完成多种装置，能解决现场管理的多个问题。而且这类定制需求，使用3D打印加工时间和成本远低于外部加工或采购，为企业管理及成本节约开拓了新的思路。

1 3D打印概述

早在20世纪90年代就出现的3D打印，已经在各种网站、媒体已经成为一个热词，并受到众多媒体和商家的追捧，但由于价格昂贵，技术不成熟，早期并没有得到推广普及。

2015年8月21日，李克强总理在关于《先进制造与3D打印》 的专题讲座上的讲话，再次提高了3D打印在国内的认知度和关注度。2015年11月15日，中国国家主席习近平在G20峰会第一阶段会议上发表了题为《创新增长路径共享发展成果》的重要讲话。讲话中习主席着力强调低迷的经济增长需要通过推动创新驱动和打造新的增长源来克服，其中包括3D打印技术和互联网+。

目前，很多国家已经将3D打印技术应用到交通、建筑、军事、科研、教育、航空航天以及生物医疗等行业。国内外很多企业已经在采用3D打印技术来制造零部件原型，更有报道称国外企业已经将其应用到生产飞机零部件，并将3D打印机送上国际空间站应用于各种研究。

3D打印，又称三维打印（3 Dimensional Printing），其学名是增材制造（Material addive manufacturing），是指将材料一次性熔聚成型的快速成型技术。它以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等粘合材料，通过逐层打印并叠加不同形状的连续层方式来构造三维的任何物体。快速成型技术主要包括熔融沉积成型、光敏固化成型、选择性激光烧结等工艺，各种成型技术对材料以及工艺的要求各有不同。

本文主要针对基于FDM（熔融沉积式）技术的3D打印应用进行探讨。

2 FDM快速成型技术

斯科特·克伦普（S.Scott Crump）博士于1989年申请了熔融沉积成型（Fused deposition modeling，FDM）专利，他创立的Stratasys公司于1992年卖出了第一台基于FDM的3D打印机。这种技术成型系统及材料成本不高，不需要其他成型技术中昂贵的激光器或光学部件。FDM设备体积小、无污染是办公室应用的理想桌面制造系统。

2.1 FDM原理

熔融沉积成型（FDM）的原理如下：该方法使用丝状材料（石蜡、金属、塑料、低熔点合金丝）为原料，利用电加热方式将丝材加热至略高于熔化温度（约比熔点高 1℃），在计算机的控制下，喷头作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后形成工件的一层截面，一层成形后，喷头上移一层高度，进行下一层涂覆，这样逐层堆积形成三维工件。

2.2 FDM设计和打印过程

2.2.1 建立三维数字模型

三维数字模型的建立，可以通过3D扫描仪对模型进行扫描后，获取需打印对象的数字模型，再利用3D打印机进行打印；也可以使用AutoCAD、Solidworks等专业的计算机建模软件，根据实际需要从零开始建立数字模型，再进行打印。本文中需要打印的对象，都是为特定的仪器、工具进行定制设计，所以选用了3D建模软件，根据实际测量数据进行数字模型的建立。

2.2.2 数字模型切割分层

由于对数字模型文件描述方式的差异，一般3D打印机并不能直接操作建模软件建立的三维模型。而是将建模软件导出的特定格式的文件，再次导入到专门的分层软件进行切割处理，即按照指定的方向将数字模型切成一层一层的薄片。并通过分层软件，对每层的厚度及后续3D打印所需的其他属性进行设定。完成一系列的设置后，再从分层软件导出为3D打印机可以识别的文件格式。

2.2.3 打印及处理

3D打印机可以通过联机或脱机方式进行打印，目前多数3D打印机都具备脱机打印。联机方式，即将3D打印机与电脑通过数据线连接后，通过软件控制打印；脱机方式，则是将分层后的数字文件复制到存储卡内，再将存储卡插入3D打印机进行打印。将打印机调整好以后，即可以按照分层软件计算出的特定路径，像盖房子一样逐层进行打印，最终生成我们所需的模型。根据模型的复杂程度，以及模型的尺寸，打印所需的时间各有不同。快速原型后处理是指对采用快速成型加工技术生产的零件毛坯进行打磨、喷油等多道工序，最终拼接装配成完整部件的过程。而本文所述之模型和工具，仅对支撑结构和表面进行简单的处理即可使用，所以针对复杂模型的处理过程不再做详细阐述。

3 应用实例

3D打印技术，具有设计制作周期短，迭代更新方便、快速的特点。在本次设计制作过程中，从设计到使用耗时最短的仅需两个小时即可完成；而对于结构较复杂，零部件稍多的仪器状态标识，一套完整的模型从设计、制作到模型修正、迭代升级，再到最终打印实施，也只需花费几天，并且这些完全可以在业余时间完成。这些装置已在车间的设备及工具上投入使用，并获得很好的使用反馈。

紧急开关防护盖：根据两台仪器的不同情况，分别设计和制作了防护盖。在保证其防误碰的同时，也达到了外形美观大方、操作方便的效果，完全避免了人为误碰的现象。

合页：洁净车间内，对金属物品的使用要求较高。一般合页均为铁质，在经过长时间的使用后容易生锈，带来金属和粉尘污染，对产品带来失效的隐患。而使用3D打印技术设计制作的塑料合页，既实现了其功能，又能减少了金属物品的使用。

仪器状态标识：针对所在部门的设备自行设计，并量身定做了仪器状态标识牌，对共计9台仪器/设备全部进行了安装。该标识牌结构简单，但能够实现自定义仪器状态标识的内容；滑块拼图式的操作界面，能够轻松实现状态的切换，保证了标识和仪器实际状态之间的一致性。

操作工具部件：因该工具一个小立柱的意外损坏，对其功能及使用带来很多不便。经过实际测量后，使用3D打印机复制出一个同等功能的部件，恢复了该工具的正常使用，同时节约了资金和采购周期。

工装检验卡尺：由于某石英工装属于生产设备关键部件，对产品的品质起着至关重要的作用。每次该类部件到货，设备部门都需要对关键尺寸进行确认。由于缺少专业的切割设备，手工制作的卡尺在精度上无法保证。而利用3D打印机制作的卡尺，可以达到0.1～0.2mm的精度，且制作使用方便。

4 结束语

虽然3D打印技术已经完全可以实现功能性物品的打印，但是目前仍然受到打印材料、成型体积、成型时间等多方面的影响，而无法完全替代传统工艺。但是随着各界对3D打印技术不断深入的探究，相信这些问题终将解决。

本文通过基本的3D打印技术的应用，设计并制作了简单而实用的工具，将3D打印引入到日常的工作和生活中。希望借此起到抛砖引玉的作用，为我们在企业里快速有效地解决实际问题带来新的思路，并最终为企业带来更多效益。

参考文献：

[1] 余冬梅，方奥，张建斌.3D打印：技术和应用[J].金属世界，2013，06：6-11.

[2] 曾锋，阎汉生，王平.基于FDM的产品原型制作及后处理技术[J].机电工程技术，2012，08：99-102.