3D打印的发展与制造领域可行性应用探讨

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(天津机电职业技术学院，天津 300350)

3D打印体现一种“降维制造”的思想，具体表现为三维电子模型转化为二维层片，然后进行分层制造，通过逐层累积形成三维实体。3D打印技术的发展依托于多学科领域顶尖技术支撑，主要包含有：信息技术、材料科学和精密机械。信息技术要求采用先进的设计软件与数字化工具；材料需要采用液化、丝化或粉末化形式；机械设备需要高精密、高稳定性。3D打印这一技术实现了从虚拟数字化实体模型到产品的直接转化，生产流程得到极大简化，研发周期大幅缩短，研发成本大大降低，实现了任意复杂结构零件的直接生产，这对面向产品性能的设计产生重大推进作用。在实际生产过程中3D打印技术可实现生产材料的“零”浪费。例如在模具制造传统生产工艺过程中，当接到客户订单后，制造商还需对接单项目例行进行评审，评审通过后制定出生产计划进度表，然后通过3D设计软件修正、有限元模流分析以及分型线、进料点的确定，最后反馈给客户定稿，客户认可后才可确定零件图后续生产，进而准备加工流程。其加工流程如图1所示。从图1可见，当采用传统的加工工艺进行模具制造时，一个合格的模具的生产，所需要的人力、物力成本较多，而且生产周期较长。通过对比工艺更加凸显出3D打印技术的优势。

此外，3D打印技术在工业领域应用中，可实现设计、创意与生产分开，减少库存的生产，相当于提供了新的商务模式。将互联网、物流网、物联网和3D打印技术组成社会制造的网络，民众可充分参与产品的全生命制造过程，必会促进具有个性化、实时化、经济化的生产与消费模式，最终形成新的产业革命。

一、3D打印在制造领域的发展现状

(一)3D打印技术市场规模

由QYResearch发布的《2017全球3D打印技术市场发展现状及未来趋势》数据显示，全球3D打印市场规模2012年为20.2亿美元，2013年为39.8亿美元，预计2017年将超过50亿美元。美国为最大的市场，占比37.5%，其次为欧洲，占比25.1%，日本占比约9.9%左右，德国占比为9.5%。此外，中国占比大约为7.8%。预计未来全球市场将持续25%左右的增速发展。据统计，预计 到2018年，全球3D打印行业整体收入将超过100亿美元，我国3D打印市场有望超过100亿人民币。

(二)3D打印技术在相关领域的应用

1.3D打印应用于复杂结构零部件制造。如汽车缸盖、同步器开发、燃气轮机叶片等，同时满足部分金属零部件的力学性能并与锻造件媲美。

2.3D打印应用于复杂模具制造。在3D打印的原型件协助下，可采用不同的工艺方法进行翻制模具，如硅橡胶模具、环氧树脂模具、石膏模具、砂型模具等；而这一优势在复杂模具的制造中凸显的尤为鲜明，如随形冷却水道，这是传统制造工艺方法难以实现的，也是3D打印技术在模具行业中得以应用的一大亮点。可使模具局部降温及快冷，优化模具零件排气结构，缩短成型周期。同时带来传统设计工艺理念也将发生“革命性”变更。

3.3D打印应用于非充气轮胎制造。目前，熔融沉积和选择性激光烧结技术可应用于非充气轮胎3D打印。其中，选择性激光烧结具备成型精度高，强度较大，在轮胎3D打印方面应用前景广阔。3D打印在非充气轮胎的成功应用，将引起的整个轮胎成型加工工艺技术的全面改革。此外，当前已实现使用FDM技术适用PPSF材料打印汽车轮胎样件。

4.3D打印应用于建筑业制造。如利用3D 打印混凝土这一全新的混凝土施工方式技术可以颠覆传统的建筑模式。未来将通过3D打印造出普通百姓都能住得起的房子。

5.3D 打印技术应用于军事装备制造。例如美国利用3D 打印技术辅助制造导弹的弹出式点火器模型，中国使用 3D 打印机与高强度钛合金粉末相结合完成了了歼-15舰载机起落架的制造和歼20改进，同时利用3D激光打印的歼20骨架。而美国现已经将3D打印机送入国际空间站。

二、3D打印在实际应用过程中存在的问题

(一)3D打印在模具生产应用中的问题

3D打印有效地减少了模具生产中的工艺流程，可从计算机图形数据中直接生成任意形状的零件，极大地缩短了产品研制周期。但在效率、精度、稳定性、品件大小等方面，这一技术还需要与传统机械加工方式做更多的对比。此外，对于模具制造行业而言，耗材价格程度情况，是必须要考虑的对象。主要表现为：

1.3D打印模具的零件尺寸受限。

2.3D打印模具制品的力学性能难保证。

3.3D打印技术在当前所能达到的尺寸精度和表面粗糙度还无法完全满足精密模具生产的设计要求，这是也成为限制3D打印技术在模具生产中的一个关键问题。

(二)3D打印在机械制造过程中的问题

当前3D 打印技术相对单一，效率低下。主要依赖激光作为能量源。而此技术尚未成熟，长期使用，其昂贵、维修难度大、技术应用复杂。此外，制造的过程中，打印精度和打印效率受工件厚度影响较大。3D打印技术原理导致其打印效率和精度相冲突，而且当前3D打印却无法同传统制造技术进行大批量零件生产。

(三)3D打印在材料应用中的弊端

当前国内3D打印中使用的金属粉末主要依靠进口。而且工业使用的3D 打印机价格非常昂贵，耗材也同样非常昂贵。当前消费类的3D打印材料种类较少，主要应用为POA塑料和ABS，但此类材料存在有害气体散发风险。无法完全满足当前工业领域的需求。而一次性对设备的投入和对昂贵耗材的购买将严重制约着我国用户使用3D打印技术。此外，3D打印技术在打印零件时，还无法实现根据零件的使用要求选材，这也就提升了制造成本。

(四)3D打印自动化控制系统有待完善

信息技术物化形态的计算机是3D打印技术发展的重要支撑。当前3D打印自动化控制系统还不够成熟。主要表现在计算机里面的三维模型构建还不够完美。

(五) 3D 打印技术缺乏统一的制造标准

3D打印供应商在材料一致性、制造标准方面存在差异性，3D打印机大多自带测量和打印软件，但由于软件为不同厂商各自开发，这将存在互换性较差的问题，且严重制约3D打印技术的普及与推广。

(六)3D打印影响专利权人权利

在智能化时代背景下，3D 打印技术已逐渐普及到家庭，然而大量的个人制造却严重威胁到专利权人的利益。对于CAD 文档提供者的间接侵权行为难以成立，这对我国现行专利保护制度提出了挑战。

(七)3D打印产业链缺少统筹发展规划

当前3D打印所需供应商、服务商体系和市场平台仍未完善，而且存在代理混乱问题。企业之间缺乏协调统一，沟通不足，主要局限于大型企业应用。

三、3D打印技术在未来发展方向

(一)快速修复

3D打印可应用于贵重部件的修复、延长关键零部件的使用寿命，降低设备维修成本。对紧缺或损坏部件直接打印对于大型、固定设备可实现现场维修。如航天领域中易损且造价较高的钛合金叶片。美国Optomec公司已成功利用3D打印技术实现了发动机壳体激光成形修复。

(二)快速制造

3D打印应用可解决客户对备件依赖性。减少客户库存量和备件资金占用。传统制造业中产品发货时往往需要配备一定数量的备件，随着产品更新换代，客户对备件数量要求不断提高，这也极大增大了产品成本。这就需要推进3D打印技术在金属零件直接打印方向的发展。在汽车领域大众实现了为老式汽车推出3D打印零配件。

(三)协同设计与私人订制

3D打印技术是一种生产方式的创新，在一定程度上解决了当下传统制造技术中的弊端以及其无法解决的问题。3D打印技术的应用能够满足消费者的定制化需求，随着互联网、智能物流、物联网技术的发展，将有望催化产生全新的生产模式和商业模式。

在通过图2可见，在这样的生产流程中，每一个节点需满足其下一个节点的需求，而最终由零售商满足消费者的需求，事实上消费者的消费需求却无法直接传导到生产商。随着当前互联网技术与理念的成熟，目前可以让消费者将消费需求直接传导给生产商、品牌商，乃至原材料供应商。3D打印技术的广泛应用，正好能够帮助上述信息的直接传达，从而产生直接的价值，即每个节点都可能直接为消费的需求负责，从而形成区别于传统“价值链”的“价值网”。当前，可用的3D打印原材料，在很大程度上也决定了对应可用的3D打印技术，从而决定了相关产品可应用的领域；虽然在有些领域也符合定制化、个性化等特征，但由于对应的原材料缺乏，无法在现有的3D打印技术下进行加工生产。

另一方面，未来“设计众包”模式有望兴起，从而推进3D打印技术的跨越式发展。有助于跨界领域人员协同设计，让消费者有机会参与到汽车、房屋、部件等设计的全过程。 推进未来产品个性化发展要求，促进产品新技术、多元化、网络化生产发展格局。

(四)“传统+”模式

3D打印技术与传统加工方法结合。基于3D打印技术短期内无法实现高精度工业制件，可以应用于工件的毛坯造型、砂型、制作样件等，并与数控加工结合获取成品，然后批量生产。金属增材—减材组合制造技术是当今3D打印领域的一个重要方向，如利用数控加工与3D打印技术的融合应用。目前可通过3D逐层增材成形，结合高速铣定层厚轮廓减材精整，实现复杂金属零件的高精度制造。

(五)逆向制造

逆向工程技术实现快速制造并实现批量化生产模式。逆向工程技术是采用3D扫描和3D 打印技术结合的方式，将已有实物模型通过三维扫描获取模型表面点云数据，经过曲面重构造型软件获取3D 数字模型，开展后续的计算机辅助分析与制造，从而实现产品的快速制造。对于产品升级、放大以及技术引进等具有重要意义。相关应用在汽车领域已经具备一定成熟性应用。

此外，在今后的产品引进吸收与产品大修过程中，也可采用此模式，借助扫描技术进行扫描采集相关产品数据，然后利用3D打印机，按一定比例进行创建打印，然后针对模型进行团队论证分析与研究。这有助于节省产品研发或设备维修诊断时间，对产品升级与改造具有重要意义。

(六)新材料、多尺度工艺结构设计

未来3D打印技术应研发用于工业生产、价廉质优以及零部件材料更具通用性3D打印材料。根据材料性能指标参数需求采用通用化分析，即可以通用或者统一采用性能更佳的材料，可以减少3D 打印机的数量和打印材料的种类。这在部分传统行业的工艺革命具有重要意义，如轮胎3D翻新，轮胎3D打印制造等新技术应用。

3D打印数据处理中的2D层面数据转换为样条曲线+光栅网格混合数据结构。此方法可有助于突破传统制造技术在层次复杂性、材料复杂性、功能复杂性上的瓶颈，在众多领域均有着繁杂高层次需求，这是3D打印技术未来发展的主要趋势。

四、 小结

3D打印利用精准的数字技术，通过多学科、多机构的协调创新了设计，解放了思维，丰富了生活，未来技术将更具经济性、适应性、实用性和创造性；3D打印受生产实践制约的主要因素在于形状与结构的复杂程度与批量大小。而这与材料、效率、精度的提升改进密切相关；3D打印同传统金属材料制造技术一样需要一个漫长技术积累和验证过程才能形成完善的标准体系。其可成为一种方法或工具实现对传统工业发展的有益补充；3D 打印将随着科技发展、交叉科学的应用，在材料、市场、操作性定能取得新的突破，未来将在相关制造领域朝着个性化、创新化和网络化发展，从而提高设计和加工过程的效率。这对未来创新技术的发展和创新人才培养具有实际意义；未来企业在研发新产品时，可以通过3D打印技术制造样品，然后利用传统制造技术实现批量生产。这样不仅可以改变传统制造中先做样品，然后优化设计进行修正，最后才大批量生产的步骤，还可以使传统制造的批量生产方式弥补3D打印存在的速度慢、制作终端产品成本高的劣势，有助于加快产品上市的时间，提高经济效率；今后应该正确把握3D打印在我国制造业中的发展方向，理性和科学的面对与发展，制定符合我国国情的发展道路，为我国“绿色制造”，可持续发展战略目标的实现发挥建设性作用。