3D 打印技术的应用及产业化发展研究*

2021-01-06姚层林

化纤与纺织技术 2021年5期

姚层林

武汉商学院，湖北武汉 430056

对于3D 打印技术的应用，最关键的基础为数字模型文件，通过一些可黏合材料例如粉末状金属或者塑料等，借助逐层打印的形式对物体进行构造，其最大的特征是精准度高、效率高。该项技术也是非常关键的增材制造技术，已经广泛使用在当前的工业生产中，可有机融合多项工艺，提高生产效率及质量。但是该项技术还有很大的提升空间，仍有一些问题存在，对产业化发展的进程造成了阻碍。例如，工业打印机装备非常昂贵，设计理论还不够完整，等等。因此，要对3D 打印技术的应用和产业化发展进行详细的探究和分析。

1 应用3D 打印技术的优势

1.1 传统加工的缺陷和不足

现今，对于切削加工方面，人们掌握的加工技术有了很大的突破和进展[1]。21 世纪，在工业当中对产品提出的要求非常严格，不但要缩小产品的体积，还要提升结构的复杂程度，因此要不断完善现有的加工工艺，使其满足未来产品制造和研发的需求。此外，受持续发展策略的影响，每个行业都在追求节能性、环保性。切削加工的使用会浪费很多材料，因此需要将其改进，使用更加现代化和系统化的技术类型，以弥补市场空白。

1.2 3D 打印技术的应用优势

对比之前的加工制造技术，3D 打印技术有更多的优势。（1）可以打印完成非常烦琐的复杂形状。因为三维软件的有效应用能够设计出十分复杂的形状，所以对于3D 打印技术的使用有着广泛的范围，可实现多种结构的设计，也能完成形状非常复杂的零件制造[2]。（2）可针对全彩色、功能梯度和异质材料进行处理制造。（3）实现多层次的打印。3D 打印技术具备传统加工技术无法达到的尺寸精度，例如细胞打印和原子打印，这样的技术结合了宏观和微观层面。（4）功能十分丰富并且全面。对复杂结构零件进行加工和制造时，通过该项技术可以整本直接打印，将零件拆分制造后，节省了焊接过程，不但使加工制造效率有所提高，还规避了不同零件衔接不了所产生的质量问题。此外，节省的装配环节将有效降低工作量和生产成本。

3D 打印技术对虚拟数字化实体模型进行了转换，使其成为产品模式，有益于生产效率的提高，并降低研发成本，还使整个生产过程的工作量下降。因此，3D 打印技术可以广泛应用在复杂零件的生产中，为实现产品设计的多样化奠定重要的基础。

2 3D 打印技术的工业应用现状

在各个行业中，对于3D 打印技术的使用已经开始普及，其有效结合了传统工业制造工艺，从而使生产效率得到提升。

2.1 3D 打印本体成型

在汽车和飞机制造行业中，很多零件的生产都有相同的特征，例如生产车灯、保险杠、挡风玻璃等设备都具有的共同特征包括看似外观比较简单，但需要的生产工艺烦琐，特别是制作圆弧时，会花费大量的材料，并耗费一定的时间。这些问题会导致生产效率难以提升。现在，通过3D 打印技术，针对大型复杂的零件可以开展整体制作，并使关键零件的制造速度加快，有益于提升工业零件生产的效率。此外，利用计算机便可以开展编辑作业，将其与碳纤维复合材料结合之后，便可实现汽车或者飞机外部设施制作整体打印成型的效果。根据统计的数据可知，3D 打印技术针对器件开展加工作业时，温室气体的排放会有所减少，这是因为3D 打印技术中使用的器件与传统器件相比有很大的不同，并不需要较多的材料，所以建材减重得以实现，有益于可持续发展的推进[3]。

2.2 3D 打印结合传统工业制造

3D 打印技术结合传统的铸造工艺时，可以有效提升传统铸造工艺的效率，为工业制造创造更加理想的发展前景和空间，为我国航天事业、国防事业等生产大型零件奠定扎实的基础。例如，某企业在制造工业零件时应用了3D 打印技术，通过该项技术完成了坦克漩涡盘的加工作业。在引入该项技术之前，企业采用的加工方式为老式熔模铸造，先通过模具对蜡膜进行制造，之后利用铸造工艺完成加工和成型，过程比较复杂，需要花费一定的时间和人力、物力。在应用3D 打印技术之后，可以直接制造蜡膜，使得时间和材料有所节约。在制造汽车配件时，针对发动机外壳的生产，由于其结构非常复杂，以往的工艺是需要先分造，之后再焊接才能完成外壳的制造。但是，通过3D 打印技术，可借助CAD 软件对发动机外壳的参数加以分析，做出仿真模拟，通过直接整体打印的方式制出熔模，然后进行整体浇筑即可，整体质量会减少30%左右，也使得焊接潜在的隐患有所降低。

3 3D 打印技术的产业化发展措施

与传统加工技术相比较，3D 打印技术的使用有着更加突出的优势和特征，因此该技术已经成为制造体系中非常关键的部分，涉及的领域包括制造业和加工业等。

3.1 3D 打印技术在整体成型工业中的应用

针对大型工业制造，很多关键的零件结构非常复杂，并且形状各异，如果只是通过传统的技术进行加工，不但没有较高的效率，还无法保证精准程度。现在，通过3D 打印技术可以高质量地开发和制造关键零件，例如，在汽车制造中借助3D 打印技术，能够灵活调整汽车壳体的各项参数，使得复杂的汽车轮廓生产有了更充足的条件。同时，在直接成型的复杂高性能塑料材料当中也会应用3D 打印技术，例如美国的战斗机管道系统，在生产制造时便对该项技术进行了应用。该技术的环保性也非常突出，传统技术有时候会产生大量温室气体，对四周的环境造成不良影响，但是这一技术能够有效控制温室气体的排放量。

3.2 3D 打印技术结合传统制造工艺的使用

在航天航空制造方面，很多零件的开发和制造都会使用3D 打印技术，并结合传统的铸造工艺，因此即使是非常烦琐的异形零件，对其生产时也能实现高效和低成本的目标。例如在制造坦克时，涡轮盘制造需要采用熔模铸造的形式，操作方法为借助模具对蜡模进行制造，之后通过铸造工艺完成加工内容。3D 打印技术可以简化该过程，并不需要模具便能完成蜡模的制造，不但降低了成本，还提升了生产效率。此外，在6 缸柴油发动机缸盖中也对该项技术进行了使用，使整体成型得以实现。

3.3 3D 打印技术与传统模具的有效应用

很多工业在生产中对精密度的要求非常严格，一般需要使用的模具非常繁杂，且制造过程中需要耗费较高的成本，花费大量时间和精力。在现在的模具制造中，应用3D打印技术可以有效解决传统生产出现的很多问题。例如，传统模具制造工艺中的冷却模具工序十分关键，一般应用的方式为打直孔。但该项方法并没有较高的冷却效率，效果也不够理想。为了使产品的生产效率和质量得以提升，对于注塑膜冷却工艺的探索仍在不断进行。目前，使用最普遍的为随形冷却流道。通过3D 打印技术，可以有效获取随形冷却模具镶块，取得的冷却效果十分理想，还能对产品缺陷率进行控制。

3.4 3D 打印技术结合传统热等静压工艺的使用

以往使用的热等静压工艺需要满足的环境为高温、高压，才能使粉末材料完成致密化的效果，在铸件致密化处理中有着广泛应用。现在，将该项技术结合3D 打印技术，可以实现零件的整体加工制造，并使其性能大幅度提升。在具体实施中，有些零件的要求非常特殊，需要对3D 打印技术进行应用，使其复杂的外观结构得以制作完成，之后将异质粉末材料添加至其中，通过热等静压工艺可以使两者的衔接有效实现。3D 打印技术与传统热等静压工艺的充分结合在航空航天领域有着广泛的应用，例如生产航天器外壳，通过两项工艺的结合，使以往加工时存在的困难和问题得到了有效解决。