3D打印技术在机械行业中的应用

李文莲

(山东华宇工学院机械工程学院，山东 德州 253034)

1 机械行业发展现状

机械行业是一个国家的基础支柱产业，相较于国外对机械智能化、自动化的研究，我国仍停留在人工操作阶段，在技术层面上差距较大，这也导致在生产中需要消耗更多人力和财力。由于生产企业过多，市场竞争导致整个行业生产集中力降低，生产水平低下，严重阻碍了机械行业的发展。要加强对信息化生产的开发，促进我国工业化的健康发展。

机械行业存在着总体规模小、水平不高、结构不合理、体制改革和机制创新滞后等问题。现代制造服务业发展落后，已成为制约我国制造业加快调整产业结构、转变经济增长方式的重要因素。要加快发展生产性服务业，包括有序拓展金融服务业，培育壮大高技术服务业等，推动产业的快速发展。

我国工程机械行业内部子行业众多，产品覆盖范围广。未来，房地产行业和大型基建工程投资是工程机械行业两大主力消费市场，工程机械产品将进入新一轮更新换代周期。应强化品牌效应、规模效应，提升抗风险能力。

2 3D打印技术

2.1 发展历程及优势

1892年，J.E.Blanther申请了关于分层制造法制造地形图的美国专利(专利号473901)，这一专利标志着分层制造的开端。其后，近百年的时间内，关于分层制造的专利数增加到几百个，为3D打印技术的商业应用做了大量的准备。1984年，Bill Master获得了第一个3D打印专利US4665492A，专利名称是“计算机自动制造过程和系统”，这份文件在USPTO备案，是历史上第一项3D打印专利，为3D打印系统发展奠定了基础。

3D打印技术是利用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，把计算机上的蓝图变成实物。3D打印机可以随时随地生产，相比于传统制造，其应用极大程度降低了成本[1]。

3D打印技术具有七大优势：一是制造复杂物品，不增加成本。在常规生产中，目标的外形愈是复杂，其生产费用愈高。对于3D打印机来说，制作复杂的产品成本并没有上升，制作精美、造型繁复的产品花费的时间、技能和成本都要少得多。将来的生产费用将仅以原料及容积做为固定费用，可能不会再有开模、精磨等费用。二是无须组装。3D印刷业务可以实现零件的整体成形。传统的批量制造是基于装配流水作业，在现代化车间里，机械制造出同样的零件，再通过机器人或人工进行装配，组件的数量愈多则花费愈多的时间与费用。3D打印机可以在不装配的情况下，一次印刷一道门和其上的对应折页，省去装配，减少供应链，节约人力和交通成本。三是零时间交付。3D打印机能根据需要进行印刷，即刻生产降低了公司存货，可以利用3D打印机按照顾客要求来制作特殊或自定义商品，从而实现新的业务方式。如果人们需要的产品在附近，那么零点交货可以将远距离的运输费用降到最低。四是设计空间无限。常规的生产工艺和手工制品生产工艺限制了其成型的性能。比如，常规的木质机床只能生产原制品，而磨坊只能生产由铣刀片装配的零件，模具机床则只能模具成型。3D打印机能够打破这种限制，打开广阔的设计领域。五是零技能制造。一般手工艺人要经过数年的学习，方能熟练使用技艺。电脑操控的加工机械减少了技术需求，但常规的机械设备仍需要有经验的专家来调试和校正。3D打印机从图纸中获取不同的指令，制作出相同的产品，其所需的技术要求要比注射成型设备更低。无技术的生产开拓了新的业务模式，可以为人们创造出新的生产方法。六是材料无限组合。多材质3D印刷技术能够把各种原料进行整合，原来不能混和的原材料经过混合后会变成色彩多样的新型物料。七是精确的实体复制。扫描与3D印刷技术将提升现实与数码世界的形体转化解析度，人们可以扫描、编辑、复制实物物件，制作准确的复制或最佳原稿。

2.2 打印原理及过程

传统打印机的产物是平面图纸，使用介质是纸张，而3D打印机的产物是立体物品，介质是金属、陶瓷、塑料等材料。3D打印机的“3D”是将每个平面一层层叠起来，按照操作系统设定的要求，实现蓝图的实体化。3D打印过程是通过计算机建模软件建模，将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。

三维设计。标准的设计软件和印刷机的合作方式是STL文档。STL档案利用三角形曲面来逼近对象的曲面。PLY是一种由3D文档扫描的扫描仪，它所生成的 VRML和 WRL文档通常作为彩色印刷的输入文档。

切片处理。打印机用液体、粉末或薄板等物质在文档中阅读剖面的资料，用不同的方法把各个部分结合在一起，形成一个整体。在平面上，也就是在 X- Y方向上，由印刷机打出的横断面的厚度(也就是 Z方向)和在 X、Y的平面上的分辨率，用 dpi (象素/吋)或用微米来表示。通常的印刷厚度是100 μm，也就是0.1 mm，有些印刷机如 ObjetConnex和3DSystems′ ProJet，能够印刷出16 μm的单片。在平面上能达到与激光打印机同样的精度。“墨水滴”的印刷尺寸一般在50～100 μm。

完成打印。三维印刷机的解析度能满足大多数情况(曲面上的凹痕会变得更粗糙)，要得到更高清晰度的产品，可以采用以下方式：使用现有的3D印刷机将尺寸略大一些的物件打出来，进行轻微的抛光处理，使其具有平滑的高分辨率外观[2]。

2.3 发展前景

丰富的材料选择。3D打印材料从材料类型上可以分为金属和非金属。3D打印材料主要为金属材料，包括钛合金、不锈钢、铝合金及其他金属，占比超过40%；工程塑料ABS、尼龙、PLA等主流3D材料各占比在10%以上。在传统工艺中，金属材料由于其本身性能的限制，主要用于生产模具，但3D打印技术包容性更强，几乎任何材料都可以实现无膜化定制，产物质量相对更好。

图1 2021年3D打印材料价值量占比图Fig.1 3D printing material value quantity proportion in 2021

技术广泛应用。材料选择的丰富化可以推动3D打印技术在更多领域的应用。我国3D打印技术相较国外起步较晚，技术研发深度不够，实际应用经验不足，在短时间内并不能产生经济效益。因此，3D打印技术在各行业中的应用存在较大的局限性，3D打印行业应用占比如图2。随着科技发展，3D打印技术将在各行业中广泛应用。

图2 3D打印行业应用占比Fig.2 3D printing industry application proportion

标准的机构。当一间实验室作出了图纸，需要共享时，会发现有诸多格式和标准，因此，3D打印原型机需要统一标准。

开源的设计、配置和软件。当有了统一的标准后，3D 打印行业将会迎来开源。大多数的团队注重提高自身3D 打印水平，处于自我闭环发展。实际上，行业需要设备和软件的开源，在统一的标准下产生更多有用、高效、开放的创新。

原型机实验室。人们对原型机打印并不重视，目前，已有商业化运营的3D 打印实验室，来帮助企业打印出质量更高的原型机。

2.4 局限因素

工业印品可以用塑料、金属或陶器进行印刷，但是有些不能用来印制的原料则更加珍贵。目前，印刷术还不够完善。3D印刷技术在重构对象的几何结构和功能方面取得了进步，甚至可以印刷出所有静止的图形，但移动对象的清晰度却很难达到，3D印刷技术成本较高，还需进一步普及，克服机械设备的局限性。3D印刷技术可以任意拷贝，没有限制，需要完善3D印刷相关的法律和法规，保障其版权安全[3]。

3 3D打印技术在机械行业中的应用及优势

3.1 3D打印技术在机械行业中的应用

设计理念革新。3D打印技术可简化产品设计、加工过程和生产线流程，提升生产效率，提高产品质量。3D打印技术可以精确还原结构复杂的零件，保证其质量[4]。3D打印技术的核心是计算机程序，通过网络技术实现数据交互，从而实现产品成型。深化3D打印技术在机械自动化领域中的应用，能极大促进机械行业的智能化发展[5]。

3D打印增材。3D打印增材是在打印过程中持续放入原材料，以光固法和纸层叠法为基础的叠加原理，是产品成型的新技术。机械制造需要严密的计算和精确的数据，尽可能减小误差，提高产品质量。3D打印增材技术将数学应用技术融入其中，在保证输入数据准确的前提下，为产品的精确生产提供了良好条件。此技术已应用于航空航天载具的工具组件生产，不仅提高了成品质量，还降低了原料和时间投入[6]。增材制造可以减少生产过程中的材料浪费[7]。

与CNC技术融合。CNC技术也称减材制造技术，其工作原理是通过持续减少原材料，促使产品的生成。其与3D打印技术原理相反，将两者融合，可优化机械生产流程，有效解决数控技术无法完成的产品加工，节省原材料，杜绝浪费，保护环境，提高机械零件的精度和质量[8]。

3.2 应用优势

降低成本。相较于传统生产工艺，3D打印技术能有效缩短机械零件的生产准备时间和生产时间，可提高批量生产效率，保障产品质量，降低材料成本。当机械出现问题时，传统的检查方式需要拆卸机械，对内部受损零件进行更换或维修，采用3D打印技术可以精准定位故障位置，延长机械使用寿命，缩短故障维修时间[9]。

缓解产能过剩情况。由于产品同质化严重，如果质量不符合出口标准，将浪费大量资源，影响企业资金流动。利用3D打印技术可实现定制化生产，根据客户需求进行生产，生产周期短，效率高。3D打印技术便于机械产品设计，可有效缓解机械制造业产能过剩问题。

加快产品开发。产品的质量是判断机械行业水平的标准，传统工艺生产需要使用各种大型设备，如工装夹具和机床等，需要人工操作，不仅耗时还需要投入大量的人力和物力。在产品进入市场前，需要经过质量检测，待全部合格后才能批准进入市场，若存在质量问题就会被退回，自行修改或报废。传统工艺生产的产品容易出现质量缺陷，退回的产品无论是修补或报废都将造成较大的经济损失。在这样的状况下，机械厂就无法致力于产品的创新开发。3D打印技术的应用可减少质量缺陷，进一步提高生产效率和质量[10]。

推动行业发展。3D打印技术能将概念转换为实践，在设计过程中对概念产品的数据进行修改和调整，激发设计人员的创新意识，改变传统的制造方式，在更新产品的同时，还能缩短设计周期，降低成本，提升机械行业经济效益，推动行业发展。

4 结语

机械行业应推广应用先进的3D打印技术，提高生产效率和质量，降低成本，提升经济效益，促进机械行业的可持续发展。