3D打印技术对机械制造业的影响分析

姚清

摘 要：3D打印技术（Three Dimension Printing，3DP）是一种新型的制造加工技术，给传统的制造业带来了不可估量的影响，将能从根本上实现传统制造向智能绿色制造的转变，因此在机械加工领域受到了越来越多的重视。本文主要分析了3D打印技术原理和优势，并着重探讨了3D打印技术对机械制造业的影响，以期为促进我国制造业可持续发展提供一定参考。

关键词：3D打印技术；机械制造业；影响

中图分类号：TH16 文献标志码：A

近年来，我国机械制造业加强了对新技术的研究与应用，实现生产的智能化、信息化和自动化。理论和实践研究发现，3D打印技术能够为制造业的发展带来新的机遇和挑战。3D打印技术就是通过软件设计程序，利用数字化工具，通过互联网技术进行共享与传递，进而依靠本地化生产方式完成生产制造，该技术能达到缩减成本、减少污染，满足用户个性化需求等目的。从长远来看，3D 打印技术堪称制造业的革命武器，将推动我国机械制造业迈上新的台阶。

1 3D打印技术的原理及技术特点分析

1.1 3D打印技术的原理

3D打印技术被认为是最近20年来世界制造技术领域的一次重大突破，其是产品快速开发和柔性制造技术的结合体。3D打印技术也称 “三维打印”，属于快速成型技术的一种。该工艺是由美国麻省理工学院Emanu-al Sachs等人研制，它是以三维数字模型为基础，基于离散堆积原理，采用陶瓷粉末和金属粉末作为黏合材料，通过逐层打印叠加的方式打印三维实物。3D 打印技术通过计算机进行成型模拟，整个工艺过程无须专用工具，工艺规划简单，制造速度快于传统方法，能够用最快的速度实现模型的展现，极大地减少了传统制型所使用的材料及模具等。当前世界科技发展以“数字化”为核心理念，3D 打印技术拥有良好的发展前景和应用价值，应用范围非常广泛，最先应用于制造锻造用的模具模型，经过近些年的快速发展，除应用于设计模型、功能制造模型、实验分析模型外，还可广泛应用于航空、医疗、建筑、艺术行业。根据国家工信部估算，预计到2020年，3D打印技术将会达到50亿美元的产值规模。3D打印技术在制造业的投入使用，将对机械制造业的发展起到显著的提升作用，而伴随着信息技术、CAD技术、材料技术和计算机技术等日新月异的发展，未来3D打印技术必会将制造业推向更高的层面。

1.2 3D打印技术的特点及常见工艺

3D打印技术具有如下特点：第一，数字化制造，利用CAD模型直接驱动，实现实体零件数字化；第二，个性化快速制造，加工制造过程中不需要专用夹具或工具以及人工干预，设计制造全程自动化、智能化、一体化，可以开展个性化定制加工；第四，直接堆积加工，逐层打印、层层堆积的生产模式只需一台打印中心，没有拼接组装过程，产品均匀度和精确度比较高。3D打印工艺有很多种，比较常见的有熔融沉积制造（FDM），其优点是成本低、操作简单、加工体积小巧，不足之处是凝固成型的实体表面的结合部位轻度不高，且易出现明显裂纹；分层实体制造（LOM）的优点是成本低、产品成型率高，不需要填充材料，不足之处是产品表面质量不高，材料浪费较大；立体光刻（SLA）的优点是材料利用率高，产品质量高，表面光滑，不足之处是成本高，产品实体受光照影响易分解；选区激光烧结（SLS）的优点是原材料种类多，产品机械性能佳，不足之处是制作成本偏高，粉末成型度有待进一步提升。

2 3D打印技术对机械制造业的影响

2.1 使机械制造业的格局发生调整和变革

3D打印技术使得无须采用机械加工的方式就能直接通过计算机数据“打印”不同形状的物体，智能化、定制化、生态化特征显著，其使机械制造业发生了革命性变化，加工制作的生产成本得到大幅降低，产品设计、制作的周期大幅缩短，加工异形产品或复杂形状产品变得更加容易，真正实现了降本增效。如果将该技术普遍应用到机械制造业，那么机械制造业原有的生产加工线将成为历史。尽管当前已利用3D打印进行整机生产，但还未能得到广泛应用，相信随着3D打印技术的发展，该技术必将会对工程机械现有格局产生重大影响。同时，也将会对零配件供应带来深远的影响。例如，装载机用户在采购机械产品时，需要综合考量机器自身质量、配件供应等各种情况，如果生产厂家在某地区未设立大规模配件库，将会无法在该市场占据满意的市场份额，但利用3D打印技术，此问题就可迎刃而解，配件供应无须实物运送，通过信息传输就能实现供货。3D打印赋予机械制造生产分散性特性，可以拓展生产厂家的市场空间，增强其核心竞争力，提升用户满意度。

2.2 推动机械制造业创新发展

3D打印技术能够快速完成原型制造，高效地将概念产品化为现实产品，而且在此过程中，还能及时对设计进行修改和调整，将能从本质上改变传统的产品生产组织形式，削弱传统型大规模产品生产优势，推动集中式的生产朝分布式生产转变，从而为中小企业带来发展的春天，进而激发机械制造业的创新能力。3D打印技术能激发设计人员的创新意识与能力，提高传统机械制造业产品的更新速度。缩短产品设计周期，降低设计成本，扩大制造企业的经济效益。人力资源需求量大且成本比较高，是机械制造业面临的瓶颈问题之一。一旦3D打印技术在机械制造业实现普及，机械制造的智能化和自动化水平将会得到大幅提高，一些模型机械的焊接、切割等流程的生产时间和成本就会得到降低，难加工材料的可加工性也会得到相应地提升，从而就可以在保证产品质量的同时，有效降低人力成本的投入。

2.3 有效緩解机械制造业产能过剩问题

产能过剩的问题是我国传统机械制造业比较普遍的问题，尤其是钢铁等行业的产能过剩问题更加突出。在2008年金融危机后，汽车和机械等高科技产业也开始出现了产能过剩的问题。产品同质化严重，虽然在价格上具有一定的优势，然而质量上达不到出口的标准，国际竞争能力比较低，国内需求又很难消化这么多的产品，在这种情况下，不仅浪费了大量的资源，也因产品积压和库存量大影响了企业的资金流动，降低了企业的资金利用效率。从具体实际来看，传统的机械制造技术经由大规模生产与系统设计，增加了商品的经济性，提升了使用的便捷性，可迎合大部分需求，但无法实现定制化生产，与此不同的是，3D打印技术可以实现定制化生产，根据客户的需求来进行有针对性的生产，而且设计与制造周期短，生产效率高。3D打印技术提升了机械产品设计的便捷性，可以在本地范围开展生产，经济与环保效益显著，可以有效缓解机械制造业产能过剩问题，避免产品积压和资源浪费。

结语

综上所述，随着科学技术的发展，3D打印技术也会不断地发展进步。将3D打印技术应用到机械制造业，将会推动机械制造业朝着自动化、现代化和数字化方向发展，实现技术上的创新，优化机械制造布局，节省物力和人力资源，开创机械制造业的绿色的制造模式，使机械制造业迈向新的台阶，进而提高我国机械制造业的实力。

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