浅谈3D打印技术与工业发展

张利成

摘要：近几年3D打印技术正在逐步进入工业时代，可快速批量加工高质量零件的3D打印技术正在逐渐替代传统制造技术。工业级3D打印机的发展推动着新产品研发、制造的快速变革，国内各行业需积极应用3D打印技术进行产品研发、制造，用需求拉动国内工业级3D打印技术的快速发展，使产品研发能力的提升与3D打印技术的发展相互促进，以免与国外产生差距。

关键词：3D打印技术;现状;工业发展

一、3D打印技术现状

3D打印（3Dprinting），又称增材制造、积层制造，可指任何打印三维物体的过程。3D打印主要是一个不断添加过程，在计算机控制下层叠原材料。3D打印内容来源于三维模型或其他电子数据，其打印出的三维物体可拥有任何形状和几何特征。3D打印是新兴的增量制造技术，是对传统减量生产的一种补充。3D打印技术发展如火如荼，我们一起来关注近期的热点事件。3D打印的突出优势：

1、降低制造门槛。个人只需在计算机中进行虚拟设计，由软件自动转化为中间文件，发送到3D打印机即可实现制造。用户无须掌握复杂的制造工艺和加工技能，大幅降低了制造业技术门槛。

2、便于制造复杂零件。由于3D打印的逐层加工、累积成型特点，制造几乎不受结构复杂度的限制，结合数字化设计，可轻松实现产品的个性化定制。传统的减材加工方法无法加工任意复杂的中空形状，此外减材加工中去掉的材料被浪费掉了。3D打印的方法无需刀具、模具，所需要工装、夹具大幅减少，生产周期大幅缩短，材料利用率大幅提高。

二、工业级3D打印技术对零部件设计的影响

零部件设计可利用软件仿真进行拓扑优化设计、点阵结构设计、性能分析评估，相比传统制造工艺可以更大程度地采用拓扑优化的计算结果，减重效果非常明显。面向传统制造工艺的产品设计需要根据加工能力分解为很多零件，金属3D打印技术的发展可以将很多零件进行融合设计，使零件数量大减，整体性能、可靠性大为提升，也减少整机装配的工作量。如一些多个零件拼装或焊接的箱体、液体流道、散热风道等，3D打印加工不仅节省拼装零件之间的密封材料、导电材料，而且流道、风道的截面设计、路线设计更符合流体力学要求，提升流动效率。功能和结构的融合设计，可对减震、防淋雨、散热、电磁兼容等功能进行创新性的结构设计，与零件结构融合设计，减少功能器件的使用。如防淋雨可以采取非密闭的外壳结构，设计为既能进气又能泄水的曲折、分支等复杂通道，与外壳结构融合设计，可以去除防水透气类功能零件，避免功能零件的失效对整机环境适应性的风险，而这类复杂结构使用传统制造工艺很难，甚至无法实现。如果进行零件和整机设计时综合考虑了增材制造特点与压铸或注塑模具的特点，就可以在小批量增材加工的同时进行大批量投产前的模具设计和制造工作，并行开展设计工作，节省模具设计、制造、试模、修模的时间，使产品更快上市。

三、工业级3D打印技术对产品研发流程的影响

面向传统制造工艺的新产品研发流程基本上只能串行，设计完成后等待加工装配后再测试，零部件多、设计时间长、加工时间也长，零件配合精度较差，零件装配、测试、试验有时会发现问题，而解决问题的时间也长，导致整个研发周期很长。而面向增材制造的新产品研发流程就会产生很多变化，有些工作可以并行开展，零件数量减少，设计时间和加工时间减少，也减少问题的发生，可以最大程度地缩短研发周期。详细分析整个研发流程如下：产品造型阶段可以快速3D打印多个不同的产品造型进行对比、评估、修改，能使造型和概念设计更完善、周期更短，为后期详细设计赢得更充足的时间，降低返工的可能性。样机阶段采用3D打印技术加工产品结构、部分电路板，能大为节省样机零部件的加工时间，从而可以有更充分的时间对样机进行各项测试，尽早发现和解决潜在的问题。小批试产阶段可以采用工业级3D打印技术快速生产出小批量的零部件，进行产品整机的流水线装配试产，完善产品工艺，使产品能更快地达到批产状态。正式批产（如模具设计、加工，物料准备等过程）的同时可以用工业级3D打印技术进行小批量的产品生产，以便配合产品发布、市场推广、客户试用等上市工作，使产品能更快地推向市场。

四、3D打印技术工业化发展方向

随着自动化、智能化、数字化的推进，3D打印迎来新动力，产业发展站在了一个新的起点上。目前，3D打印在珠宝、鞋类、工业设计、汽车、航空航天和医疗等领域获得了广泛的应用。日常生活中可以看到越来越多的鞋子生产商正在采用3D打印技术来制造鞋子、研发人员正在研究用于医疗器械或可供治疗的人体身体部位的打印器官、一座著名的建筑或者是一个简单玩具等，看到这些人们为之欣喜若狂。3D打印是通过采用层层累计材料的方式制造出新的几何外形零件，降低零件重量、提高强度，制造更轻、更耐高温的零件。

1、自动化。随着3D打印技术的成熟，重點将转向精简前后期制作流程。虽然3D打印生产工具和原型的大部分已经准备好几乎直接使用，但只需最少的精加工工作，但也有大量的终端部件需要复杂的精加工工艺。这不仅是劳动密集型的，而且是成本密集型的。采摘机器人技术的工业自动化具有通过减少后期制作时间和成本大幅提高效率的潜力。配合软件技术知识，我们设想一个自动化后期制作系统，确保可追溯性和速度，而不会过度依赖人工干预。软件也将在预生产步骤的自动化中发挥越来越重要的作用，正如模拟软件兴趣的激增，这主要是由于Metal3DPrinting的采用日益增加。尽管Metal3DPrinting已经证明了其节省时间和成本的巨大潜力，但由于构建造成的浪费材料的成本很快变得难以负担，我们预计仿真软件在失败发生之前预测失效方面将扮演越来越重要的角色。

2、融合。在过去的几年里，我们看到3D打印在供应链中的地位。凭借更快的交货时间和无工装生产，3D打印已被证明是传统上资源密集型应用的宝贵技术。这也导致了供应链更加精简，存货风险也更少。我们相信3D打印将通过两种方式稳步提高其在制造供应链中的价值：通过创建数字供应链来实现改变整个商业模式（如助听器和眼镜行业），并在现有供应链中更加融合。

3、合作。协作是将3D打印扩展到制造业的关键。不断增加的硬件，软件和服务提供商等现有参与者之间的合作将导致优化和易于集成的产品供应，这将推动采用。我们也期望看到3D打印行业与其客户之间的更多合作。共同创造创造了一个框架，可以将3D打印软件，工程和制造知识与客户特定的市场知识相结合，这是创新带来转型影响的真正动力。

4、金属3D打印。金属3D打印在降低成本和提高采用率方面正在迅速发展，2018年将在新技术方面取得进展，并对已有技术进行改进。我们相信Metal3DPrinting永远不会取代传统制造业但作为一项免费制造技术，其地位正变得越来越重要。展望未来，在解决特定制造难题和创建定制化，复杂的最终用途产品时，金属3D打印将变得越来越必要。

结束语

随着工业级3D打印技术的不断发展、普及，企业需要在产品的策划、设计过程中不断增加增材制造的考量、尝试，使产品战略、设计思维、人员组织、制度流程和供应链等各方面都能逐渐适应增材制造带来的变革。对企业而言，这些变革不可能一蹴而就，需要在各方面进行规划布局，不断尝试，总结经验，才能形成适合企业、适合产品特点的增材制造发展路线。

参考文献

[1]周伟国.3D打印技术[M].北京：科学出版社，2017.