3D打印技术在机械制造领域中的应用研究

高军

摘  要：基于3D打印技术发展过程中存在的问题，为促进3D打印技术在机械制造领域的更好应用，提出发展对策与建议：加强3D打印技术研发，促进机械产品量产;降低3D打印机价格，解决购买成本过高、部分机械制造企业3D打印接受度不高等问题，采取措施提升创业者基于3D打印技术创业的信心。

关键词：3D打印技术;机械制造;量产;价格;创业信心

中图分类号：TH162      文献标识码：A    文章编号：2096-3769（2020）05-043-04

一、 3D打印技术及其政策发展背景

（一） 3D打印技术的内涵

3D打印为快速成型技术的重要分支，业界又称之为“增材制造”或“快速成型技术”，被誉为第三次工业革命最具标志性的生产工具。3D打印技术是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术将如下技术有机融合在一起：即数字制造技术、先进材料技术、信息网络技术等，俨然已逐步发展成为“工业4.0”的核心制造技术之一，必然会给传统机械制造业带来一系列变个性的影响[1]。加快3D打印技术发展，对推进我国机械制造业的转型升级与发展具有极为重要的意义。

（二） 3D打印技术的政策发展背景

目前，世界工业强国纷纷将3D打印技术作为未来产业发展新的增长点加以培育，制定了发展3D打印技术的国家战略和具体推动措施，力争抢占未来科技和产业制高点。例如，美国“国家制造业创新网络”计划，将3D打印技术作为主要支持领域;欧盟“第七框架计划”为数十个3D打印技术联合研究项目提供支持等等。

与此同时，我国近年来不断加快转变经济发展方式和产业提质增效升级，推动以3D打印技术等先进技术改造提升传统产业。例如，国务院发布的《中国制造2025》提出加快发展3D打印技术在内的智能制造装备和产品以及制造过程智能化，加快增材制造等前沿技术和装备的研发。工信部等三部委发布《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》，提出“把培育和发展3D打印技术产业作为推进制造业转型升级的一项重要任务，加大政策引导和扶持力度，营造良好的发展环境，促进3D打印技术产业健康有序发展”，并制定了材料、工艺、装备、标准、示范等5个方面的具体推进计划。科技部《国家高技术研究发展计划（863计划）以及国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》也将3D打印技术首次列入国家重点扶持领域。北京、江苏、浙江、福建、四川等省市也纷纷出台促进3D打印技术发展的推进计划、实施方案、路线图、工作意见等，加快3D打印技术科技创新、行业应用和产业发展[2]。

除此之外，广东省也将3D打印技术列为省重点培育和发展的战略性新兴产业，并发布《加快3D打印技术和应用产业发展实施方案》等系列文件，提出以产品示范应用为核心，以重大项目培育为抓手，逐步提升全省3D打印技术创新能力和产品应用水平。组织实施重点领域3D打印技术应用示范工程，完善技术创新和公共服务平台体系，在关键技术研发和储备、产品示范和应用推广等方面取得突破，建设一批省级以上创新平台，积极打造全球重要的3D打印技术应用产业集聚地，推动现代产业发展和传统产业转型升级。

二、3D打印技术在机械制造领域中的应用现状

（一） 3D打印技术在机械制造领域中应用取得的成绩

与传统技术相较而言，3D打印技术具有打印过程更快、更便宜、更安全等典型特点[3]。研究表明，金属3D打印的成本也相对较低，仅为传统机械制造技术成本的十分之一左右，且在很多方面的性能优势更强。正因如此，3D打印技术早已在机械制造领域中应用。目前3D打印技术在机械制造产业领域中应用取得的成绩主要表现有：

1.大幅提升机械制造成品率

众所周知，传统机械制造生产必须经过设计、模具、造型及浇注等诸多工序，制造过程极为复杂。如若制造一些小型且结构复杂的铸件，成品率也相对较低。一般而言，其成品率往往只能达到20～30%。将3D打印技术应用于机械制造当中，可大幅提升机械制造成品率，有些机械制造成品率可达100.0%[4]。

2.可切实确保产品的质量

运用3D打印技术提升机械制造成品率仍远远不够，在此基础上还应切实确保产品质量。这一点，3D打印技术也完全能够做到。在打印机械零件产品过程中，所用材料包括铝、钴、铬、铜、不锈钢、钛和钨，打印出来的机械零件产品为致密的烧结金属，其材质不仅具有更高的强度和硬度，同时还具有较强柔韧性[5]。总而言之，3D打印技术可切实确保机械零件产品的质量。

3.助力机械制造的产业发展

3D打印技术在机械制造领域中的应用可有效助力机械业的产业发展，这一点毋庸置疑。例如，2018北京车展，XEV制造的首款量产3D打印电动车LSEV正式亮相。由于3D打印技术的科学应用，电动车LSEV在整个生产制造过程中不仅不用模具，也无需焊接、冲压等步骤，整个打印周期所需时间仅仅只为传统汽车制造的三分之一左右。

（二）3D打印技术在机械制造领域应用过程中存在的主要问题

随着3D打印技术的广泛应用，未来必然会影响整个机械制造产业格局[6]。发展至今，3D打印技术在机械制造领域中的应用虽取得一定成绩，但问题也随之产生，主要有：

1.传统3D打印速度慢，限制量产可行性

业内人士均明晰，3D打印技术如今并未在机械制造领域得以广泛应用。原因为传统3D打印速度过慢，限制了量产的可行性[7]。从本质上，3D打印技术原理并不復杂，不过要让材料、软件及硬件做到完美协同，快速生产机械零件产品，需要在技术研发方面加强投入。在与一名机械制造企业负责人进行交谈时，他说到：“3D打印技术应用于机械产品制造是可行的，但依目前的3D打印技术而言，由于打印速度过慢，因此还远远无法满足量产的需要。”随着3D打印技术的持续不断发展，相信在不久的将来，其打印速度必然会在保证质量的基础上越来越快，为机械产品的量产提供保障。但是此过程究竟要经历多长时间目前还是个未知数。

2.3D打印机成本高是必须解决的关键点

应用3D打印技术生产机械零部件产品需要依托3D打印机，但目前市场上能够用于机械零部件产品打印的3D打印机价格不菲，机械制造企业购买少量3D打印机用于加工少量机械零部件还是可行的，但如若大规模应用于生产，显然会给企业运营增加巨大经济负担。正因如此，目前很多机械制造企业不得不放弃购买3D打印机用于机械零部件生产。在对23名机械产品制造企业负责人进行问卷调查时，100.0%的人认为目前可用于机械零部件生产的3D打印机价格过高。

3.部分机械制造企业的3D打印接受度不高

3D打印技术再先进，也需要有机械生产制造企业应用才具有价值。在实地调查走访过程中了解到，目前只有一些大型机械生产制造企业对3D打印技术表现出浓厚兴趣，部分中小型机械生产制造企业对3D打印技术的接受度相对较低。之所以产生此种情况，主要缘于这部分机械生产制造企业对3D打印技术应用于机械制造的优势并不了解。在部分机械生产制造企业眼中，3D打印技术只不过是“花架子”，远没有传统机械生产制造技术来得可靠。此种情况的存在对3D打印技术在机械制造产业领域的推广与普及显然不利。

4.创业者对基于3D打印技术创业信心不足

在3D打印技术快速发展且在机械生产制造领域得以有效应用的大背景下，创业者基于3D打印技术在机械制造领域创业无疑是一大良好机遇。但由于诸多方面原因，创业者对基于3D打印技术创业的信心普遍表现不足。在对即将着手在机械制造领域进行创业的部分创业者进行访谈时发现，他们对基于3D打印技术创业表现得非常迷茫。这种情况在某种程度上亦会影响3D打印技术在机械制造领域中的应用。

三、促进3D打印技术在机械制造领域得以更好应用的对策与建议

基于3D打印技术在机械制造领域应用过程中存在的上述问题，为促进3D打印技术在机械制造领域的更好应用，提出如下发展对策与建议：

（一）加强3D打印技术研发，促进机械产品量产

3D打印速度过慢限制了机械产品量产，为解决此问题，未来需进一步加强3D打印技术研发，从而更好促进机械产品量产[8]。为实现此点，我国政府应制定相关方面的政策措施，鼓励3D打印技术研发机构、高校及相关企业加强技术研发，提升3D打印速度。具体可采取如下措施：第一，构建3D打印技术的新型创新载体。构建全新的3D打印技术创新生态网络，是全面促进3D打印技术创新的重要途径。面向3D打印技术创新发展的重大需求，可积极借鉴发达国家的战略部署和成功经验，以孵化器、加速器等创新载体建设为途径，搭建3D打印技术公共服务平台，促进3D打印技术的创新研发。同时，还应打通技术、商业、资本之间的分割与壁垒，构建新型3D打印技术创新孵化平台。第二，给予3D打印技术创新更多的财政支持。对于致力3D打印技术研发的机构、高校及相关企业，政府可考虑从财政中拨付一部分资金，用于支持和鼓励其加强3D打印技术研发。当3D打印技术愈发趋于成熟与完善后，打印速度不断提升，运用3D打印技术规模化生产制造机械产品也必然会成为现实。

（二）降低3D打印机价格，解决购买成本过高问题

可用于机械零部件产品生产的3D打印机价格过高同样不利于机械零部件产品的规模化生产，很多机械制造企业均会因为3D打印机价格过高望而却步。所以，未来还需加强3D打印技术研发，降低可用于规模化生产的3D打印机生产成本。但短时间内降低3D打印机成本并不现实。最可行的是：政府为可用于机械零部件生产的3D打印机生产企业提供补贴，如同之前的新能源汽车补贴一样，通过补贴降低3D打印机售价。除此之外，还可以对购买3D打印机用于规模化生产机械零部件产品的企业，实施现金补贴和税费减免。例如，可规定购买3D打印机达到一定数量后，减免相关企业的税费。此做法可变相降低机械制造企业的3D打印机购买成本，利于激发其购买3D打印机用于机械零部件产品规模化生产的积极性。在国家大力鼓励发展3D打印技术的大背景下，随着3D打印技术的愈发成熟，可用于机械生产的3D打印机售价也必然会逐步降低。

（三）解决部分机械制造企业3D打印接受度不高问题

为促进3D打印技术在机械制造领域的更好应用，还需提高部分机械制造企业对3D打印技术接受度。具体可采取如下措施：第一，政府构建3D打印技术示范中心，邀请机械制造企业参观体验。3D打印技术示范中心下设四大中心：（1）模型设计中心：提供3D打印创新设计、产品优化、快速原型、模具开发等服务。（2）加工服务中心：提供3D打印产品定制、批量生产服务。（3）检测中心：提供3D打印模型检测、产品检测等服务。（4）展示体验中心：提供3D打印技术、产品展览展示和应用体验。通过参观体验，机械制造企业可零距离体验3D打印技术的优势，建立应用3D打印技术生产机械零部件产品的信心。第二，定期或不定期举办3D打印技术行业座谈会，并积极邀请机械制造企业负责人参加。通过座谈会对更多机械制造企业负责人产生影响，提升3D打印技术的接受度。第三，可组织部分机械生产制造企业到国外参观访问，了解国外机械制造企业应用3D打印技术的现状。通过上述举措的综合应用，必然可有效提升机械制造企业对3D打印技术的整体接受度。

（四）采取措施提升创业者基于3D打印技术创业的信心

第一，政府构建创业苗圃。依托共享研发设备和应用服务体系，培育基于3D打印技术的机械制造产业链创业企业，为其提供集办公设施、产品开发支持、孵化服务等功能为一体的创新载体，具体可包括：办公场所与设备;研发设备与技术支持、产品定制与批量生产;创业咨询及代办、创业辅导，以及项目路演、风投基金对接活动等服务。除此之外，还应重点聚焦3D打印技术在机械制造领域应用的关键环节，打造如下四大创业苗圃即，模型設计软件苗圃、新型材料苗圃、制造工艺技术苗圃、增材制造行业应用苗圃。第二，成立3D打印技术天使基金。在加速器内孵化和培育3D打印技术软件、材料、工艺、机械制造行业应用等领域的科技创业企业（成立天使基金的目的是通过投资更好地培育基于3D打印技术的机械制造领域创新企业，重点不在于盈利。但是，天使投资本身的收益也很可观，据统计，国内一半以上天使投资回报率在30%以上，18%的天使投资回报率超过200%。）。有了创业苗圃和天使基金的大力支持，创业者基于3D打印技术在机械制造领域创业的信心必然会不断增强。

参考文献：

[1]杜惠斌，宋国立，赵忆文，韩建达.利用3D打印标定球的机械臂与RGB-D相机手眼标定方法[J].机器人，2018（6）：27-30.

[2]徐春荣.在机械制造领域中3D打印技术的应用探析[J].电子元器件与信息技术，2019（9）：20-23.

[3]谢冬冬，张磊刚.基于3D打印技术的机械教学模型制作研究[J].机械工程师，2017（5）：10-12.

[4]王智昊.3D打印技术在机械自动化领域的应用[J].电子技术与软件工程，2018（1）：4-7.

[5]董莘，赵寒涛，吴冈.铸造砂型3D打印技术的对比与应用分析[J].自动化技术与应用，2019（11）：25-28.

[6]夏端武，薛小凤.3D打印技术对机械制造业产生的影响[J].机械设计与制造，2016（12）：184-186.

[7]段望春，高佳佳，董兵斌，李研，刘少伟，楚珑晟.3D打印技术在金属铸造领域的研究现状与展望[J]. 铸造技术，2018（12）：18-22.

[8]周玉环.3D打印技术对机械工程的影响探析[J].企业科技与发展，2018（11）：78-80.