惠普3D 打印介绍及在制造工程的应用研究

孙文虎 刘雷 宋涛

惠普打印机（山东）有限公司 山东威海 264209

1 惠普3D 打印介绍

1.1 惠普3D 打印概况

惠普是全球生产工业级塑料和金属3D 打印的领先解决方案供应商，为包括宝马集团（BMW）、耐克（Nike）、捷普（Jabil）、强生（Johnson & Johnson）以及其他全球领先企业的高效业务运营提供了技术支持，他们都在使用惠普3D 打印技术为汽车、航空航天、医疗保健、消费品和其他行业应用生产模型和零部件。此外，惠普也在北美、欧洲和亚太地区不断拓展其数字化制造合作伙伴[1]。

由于其良好的打印质量以及超高的制造效率，惠普3D 打印技术在生产制造、医疗、汽车、消费品等领域有着很多的应用。2017 年仅一年内，利用惠普技术3D 打印的零件就有150 万个，其中有50%用于最终用途。在最新的全彩惠普打印机里有140 多个零件，都是惠普自身的设备打印出来，直接进行组装的。惠普也把3D 打印机称为“能把自己打印出来的打印机”。

惠普最早推出的塑料3D 打印机MJF4200/3200，以及2018年推出的全彩打印机MJF500/300，都是基于射流熔融技术。其中全彩打印机是3D 打印行业的第一款“使制造商能够生产全彩色的工业级功能部件”的3D 打印机，定位是功能性原型设计。对于医疗、汽车、消费品或其他行业的用户来说，全彩3D 打印的应用会为他们带来研发效率的巨大提升[2]。

1.2 惠普3D 打印重要里程碑

2017 年6 月13 日，惠普在中国推出商用3D 打印解决方案，发布两款商用3D 打印机 MJF4200/3200，加速制造业转型升级。

2017 年8 月24 日，惠普和德勤宣布共同推动全球12 万亿美元制造业的数字化转型。

2017年11月，惠普推出全新Jet Fusion3D4210打印解决方案，以更广材料组合加速3D 制造产业发展。

2018 年3 月21 日，惠普3D 打印解决方案携手春立医疗，首次进入中国手术导板制造领域。

2018 年6 月，惠普联合广东（大沥）3D 打印协同创新平台宣布亚太及日本地区最大规模工业级3D 打印部署。

2018 年9 月11 日，惠普推出批量化生产金属3D 打印技术，加速第四次工业革命到来

惠普打印机（山东）有限公司（HPPS）作为惠普在中国的唯一自营打印机工厂，2018 年购买了1 台MJF4200 打印机，10 月成立了“3D 打印应用实验室”，开始深入探索研究3D 打印在制造工程中的具体应用。

1.3 惠普3D 打印技术

惠普的3D 打印技术名称为“多射流熔融（MultiJet Fusion，MJF）”，所使用的材料主要为尼龙粉末，主要是PA11/PA12。与我们熟知的利用激光器来烧结尼龙粉末材料不同（SLS 技术），HP3D 打印技术是通过喷射“熔融剂”然后加热，使其发生化学反应，从而让尼龙粉末固化。

惠普全新多射流熔融（MJF）技术主要优势：

（1）采用高强度尼龙12 粉末材料（重复利用率80%），平均耗材成本为SLS 工艺的一半，为工业型FDM 的四分之一到五分之一。

（2）打印效率比SLS 快约6-10 倍，比工业FDM 快10 倍以上。

（3）在操作性方面，MJF 将混粉、筛粉、冷却等过程集成在一个处理站里面，大大简化了操作流程。

（4）相比于SLA 光固化成形，MJF 粉末成形零件具有更优良的综合机械性能以及抗热变形能力。

（5）打印件机械性能符合终端使用要求，MJF 已被应用于直接小批量生产领域[3]。

1.4 惠普3D 打印机MJF4200 关键技术参数

MJF42003D 打印包括3D 打印机和处理站 整套设备，主要技术参数如下：

．有效打印尺寸:380x284x380 毫米（15x11．2x15 英寸）

．打印速度:4000 立方厘米/小时（244 立方英寸/小时）

．分层厚度:0．07 至0．1 毫米（0．0027 至0．004 英寸）

．打印精度:0．2mm

．打印分辨率:1200dpi

．支持文件格式:STL、3MF

2 3D 打印应用研究

2.1 3D 打印应用研究的核心职能

HPPS“3D 打印应用研究室”的核心业务是探索/扩大3D 打印在制造工程上的应用，为制造工程提供实时的支持及服务，满足客户的各种需求。

图1 3D 打印应用研究室的核心职能

2.2 3D 打印在产品生命周期过程中的应用研究

2.2.1 产品开发设计阶段

开发设计阶段主要是协助产品原型机的制作，利用3D 打印进行新开发的零部件的模型生产，缩短产品零部件的设计、制作周期，减少后续的模具改造，缩短整体开发时间。

2.2.2 产品的批量生产阶段

此阶段主要应用于制造工程上，主要目的是方便作业者的作业、提高生产效率、提高组装品质、减少作业者的疲劳强度。

组装、调试、测试过程的工装、夹具以及生产辅助工具、定制化的物料容器的制作。

对于多品种、小数量的产品为了减少模具制作费用，可以直接将3D 打印的零部件用于批量生产。

图2 3D 打印代表性应用事例

2.2.3 产品停产后的售后服务阶段

产品停产后市场仍然会有5-8 年的售后服务的需求，为了持续的提供服务，减少模具老化后的备份模具的重新制作，可以利用3D 打印零部件满足客户的售后需求[4]。

2.3 3D 打印在制造工程中的应用研究

2.3.1 3D 打印在制造工程中的优势

（1）多样性和灵活性：可以满足多品种、小批量生产

（2）最优定制：以满足各种生产要求

（3）容易制作复杂的形状：克服机械加工的限制，制作各种复杂形状，减少零部件数量

2.3.2 3D 打印在制造领域的主要应用范围及代表事例

3D 打印在制造领域主要应用在下面5 个方面：

（1）制造工程上的工装、夹具。应用最为广泛的一种，主要是在装配过程中为便于作业者作业，用于异型、不规则零部件的固定装置。

（2）生产设备的特殊零部件。生产设施、设备的一些非标、特殊零部件的替代；克服传统机械加工的限制，可以制作各种复杂形状，减少零部件的数量，减少备件库存和维护费用。

（3）生产辅助工具。为作业者提供方便的辅助工具，主要用于提高生产效率、减少作业者的疲劳强度。

（4）定制化的存储装置。定制化的容器、支架、工作台等，主要方便作业者的作业，提高生产效率。

（5）运输周转过程中的零部件保护装置。对一些易碎、易损伤的零部件的包装保护装置。

2.4 3D 打印的效益分析

利用3D 打印技术取代传统的机械加工，除了可以缩短工装、夹具及特殊零部件的交货时间、满足复杂的特殊定制要求外，主要还体现在制造成本的降低上。在2019/2020 财年3D 打印相比传统的加工方式分别节省16．5 万美元/12 万美元。

3 结语

3D 打印在惠普打印机制造工程上的应用研究已经进行了两年多，虽然取得了一定的成果，但任重道远，在以后的工作中还要加强同高校、科研机构、3D 打印制造厂商的密切合作，继续跟踪业界先进技术/设备，不断深入研究3D 打印在制造工程上的应用，为中国智造添砖加瓦。