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(天津機電職業(yè)技術(shù)學院，天津 300350)

3D打印體現(xiàn)一種“降維制造”的思想，具體表現(xiàn)為三維電子模型轉(zhuǎn)化為二維層片，然后進行分層制造，通過逐層累積形成三維實體。3D打印技術(shù)的發(fā)展依托于多學科領(lǐng)域頂尖技術(shù)支撐，主要包含有：信息技術(shù)、材料科學和精密機械。信息技術(shù)要求采用先進的設(shè)計軟件與數(shù)字化工具；材料需要采用液化、絲化或粉末化形式；機械設(shè)備需要高精密、高穩(wěn)定性。3D打印這一技術(shù)實現(xiàn)了從虛擬數(shù)字化實體模型到產(chǎn)品的直接轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)流程得到極大簡化，研發(fā)周期大幅縮短，研發(fā)成本大大降低，實現(xiàn)了任意復雜結(jié)構(gòu)零件的直接生產(chǎn)，這對面向產(chǎn)品性能的設(shè)計產(chǎn)生重大推進作用。在實際生產(chǎn)過程中3D打印技術(shù)可實現(xiàn)生產(chǎn)材料的“零”浪費。例如在模具制造傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝過程中，當接到客戶訂單后，制造商還需對接單項目例行進行評審，評審通過后制定出生產(chǎn)計劃進度表，然后通過3D設(shè)計軟件修正、有限元模流分析以及分型線、進料點的確定，最后反饋給客戶定稿，客戶認可后才可確定零件圖后續(xù)生產(chǎn)，進而準備加工流程。其加工流程如圖1所示。從圖1可見，當采用傳統(tǒng)的加工工藝進行模具制造時，一個合格的模具的生產(chǎn)，所需要的人力、物力成本較多，而且生產(chǎn)周期較長。通過對比工藝更加凸顯出3D打印技術(shù)的優(yōu)勢。

此外，3D打印技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應用中，可實現(xiàn)設(shè)計、創(chuàng)意與生產(chǎn)分開，減少庫存的生產(chǎn)，相當于提供了新的商務模式。將互聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和3D打印技術(shù)組成社會制造的網(wǎng)絡，民眾可充分參與產(chǎn)品的全生命制造過程，必會促進具有個性化、實時化、經(jīng)濟化的生產(chǎn)與消費模式，最終形成新的產(chǎn)業(yè)革命。

一、3D打印在制造領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀

(一)3D打印技術(shù)市場規(guī)模

由QYResearch發(fā)布的《2017全球3D打印技術(shù)市場發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢》數(shù)據(jù)顯示，全球3D打印市場規(guī)模2012年為20.2億美元，2013年為39.8億美元，預計2017年將超過50億美元。美國為最大的市場，占比37.5%，其次為歐洲，占比25.1%，日本占比約9.9%左右，德國占比為9.5%。此外，中國占比大約為7.8%。預計未來全球市場將持續(xù)25%左右的增速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，預計 到2018年，全球3D打印行業(yè)整體收入將超過100億美元，我國3D打印市場有望超過100億人民幣。

(二)3D打印技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的應用

1.3D打印應用于復雜結(jié)構(gòu)零部件制造。如汽車缸蓋、同步器開發(fā)、燃氣輪機葉片等，同時滿足部分金屬零部件的力學性能并與鍛造件媲美。

2.3D打印應用于復雜模具制造。在3D打印的原型件協(xié)助下，可采用不同的工藝方法進行翻制模具，如硅橡膠模具、環(huán)氧樹脂模具、石膏模具、砂型模具等；而這一優(yōu)勢在復雜模具的制造中凸顯的尤為鮮明，如隨形冷卻水道，這是傳統(tǒng)制造工藝方法難以實現(xiàn)的，也是3D打印技術(shù)在模具行業(yè)中得以應用的一大亮點?？墒鼓＞呔植拷禍丶翱炖洌瑑?yōu)化模具零件排氣結(jié)構(gòu)，縮短成型周期。同時帶來傳統(tǒng)設(shè)計工藝理念也將發(fā)生“革命性”變更。

3.3D打印應用于非充氣輪胎制造。目前，熔融沉積和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)可應用于非充氣輪胎3D打印。其中，選擇性激光燒結(jié)具備成型精度高，強度較大，在輪胎3D打印方面應用前景廣闊。3D打印在非充氣輪胎的成功應用，將引起的整個輪胎成型加工工藝技術(shù)的全面改革。此外，當前已實現(xiàn)使用FDM技術(shù)適用PPSF材料打印汽車輪胎樣件。

4.3D打印應用于建筑業(yè)制造。如利用3D 打印混凝土這一全新的混凝土施工方式技術(shù)可以顛覆傳統(tǒng)的建筑模式。未來將通過3D打印造出普通百姓都能住得起的房子。

5.3D 打印技術(shù)應用于軍事裝備制造。例如美國利用3D 打印技術(shù)輔助制造導彈的彈出式點火器模型，中國使用 3D 打印機與高強度鈦合金粉末相結(jié)合完成了了殲-15艦載機起落架的制造和殲20改進，同時利用3D激光打印的殲20骨架。而美國現(xiàn)已經(jīng)將3D打印機送入國際空間站。

二、3D打印在實際應用過程中存在的問題

(一)3D打印在模具生產(chǎn)應用中的問題

3D打印有效地減少了模具生產(chǎn)中的工藝流程，可從計算機圖形數(shù)據(jù)中直接生成任意形狀的零件，極大地縮短了產(chǎn)品研制周期。但在效率、精度、穩(wěn)定性、品件大小等方面，這一技術(shù)還需要與傳統(tǒng)機械加工方式做更多的對比。此外，對于模具制造行業(yè)而言，耗材價格程度情況，是必須要考慮的對象。主要表現(xiàn)為：

1.3D打印模具的零件尺寸受限。

2.3D打印模具制品的力學性能難保證。

3.3D打印技術(shù)在當前所能達到的尺寸精度和表面粗糙度還無法完全滿足精密模具生產(chǎn)的設(shè)計要求，這是也成為限制3D打印技術(shù)在模具生產(chǎn)中的一個關(guān)鍵問題。

(二)3D打印在機械制造過程中的問題

當前3D 打印技術(shù)相對單一，效率低下。主要依賴激光作為能量源。而此技術(shù)尚未成熟，長期使用，其昂貴、維修難度大、技術(shù)應用復雜。此外，制造的過程中，打印精度和打印效率受工件厚度影響較大。3D打印技術(shù)原理導致其打印效率和精度相沖突，而且當前3D打印卻無法同傳統(tǒng)制造技術(shù)進行大批量零件生產(chǎn)。

(三)3D打印在材料應用中的弊端

當前國內(nèi)3D打印中使用的金屬粉末主要依靠進口。而且工業(yè)使用的3D 打印機價格非常昂貴，耗材也同樣非常昂貴。當前消費類的3D打印材料種類較少，主要應用為POA塑料和ABS，但此類材料存在有害氣體散發(fā)風險。無法完全滿足當前工業(yè)領(lǐng)域的需求。而一次性對設(shè)備的投入和對昂貴耗材的購買將嚴重制約著我國用戶使用3D打印技術(shù)。此外，3D打印技術(shù)在打印零件時，還無法實現(xiàn)根據(jù)零件的使用要求選材，這也就提升了制造成本。

(四)3D打印自動化控制系統(tǒng)有待完善

信息技術(shù)物化形態(tài)的計算機是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要支撐。當前3D打印自動化控制系統(tǒng)還不夠成熟。主要表現(xiàn)在計算機里面的三維模型構(gòu)建還不夠完美。

(五) 3D 打印技術(shù)缺乏統(tǒng)一的制造標準

3D打印供應商在材料一致性、制造標準方面存在差異性，3D打印機大多自帶測量和打印軟件，但由于軟件為不同廠商各自開發(fā)，這將存在互換性較差的問題，且嚴重制約3D打印技術(shù)的普及與推廣。

(六)3D打印影響專利權(quán)人權(quán)利

在智能化時代背景下，3D 打印技術(shù)已逐漸普及到家庭，然而大量的個人制造卻嚴重威脅到專利權(quán)人的利益。對于CAD 文檔提供者的間接侵權(quán)行為難以成立，這對我國現(xiàn)行專利保護制度提出了挑戰(zhàn)。

(七)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈缺少統(tǒng)籌發(fā)展規(guī)劃

當前3D打印所需供應商、服務商體系和市場平臺仍未完善，而且存在代理混亂問題。企業(yè)之間缺乏協(xié)調(diào)統(tǒng)一，溝通不足，主要局限于大型企業(yè)應用。

三、3D打印技術(shù)在未來發(fā)展方向

(一)快速修復

3D打印可應用于貴重部件的修復、延長關(guān)鍵零部件的使用壽命，降低設(shè)備維修成本。對緊缺或損壞部件直接打印對于大型、固定設(shè)備可實現(xiàn)現(xiàn)場維修。如航天領(lǐng)域中易損且造價較高的鈦合金葉片。美國Optomec公司已成功利用3D打印技術(shù)實現(xiàn)了發(fā)動機殼體激光成形修復。

(二)快速制造

3D打印應用可解決客戶對備件依賴性。減少客戶庫存量和備件資金占用。傳統(tǒng)制造業(yè)中產(chǎn)品發(fā)貨時往往需要配備一定數(shù)量的備件，隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代，客戶對備件數(shù)量要求不斷提高，這也極大增大了產(chǎn)品成本。這就需要推進3D打印技術(shù)在金屬零件直接打印方向的發(fā)展。在汽車領(lǐng)域大眾實現(xiàn)了為老式汽車推出3D打印零配件。

(三)協(xié)同設(shè)計與私人訂制

3D打印技術(shù)是一種生產(chǎn)方式的創(chuàng)新，在一定程度上解決了當下傳統(tǒng)制造技術(shù)中的弊端以及其無法解決的問題。3D打印技術(shù)的應用能夠滿足消費者的定制化需求，隨著互聯(lián)網(wǎng)、智能物流、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將有望催化產(chǎn)生全新的生產(chǎn)模式和商業(yè)模式。

在通過圖2可見，在這樣的生產(chǎn)流程中，每一個節(jié)點需滿足其下一個節(jié)點的需求，而最終由零售商滿足消費者的需求，事實上消費者的消費需求卻無法直接傳導到生產(chǎn)商。隨著當前互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與理念的成熟，目前可以讓消費者將消費需求直接傳導給生產(chǎn)商、品牌商，乃至原材料供應商。3D打印技術(shù)的廣泛應用，正好能夠幫助上述信息的直接傳達，從而產(chǎn)生直接的價值，即每個節(jié)點都可能直接為消費的需求負責，從而形成區(qū)別于傳統(tǒng)“價值鏈”的“價值網(wǎng)”。當前，可用的3D打印原材料，在很大程度上也決定了對應可用的3D打印技術(shù)，從而決定了相關(guān)產(chǎn)品可應用的領(lǐng)域；雖然在有些領(lǐng)域也符合定制化、個性化等特征，但由于對應的原材料缺乏，無法在現(xiàn)有的3D打印技術(shù)下進行加工生產(chǎn)。

另一方面，未來“設(shè)計眾包”模式有望興起，從而推進3D打印技術(shù)的跨越式發(fā)展。有助于跨界領(lǐng)域人員協(xié)同設(shè)計，讓消費者有機會參與到汽車、房屋、部件等設(shè)計的全過程。 推進未來產(chǎn)品個性化發(fā)展要求，促進產(chǎn)品新技術(shù)、多元化、網(wǎng)絡化生產(chǎn)發(fā)展格局。

(四)“傳統(tǒng)+”模式

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)加工方法結(jié)合?；?D打印技術(shù)短期內(nèi)無法實現(xiàn)高精度工業(yè)制件，可以應用于工件的毛坯造型、砂型、制作樣件等，并與數(shù)控加工結(jié)合獲取成品，然后批量生產(chǎn)。金屬增材—減材組合制造技術(shù)是當今3D打印領(lǐng)域的一個重要方向，如利用數(shù)控加工與3D打印技術(shù)的融合應用。目前可通過3D逐層增材成形，結(jié)合高速銑定層厚輪廓減材精整，實現(xiàn)復雜金屬零件的高精度制造。

(五)逆向制造

逆向工程技術(shù)實現(xiàn)快速制造并實現(xiàn)批量化生產(chǎn)模式。逆向工程技術(shù)是采用3D掃描和3D 打印技術(shù)結(jié)合的方式，將已有實物模型通過三維掃描獲取模型表面點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過曲面重構(gòu)造型軟件獲取3D 數(shù)字模型，開展后續(xù)的計算機輔助分析與制造，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的快速制造。對于產(chǎn)品升級、放大以及技術(shù)引進等具有重要意義。相關(guān)應用在汽車領(lǐng)域已經(jīng)具備一定成熟性應用。

此外，在今后的產(chǎn)品引進吸收與產(chǎn)品大修過程中，也可采用此模式，借助掃描技術(shù)進行掃描采集相關(guān)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，然后利用3D打印機，按一定比例進行創(chuàng)建打印，然后針對模型進行團隊論證分析與研究。這有助于節(jié)省產(chǎn)品研發(fā)或設(shè)備維修診斷時間，對產(chǎn)品升級與改造具有重要意義。

(六)新材料、多尺度工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計

未來3D打印技術(shù)應研發(fā)用于工業(yè)生產(chǎn)、價廉質(zhì)優(yōu)以及零部件材料更具通用性3D打印材料。根據(jù)材料性能指標參數(shù)需求采用通用化分析，即可以通用或者統(tǒng)一采用性能更佳的材料，可以減少3D 打印機的數(shù)量和打印材料的種類。這在部分傳統(tǒng)行業(yè)的工藝革命具有重要意義，如輪胎3D翻新，輪胎3D打印制造等新技術(shù)應用。

3D打印數(shù)據(jù)處理中的2D層面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為樣條曲線+光柵網(wǎng)格混合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。此方法可有助于突破傳統(tǒng)制造技術(shù)在層次復雜性、材料復雜性、功能復雜性上的瓶頸，在眾多領(lǐng)域均有著繁雜高層次需求，這是3D打印技術(shù)未來發(fā)展的主要趨勢。

四、 小結(jié)

3D打印利用精準的數(shù)字技術(shù)，通過多學科、多機構(gòu)的協(xié)調(diào)創(chuàng)新了設(shè)計，解放了思維，豐富了生活，未來技術(shù)將更具經(jīng)濟性、適應性、實用性和創(chuàng)造性；3D打印受生產(chǎn)實踐制約的主要因素在于形狀與結(jié)構(gòu)的復雜程度與批量大小。而這與材料、效率、精度的提升改進密切相關(guān)；3D打印同傳統(tǒng)金屬材料制造技術(shù)一樣需要一個漫長技術(shù)積累和驗證過程才能形成完善的標準體系。其可成為一種方法或工具實現(xiàn)對傳統(tǒng)工業(yè)發(fā)展的有益補充；3D 打印將隨著科技發(fā)展、交叉科學的應用，在材料、市場、操作性定能取得新的突破，未來將在相關(guān)制造領(lǐng)域朝著個性化、創(chuàng)新化和網(wǎng)絡化發(fā)展，從而提高設(shè)計和加工過程的效率。這對未來創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新人才培養(yǎng)具有實際意義；未來企業(yè)在研發(fā)新產(chǎn)品時，可以通過3D打印技術(shù)制造樣品，然后利用傳統(tǒng)制造技術(shù)實現(xiàn)批量生產(chǎn)。這樣不僅可以改變傳統(tǒng)制造中先做樣品，然后優(yōu)化設(shè)計進行修正，最后才大批量生產(chǎn)的步驟，還可以使傳統(tǒng)制造的批量生產(chǎn)方式彌補3D打印存在的速度慢、制作終端產(chǎn)品成本高的劣勢，有助于加快產(chǎn)品上市的時間，提高經(jīng)濟效率；今后應該正確把握3D打印在我國制造業(yè)中的發(fā)展方向，理性和科學的面對與發(fā)展，制定符合我國國情的發(fā)展道路，為我國“綠色制造”，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)發(fā)揮建設(shè)性作用。