3D 打印技術的應用及產業(yè)化發(fā)展研究*

姚層林

武漢商學院，湖北 武漢 430056

對于3D 打印技術的應用，最關鍵的基礎為數字模型文件，通過一些可黏合材料例如粉末狀金屬或者塑料等，借助逐層打印的形式對物體進行構造，其最大的特征是精準度高、效率高。該項技術也是非常關鍵的增材制造技術，已經廣泛使用在當前的工業(yè)生產中，可有機融合多項工藝，提高生產效率及質量。但是該項技術還有很大的提升空間，仍有一些問題存在，對產業(yè)化發(fā)展的進程造成了阻礙。例如，工業(yè)打印機裝備非常昂貴，設計理論還不夠完整，等等。因此，要對3D 打印技術的應用和產業(yè)化發(fā)展進行詳細的探究和分析。

1 應用3D 打印技術的優(yōu)勢

1.1 傳統(tǒng)加工的缺陷和不足

現今，對于切削加工方面，人們掌握的加工技術有了很大的突破和進展[1]。21 世紀，在工業(yè)當中對產品提出的要求非常嚴格，不但要縮小產品的體積，還要提升結構的復雜程度，因此要不斷完善現有的加工工藝，使其滿足未來產品制造和研發(fā)的需求。此外，受持續(xù)發(fā)展策略的影響，每個行業(yè)都在追求節(jié)能性、環(huán)保性。切削加工的使用會浪費很多材料，因此需要將其改進，使用更加現代化和系統(tǒng)化的技術類型，以彌補市場空白。

1.2 3D 打印技術的應用優(yōu)勢

對比之前的加工制造技術，3D 打印技術有更多的優(yōu)勢。（1）可以打印完成非常煩瑣的復雜形狀。因為三維軟件的有效應用能夠設計出十分復雜的形狀，所以對于3D 打印技術的使用有著廣泛的范圍，可實現多種結構的設計，也能完成形狀非常復雜的零件制造[2]。（2）可針對全彩色、功能梯度和異質材料進行處理制造。（3）實現多層次的打印。3D 打印技術具備傳統(tǒng)加工技術無法達到的尺寸精度，例如細胞打印和原子打印，這樣的技術結合了宏觀和微觀層面。（4）功能十分豐富并且全面。對復雜結構零件進行加工和制造時，通過該項技術可以整本直接打印，將零件拆分制造后，節(jié)省了焊接過程，不但使加工制造效率有所提高，還規(guī)避了不同零件銜接不了所產生的質量問題。此外，節(jié)省的裝配環(huán)節(jié)將有效降低工作量和生產成本。

3D 打印技術對虛擬數字化實體模型進行了轉換，使其成為產品模式，有益于生產效率的提高，并降低研發(fā)成本，還使整個生產過程的工作量下降。因此，3D 打印技術可以廣泛應用在復雜零件的生產中，為實現產品設計的多樣化奠定重要的基礎。

2 3D 打印技術的工業(yè)應用現狀

在各個行業(yè)中，對于3D 打印技術的使用已經開始普及，其有效結合了傳統(tǒng)工業(yè)制造工藝，從而使生產效率得到提升。

2.1 3D 打印本體成型

在汽車和飛機制造行業(yè)中，很多零件的生產都有相同的特征，例如生產車燈、保險杠、擋風玻璃等設備都具有的共同特征包括看似外觀比較簡單，但需要的生產工藝煩瑣，特別是制作圓弧時，會花費大量的材料，并耗費一定的時間。這些問題會導致生產效率難以提升?，F在，通過3D 打印技術，針對大型復雜的零件可以開展整體制作，并使關鍵零件的制造速度加快，有益于提升工業(yè)零件生產的效率。此外，利用計算機便可以開展編輯作業(yè)，將其與碳纖維復合材料結合之后，便可實現汽車或者飛機外部設施制作整體打印成型的效果。根據統(tǒng)計的數據可知，3D 打印技術針對器件開展加工作業(yè)時，溫室氣體的排放會有所減少，這是因為3D 打印技術中使用的器件與傳統(tǒng)器件相比有很大的不同，并不需要較多的材料，所以建材減重得以實現，有益于可持續(xù)發(fā)展的推進[3]。

2.2 3D 打印結合傳統(tǒng)工業(yè)制造

3D 打印技術結合傳統(tǒng)的鑄造工藝時，可以有效提升傳統(tǒng)鑄造工藝的效率，為工業(yè)制造創(chuàng)造更加理想的發(fā)展前景和空間，為我國航天事業(yè)、國防事業(yè)等生產大型零件奠定扎實的基礎。例如，某企業(yè)在制造工業(yè)零件時應用了3D 打印技術，通過該項技術完成了坦克漩渦盤的加工作業(yè)。在引入該項技術之前，企業(yè)采用的加工方式為老式熔模鑄造，先通過模具對蠟膜進行制造，之后利用鑄造工藝完成加工和成型，過程比較復雜，需要花費一定的時間和人力、物力。在應用3D 打印技術之后，可以直接制造蠟膜，使得時間和材料有所節(jié)約。在制造汽車配件時，針對發(fā)動機外殼的生產，由于其結構非常復雜，以往的工藝是需要先分造，之后再焊接才能完成外殼的制造。但是，通過3D 打印技術，可借助CAD 軟件對發(fā)動機外殼的參數加以分析，做出仿真模擬，通過直接整體打印的方式制出熔模，然后進行整體澆筑即可，整體質量會減少30%左右，也使得焊接潛在的隱患有所降低。

3 3D 打印技術的產業(yè)化發(fā)展措施

與傳統(tǒng)加工技術相比較，3D 打印技術的使用有著更加突出的優(yōu)勢和特征，因此該技術已經成為制造體系中非常關鍵的部分，涉及的領域包括制造業(yè)和加工業(yè)等。

3.1 3D 打印技術在整體成型工業(yè)中的應用

針對大型工業(yè)制造，很多關鍵的零件結構非常復雜，并且形狀各異，如果只是通過傳統(tǒng)的技術進行加工，不但沒有較高的效率，還無法保證精準程度?，F在，通過3D 打印技術可以高質量地開發(fā)和制造關鍵零件，例如，在汽車制造中借助3D 打印技術，能夠靈活調整汽車殼體的各項參數，使得復雜的汽車輪廓生產有了更充足的條件。同時，在直接成型的復雜高性能塑料材料當中也會應用3D 打印技術，例如美國的戰(zhàn)斗機管道系統(tǒng)，在生產制造時便對該項技術進行了應用。該技術的環(huán)保性也非常突出，傳統(tǒng)技術有時候會產生大量溫室氣體，對四周的環(huán)境造成不良影響，但是這一技術能夠有效控制溫室氣體的排放量。

3.2 3D 打印技術結合傳統(tǒng)制造工藝的使用

在航天航空制造方面，很多零件的開發(fā)和制造都會使用3D 打印技術，并結合傳統(tǒng)的鑄造工藝，因此即使是非常煩瑣的異形零件，對其生產時也能實現高效和低成本的目標。例如在制造坦克時，渦輪盤制造需要采用熔模鑄造的形式，操作方法為借助模具對蠟模進行制造，之后通過鑄造工藝完成加工內容。3D 打印技術可以簡化該過程，并不需要模具便能完成蠟模的制造，不但降低了成本，還提升了生產效率。此外，在6 缸柴油發(fā)動機缸蓋中也對該項技術進行了使用，使整體成型得以實現。

3.3 3D 打印技術與傳統(tǒng)模具的有效應用

很多工業(yè)在生產中對精密度的要求非常嚴格，一般需要使用的模具非常繁雜，且制造過程中需要耗費較高的成本，花費大量時間和精力。在現在的模具制造中，應用3D打印技術可以有效解決傳統(tǒng)生產出現的很多問題。例如，傳統(tǒng)模具制造工藝中的冷卻模具工序十分關鍵，一般應用的方式為打直孔。但該項方法并沒有較高的冷卻效率，效果也不夠理想。為了使產品的生產效率和質量得以提升，對于注塑膜冷卻工藝的探索仍在不斷進行。目前，使用最普遍的為隨形冷卻流道。通過3D 打印技術，可以有效獲取隨形冷卻模具鑲塊，取得的冷卻效果十分理想，還能對產品缺陷率進行控制。

3.4 3D 打印技術結合傳統(tǒng)熱等靜壓工藝的使用

以往使用的熱等靜壓工藝需要滿足的環(huán)境為高溫、高壓，才能使粉末材料完成致密化的效果，在鑄件致密化處理中有著廣泛應用。現在，將該項技術結合3D 打印技術，可以實現零件的整體加工制造，并使其性能大幅度提升。在具體實施中，有些零件的要求非常特殊，需要對3D 打印技術進行應用，使其復雜的外觀結構得以制作完成，之后將異質粉末材料添加至其中，通過熱等靜壓工藝可以使兩者的銜接有效實現。3D 打印技術與傳統(tǒng)熱等靜壓工藝的充分結合在航空航天領域有著廣泛的應用，例如生產航天器外殼，通過兩項工藝的結合，使以往加工時存在的困難和問題得到了有效解決。

4 結束語

總之，在工業(yè)生產中，人們對零件精度的要求越來越高，通過3D 打印技術的應用與傳統(tǒng)制造工藝的有效結合，實現了復雜零件的高水平、高效率加工制造，也使得3D 打印技術進一步向產業(yè)化發(fā)展邁進。