淺談3D打印在一般生產(chǎn)車間的應用

李永輝

摘 要：3D打印，被稱為將變革產(chǎn)品制造和帶來“第三次工業(yè)革命”的技術。其實質(zhì)是增材制造技術，屬于快速成型技術的一種。介紹了技術最成熟、普及程度最廣泛的基于FDM（Fused deposition modeling，熔融沉積式）的3D打印技術，說明了將3D打印引入一般車間的可能性，以及設計和實施的過程，并最終為生產(chǎn)車間帶來效益。

關鍵詞：增材制造；3D打印；FDM；熔融沉積制造；生產(chǎn)現(xiàn)場管理

在日常的生產(chǎn)過程中，會遇到儀器或設備的緊急開關無防護裝置，人員誤碰會導致設備突然斷電停機；使用頻率較高的工具因其小部件的損壞，造成功能的不完整，影響工作效率等問題。面對這些問題，若企業(yè)不具備制造這些非標裝置所需的注塑、切削等設備或材料，只能請外部單位進行定制、采購。這些需求又屬于定制設計而非批量生產(chǎn)，外協(xié)加工將會產(chǎn)生比較大的費用。利用3D打印的靈活性，可以根據(jù)需求定制個性化的產(chǎn)品，并自行設計、制作完成多種裝置，能解決現(xiàn)場管理的多個問題。而且這類定制需求，使用3D打印加工時間和成本遠低于外部加工或采購，為企業(yè)管理及成本節(jié)約開拓了新的思路。

1 3D打印概述

早在20世紀90年代就出現(xiàn)的3D打印，已經(jīng)在各種網(wǎng)站、媒體已經(jīng)成為一個熱詞，并受到眾多媒體和商家的追捧，但由于價格昂貴，技術不成熟，早期并沒有得到推廣普及。

2015年8月21日，李克強總理在關于《先進制造與3D打印》 的專題講座上的講話，再次提高了3D打印在國內(nèi)的認知度和關注度。2015年11月15日，中國國家主席習近平在G20峰會第一階段會議上發(fā)表了題為《創(chuàng)新增長路徑共享發(fā)展成果》的重要講話。講話中習主席著力強調(diào)低迷的經(jīng)濟增長需要通過推動創(chuàng)新驅(qū)動和打造新的增長源來克服，其中包括3D打印技術和互聯(lián)網(wǎng)+。

目前，很多國家已經(jīng)將3D打印技術應用到交通、建筑、軍事、科研、教育、航空航天以及生物醫(yī)療等行業(yè)。國內(nèi)外很多企業(yè)已經(jīng)在采用3D打印技術來制造零部件原型，更有報道稱國外企業(yè)已經(jīng)將其應用到生產(chǎn)飛機零部件，并將3D打印機送上國際空間站應用于各種研究。

3D打印，又稱三維打?。? Dimensional Printing），其學名是增材制造（Material addive manufacturing），是指將材料一次性熔聚成型的快速成型技術。它以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等粘合材料，通過逐層打印并疊加不同形狀的連續(xù)層方式來構造三維的任何物體?？焖俪尚图夹g主要包括熔融沉積成型、光敏固化成型、選擇性激光燒結等工藝，各種成型技術對材料以及工藝的要求各有不同。

本文主要針對基于FDM（熔融沉積式）技術的3D打印應用進行探討。

2 FDM快速成型技術

斯科特·克倫普（S.Scott Crump）博士于1989年申請了熔融沉積成型（Fused deposition modeling，F(xiàn)DM）專利，他創(chuàng)立的Stratasys公司于1992年賣出了第一臺基于FDM的3D打印機。這種技術成型系統(tǒng)及材料成本不高，不需要其他成型技術中昂貴的激光器或光學部件。FDM設備體積小、無污染是辦公室應用的理想桌面制造系統(tǒng)。

2.1 FDM原理

熔融沉積成型（FDM）的原理如下：該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點高 1℃），在計算機的控制下，噴頭作x-y平面運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。

2.2 FDM設計和打印過程

2.2.1 建立三維數(shù)字模型

三維數(shù)字模型的建立，可以通過3D掃描儀對模型進行掃描后，獲取需打印對象的數(shù)字模型，再利用3D打印機進行打印；也可以使用AutoCAD、Solidworks等專業(yè)的計算機建模軟件，根據(jù)實際需要從零開始建立數(shù)字模型，再進行打印。本文中需要打印的對象，都是為特定的儀器、工具進行定制設計，所以選用了3D建模軟件，根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)進行數(shù)字模型的建立。

2.2.2 數(shù)字模型切割分層

由于對數(shù)字模型文件描述方式的差異，一般3D打印機并不能直接操作建模軟件建立的三維模型。而是將建模軟件導出的特定格式的文件，再次導入到專門的分層軟件進行切割處理，即按照指定的方向?qū)?shù)字模型切成一層一層的薄片。并通過分層軟件，對每層的厚度及后續(xù)3D打印所需的其他屬性進行設定。完成一系列的設置后，再從分層軟件導出為3D打印機可以識別的文件格式。

2.2.3 打印及處理

3D打印機可以通過聯(lián)機或脫機方式進行打印，目前多數(shù)3D打印機都具備脫機打印。聯(lián)機方式，即將3D打印機與電腦通過數(shù)據(jù)線連接后，通過軟件控制打印；脫機方式，則是將分層后的數(shù)字文件復制到存儲卡內(nèi)，再將存儲卡插入3D打印機進行打印。將打印機調(diào)整好以后，即可以按照分層軟件計算出的特定路徑，像蓋房子一樣逐層進行打印，最終生成我們所需的模型。根據(jù)模型的復雜程度，以及模型的尺寸，打印所需的時間各有不同?？焖僭秃筇幚硎侵笇Σ捎每焖俪尚图庸ぜ夹g生產(chǎn)的零件毛坯進行打磨、噴油等多道工序，最終拼接裝配成完整部件的過程。而本文所述之模型和工具，僅對支撐結構和表面進行簡單的處理即可使用，所以針對復雜模型的處理過程不再做詳細闡述。

3 應用實例

3D打印技術，具有設計制作周期短，迭代更新方便、快速的特點。在本次設計制作過程中，從設計到使用耗時最短的僅需兩個小時即可完成；而對于結構較復雜，零部件稍多的儀器狀態(tài)標識，一套完整的模型從設計、制作到模型修正、迭代升級，再到最終打印實施，也只需花費幾天，并且這些完全可以在業(yè)余時間完成。這些裝置已在車間的設備及工具上投入使用，并獲得很好的使用反饋。

緊急開關防護蓋：根據(jù)兩臺儀器的不同情況，分別設計和制作了防護蓋。在保證其防誤碰的同時，也達到了外形美觀大方、操作方便的效果，完全避免了人為誤碰的現(xiàn)象。

合頁：潔凈車間內(nèi)，對金屬物品的使用要求較高。一般合頁均為鐵質(zhì)，在經(jīng)過長時間的使用后容易生銹，帶來金屬和粉塵污染，對產(chǎn)品帶來失效的隱患。而使用3D打印技術設計制作的塑料合頁，既實現(xiàn)了其功能，又能減少了金屬物品的使用。

儀器狀態(tài)標識：針對所在部門的設備自行設計，并量身定做了儀器狀態(tài)標識牌，對共計9臺儀器/設備全部進行了安裝。該標識牌結構簡單，但能夠?qū)崿F(xiàn)自定義儀器狀態(tài)標識的內(nèi)容；滑塊拼圖式的操作界面，能夠輕松實現(xiàn)狀態(tài)的切換，保證了標識和儀器實際狀態(tài)之間的一致性。

操作工具部件：因該工具一個小立柱的意外損壞，對其功能及使用帶來很多不便。經(jīng)過實際測量后，使用3D打印機復制出一個同等功能的部件，恢復了該工具的正常使用，同時節(jié)約了資金和采購周期。

工裝檢驗卡尺：由于某石英工裝屬于生產(chǎn)設備關鍵部件，對產(chǎn)品的品質(zhì)起著至關重要的作用。每次該類部件到貨，設備部門都需要對關鍵尺寸進行確認。由于缺少專業(yè)的切割設備，手工制作的卡尺在精度上無法保證。而利用3D打印機制作的卡尺，可以達到0.1～0.2mm的精度，且制作使用方便。

4 結束語

雖然3D打印技術已經(jīng)完全可以實現(xiàn)功能性物品的打印，但是目前仍然受到打印材料、成型體積、成型時間等多方面的影響，而無法完全替代傳統(tǒng)工藝。但是隨著各界對3D打印技術不斷深入的探究，相信這些問題終將解決。

本文通過基本的3D打印技術的應用，設計并制作了簡單而實用的工具，將3D打印引入到日常的工作和生活中。希望借此起到拋磚引玉的作用，為我們在企業(yè)里快速有效地解決實際問題帶來新的思路，并最終為企業(yè)帶來更多效益。

參考文獻：

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