3D 打印技術(shù)在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐中的應(yīng)用探究★

陳建麗，柳英杰，卞青青

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院機(jī)器人學(xué)院，廣東 珠海 519090）

引言

3D 打印技術(shù)誕生于20 世紀(jì)80 年代的美國(guó)，當(dāng)時(shí)市場(chǎng)環(huán)境發(fā)生了巨大變化，一方面表現(xiàn)為消費(fèi)者的需求日益主體化、個(gè)性化和多樣化，另一方面則是產(chǎn)品制造商們都著眼于全球市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。面對(duì)市場(chǎng)，企業(yè)不但要迅速設(shè)計(jì)出符合人們消費(fèi)需求的產(chǎn)品，而且還必須很快生產(chǎn)制造出來，搶占市場(chǎng)。3D打印技術(shù)就是在這種背景下發(fā)展起來的一種新型數(shù)字制造工藝技術(shù)，利用這項(xiàng)技術(shù)可以直接從三維模型快速而精確地制作產(chǎn)品，具有制造周期短、不受產(chǎn)品復(fù)雜程度約束、小批量生產(chǎn)成本低等典型優(yōu)勢(shì)。在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”和“中國(guó)制造2025”的時(shí)代背景下，以“智能制造”為主攻方向的機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)占創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐相當(dāng)比重。創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，很多執(zhí)行體是具體產(chǎn)品，這些產(chǎn)品需要被快速加工制造出來，投入實(shí)踐檢驗(yàn)效果。但由于受到設(shè)計(jì)者專業(yè)知識(shí)背景、機(jī)床準(zhǔn)備、工裝夾具設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)制造等因素的影響，產(chǎn)品制造往往耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、甚至根本無法加工制造，最后使創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理念很難被執(zhí)行下去。3D 打印“快速、低成本、可打印特殊復(fù)雜形狀”的典型特征與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐中實(shí)體零件加工需求剛好吻合，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐者提供良好的制造解決方案，可讓設(shè)計(jì)者專注產(chǎn)品功能性，實(shí)現(xiàn)了“自由設(shè)計(jì)，快速制造”[1-4]。

1 3D 打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D 打印也稱為增材制造，是近期快速發(fā)展起來的一種新型數(shù)字制造工藝技術(shù)。其工作原理為從零件的CAD 幾何模型出發(fā)，通過分層離散軟件和成型設(shè)備，用特殊的工藝方法（熔融、燒結(jié)、粘結(jié)等）將材料堆積而形成實(shí)體零件。3D 打印的過程如圖1 所示。3D 打印分為前處理、分層疊加成型和后處理三個(gè)階段，如圖2 所示。因此，3D 打印是基于離散——堆積的思想，將一個(gè)物理實(shí)體復(fù)雜的三維加工，離散成一系列二維層片，逐點(diǎn)、逐面進(jìn)行材料的堆積成型。該技術(shù)一出現(xiàn)就取得了快速的發(fā)展，在消費(fèi)電子產(chǎn)品、汽車、航空航天、醫(yī)療、藝術(shù)設(shè)計(jì)等各個(gè)領(lǐng)域都取得了廣泛的應(yīng)用[5-6]。

圖1 3D 打印過程示意圖

圖2 3D 打印技術(shù)的三個(gè)階段

由于3D 打印采用了一種全新的數(shù)字化“增加材料”加工方法，與傳統(tǒng)的“去除材料”加工方法完全不同，它將復(fù)雜的三維實(shí)體分解成簡(jiǎn)單的平面二維加工的組合，消除了生產(chǎn)過程中設(shè)計(jì)工裝夾具，加工模具等中間環(huán)節(jié)，不需要根據(jù)產(chǎn)品形狀更換設(shè)備，忽略了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度對(duì)加工過程的影響，因此特別適合新產(chǎn)品的快速制造，由此表明3D 打印技術(shù)的特點(diǎn)非常吻合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐中實(shí)體零件制造的需要。

2 3D 打印技術(shù)在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”和“中國(guó)制造2025”的時(shí)代背景下，以“智能制造”為主攻方向的機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)占創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐相當(dāng)比重。各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽也是層出不窮，如“挑戰(zhàn)杯”創(chuàng)新計(jì)劃大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽等等。在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中，很多執(zhí)行體是實(shí)體產(chǎn)品，如高空清理機(jī)器人、水果自動(dòng)采摘機(jī)，這些產(chǎn)品都需要設(shè)計(jì)并快速制造出來，在實(shí)踐中檢驗(yàn)其具體成效。受到設(shè)計(jì)者專業(yè)知識(shí)背景、機(jī)床準(zhǔn)備、工裝夾具設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)制造等因素的影響，產(chǎn)品制造往往耗時(shí)長(zhǎng)、成本高、甚至根本無法加工制造，最后使創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理念停留于紙上設(shè)計(jì)，沒有被真正在執(zhí)行下去。3D 打印以其“增材制造”的獨(dú)特性，在小批量新產(chǎn)品的快速制造上具有巨大優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）成型速度快。3D 打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)與制造一體化，在成型工藝中，計(jì)算機(jī)的CAD 模型數(shù)據(jù)通過接口軟件轉(zhuǎn)化為可以直接驅(qū)動(dòng)3D 打印設(shè)備的數(shù)控指令，3D 打印設(shè)備根據(jù)數(shù)控指令完成零件的加工。由于離散分層制造的原理，由模型直接疊加制造三維實(shí)體，不需要傳統(tǒng)的加工機(jī)床和加工模具，減少了從設(shè)計(jì)到制造中間環(huán)節(jié)，提高了全過程的響應(yīng)速度。整體設(shè)計(jì)制造周期短，時(shí)效性強(qiáng)，符合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐中設(shè)計(jì)制造周期短，更新?lián)Q代速度快的要求。

2）能夠制造任意復(fù)雜形狀的三維實(shí)體。以具體產(chǎn)品為載體的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐可能發(fā)生在任何人身上，這些人不一定具有機(jī)械加工專業(yè)背景，他們的設(shè)計(jì)思想天馬行空，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品也是五花八門，但傳統(tǒng)機(jī)械加工卻受產(chǎn)品形狀、刀具、裝夾等因素的約束，產(chǎn)品內(nèi)外形狀均有“可加工范圍”。3D 打印技術(shù)由于采用分層制造工藝，將復(fù)雜的三維實(shí)體離散成一系列層片加工和加工層片件的疊加，從而大大簡(jiǎn)化了加工過程，它可以加工復(fù)雜的中空結(jié)構(gòu)且不存在三維加工刀具干涉的問題。因此理論上講，可以制造具有任意復(fù)雜形狀的產(chǎn)品?；谶@一點(diǎn)，設(shè)計(jì)者在進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐時(shí)可專注于產(chǎn)品及其功能設(shè)計(jì)，不受加工制造能力約束，能開辟出巨大的設(shè)計(jì)和制造空間，實(shí)現(xiàn)“自由設(shè)計(jì)，快速制造”。如圖3 為利用3D 打印技術(shù)制造的人工晶格，具有復(fù)雜的內(nèi)部鏤空結(jié)構(gòu)，若采用傳統(tǒng)機(jī)加工方式則很難完成。

圖3 3D 打印人造晶格

3）制造成本低。創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐中所設(shè)計(jì)制造的產(chǎn)品一般都是單件或小批量，若按傳統(tǒng)加工方式需專門設(shè)計(jì)工裝夾具或開模，生產(chǎn)成本高。3D 打印技術(shù)是產(chǎn)品的制造成本和產(chǎn)品的復(fù)雜程度、生產(chǎn)批量基本無關(guān)，產(chǎn)品單價(jià)與復(fù)雜程度及產(chǎn)品數(shù)量關(guān)系如圖4 所示。3D 打印技術(shù)由于降低小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)周期和成本，尤其適合新產(chǎn)品的開發(fā)和管理，適合小批量、復(fù)雜、不規(guī)則產(chǎn)品的直接生產(chǎn)，不受產(chǎn)品復(fù)雜程度的限制。該技術(shù)改善了設(shè)計(jì)過程中的人機(jī)交流，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)無需依賴機(jī)床和模具，從而縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)的周期，加快了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，在很大程度上降低了加工制造成本，同時(shí)也降低了創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 3D 打印與傳統(tǒng)制造方法的產(chǎn)品單價(jià)比較

3 結(jié)語

3D 打印技術(shù)通過離散切片，堆積累加的增材方式進(jìn)行制造。將一個(gè)物理實(shí)體復(fù)雜的三維模型分解成一系列二維層片加工，不需要傳統(tǒng)加工中的機(jī)床設(shè)備及加工模具，具有產(chǎn)品形狀不受加工工藝限制，加工速度快，單件成本低的典型優(yōu)勢(shì)。以實(shí)體產(chǎn)品為依托的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐通常有很好的設(shè)計(jì)理念，卻缺乏加工制造方法，或制造周期長(zhǎng)，制造成本高，讓設(shè)計(jì)理念無法付諸實(shí)踐。3D 打印“速度快、成本低、柔性高”的典型特征與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐中單件新產(chǎn)品的制造需求完美吻合，為創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐中的實(shí)體產(chǎn)品制造提供解決方案。