3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢(shì)研究

楊 勇

（南陽職業(yè)學(xué)院，河南 西峽 474500）

0 引言

3D打印技術(shù)又稱為“增材制造”技術(shù)，它是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)的一種快速成型技術(shù)，3D打印技術(shù)在很多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，如工程建筑、汽車、導(dǎo)航、教育等等。近年來，我國(guó)3D打印技術(shù)逐漸發(fā)展成熟。2020年5月5日，我國(guó)一艘搭載著3D打印機(jī)的運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)成功發(fā)射，這也是世界上首例在太空中進(jìn)行3D打印技術(shù)實(shí)驗(yàn)的案例，標(biāo)志著我國(guó)在此領(lǐng)域已經(jīng)位于世界前列。3D打印技術(shù)發(fā)展前景廣闊，許多國(guó)家都在進(jìn)行這方面的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)，由此可見，3D打印技術(shù)在未來的發(fā)展已形成不可阻擋的趨勢(shì)。

1 3D打印技術(shù)目前存在的主要問題

1.1 3D打印材料單一

3D打印技術(shù)有一個(gè)很重要的制約因素是材料問題，材料單一性讓3D打印技術(shù)只能在某些特定環(huán)節(jié)內(nèi)使用，亦或投入到尖端市場(chǎng)，由于其技術(shù)使用的高額支出更是制約了其發(fā)展空間，而面向大眾的中低端市場(chǎng)則選擇使用工廠流水線式生產(chǎn)。因?yàn)椴牧系膯我粡哪撤N方面阻止了3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用，無法展示出3D打印技術(shù)其開發(fā)和利用價(jià)值，讓其看起來只是模具化生產(chǎn)模式的進(jìn)一步開發(fā)和轉(zhuǎn)型。目前用于3D打印技術(shù)的主要材料有塑料、橡膠和金屬等，其中3D打印技術(shù)對(duì)金屬的要求比較迫切，急需在金屬領(lǐng)域有突破性進(jìn)展來打破這個(gè)材料單一、消耗量大的局面。

1.2 3D打印的價(jià)格不穩(wěn)定，優(yōu)勢(shì)不明顯

3D打印技術(shù)的主要原理是通過大數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算建模，直接設(shè)計(jì)出所需物件圖示，然后將材料加工立體呈現(xiàn)出來，因其利用現(xiàn)代高科學(xué)技術(shù)，在材料加工為實(shí)際物體過程中誤差極小，在進(jìn)行精密零件制造時(shí)具有無法替代的優(yōu)勢(shì)。3D打印技術(shù)在單件小批量或個(gè)性化設(shè)計(jì)等方面的制造價(jià)格與傳統(tǒng)制造的價(jià)格相差無幾，其生產(chǎn)效率卻是傳統(tǒng)制造的幾倍。但在一些特殊領(lǐng)域或大批量生產(chǎn)等方面，成本又相對(duì)較高，總體呈現(xiàn)出價(jià)格不穩(wěn)定的問題。因此，在某些方面，目前3D打印技術(shù)還不能完全取代傳統(tǒng)生產(chǎn)，這也導(dǎo)致3D打印的價(jià)格不穩(wěn)定，其價(jià)格優(yōu)勢(shì)不能完全表現(xiàn)出來。在傳統(tǒng)工業(yè)制造中，制作工藝是使用模具統(tǒng)一生產(chǎn)加工，在機(jī)械設(shè)備使用過程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)零件損壞和設(shè)備零件老化等問題，而單獨(dú)開模所或重新購(gòu)置機(jī)械設(shè)備需要花費(fèi)大量資金。3D打印技術(shù)則沒有這樣的問題，其操作便利，隨時(shí)可以打印不同的模型，模型主要由電腦數(shù)字化構(gòu)建，建模成本較低，而且在獨(dú)特性強(qiáng)的物品生產(chǎn)中也展現(xiàn)出價(jià)格優(yōu)勢(shì)，有利于贏取市場(chǎng)的位置。

1.3 3D打印操作技術(shù)要求高

3D打印技術(shù)需要借助數(shù)字模擬技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)制造，因此，操作技術(shù)對(duì)操作者的要求較高，需要用戶自身具備一定程度的專業(yè)知識(shí)或?qū)I(yè)技術(shù)才能正常投入生產(chǎn)。對(duì)于普通用戶來說，特別是首次接觸3D打印技術(shù)的用戶，操作難度較大，因?yàn)樗麄兺茈y理解操作原理。此外，3D打印技術(shù)涉及知識(shí)面較廣，操作人員需要具備較深厚的知識(shí)基礎(chǔ)，尤其是涉及大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)字建模技術(shù)和3D打印設(shè)備使用等多種技術(shù)，從業(yè)人員需要對(duì)多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)都有涉獵。針對(duì)這種情況，加快培育具備較強(qiáng)理論知識(shí)的3D打印專業(yè)性人才是重中之重，只有這樣才能為未來3D打印技術(shù)發(fā)展作出鋪墊[1]。

1.4 3D打印機(jī)型號(hào)較少，產(chǎn)品型號(hào)缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)報(bào)道，目前一共只有6種可以進(jìn)行多種材料打印的3D打印機(jī)，分別是FDM，SLA，3DP，SLS，LOM，PCM。由于目前3D打印技術(shù)尚處于發(fā)展階段，所制造的快速成型零件的質(zhì)量和精度不能達(dá)到直接使用的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品型號(hào)缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，只能作為原型使用，最終還是離不開傳統(tǒng)制造。

1.5 3D打印產(chǎn)品數(shù)字化模型受到知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)

使用3D打印技術(shù)的很多都是現(xiàn)代化藝術(shù)品制造業(yè)，其取勝關(guān)鍵不是生產(chǎn)規(guī)模，而是取決于產(chǎn)品創(chuàng)意，所以對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的原創(chuàng)性要求較高，在創(chuàng)意性產(chǎn)品方面容易面臨盜版威脅，會(huì)出現(xiàn)模仿者過多，市場(chǎng)產(chǎn)品雷同的狀況。同時(shí)也對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的管理提出了要求，這是傳統(tǒng)制造行業(yè)所不會(huì)出現(xiàn)的新問題。

2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展趨勢(shì)

2.1 3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

目前，3D打印技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域是電子行業(yè)，在汽車、航空航天、商品機(jī)器這些領(lǐng)域也呈現(xiàn)逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)。2019年，中國(guó)3D打印設(shè)備產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)70億元，相比2018年增長(zhǎng)了28.3%。3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的迅速增長(zhǎng)，標(biāo)志著3D打印技術(shù)已經(jīng)成為拉動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要因素之一。目前，美國(guó)仍然是3D打印設(shè)備安裝的第一大國(guó)，其次是日本，雖然我國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)速度很快，但是與美國(guó)和日本相比仍有較大差距。由此可見，3D打印技術(shù)在我國(guó)擁有較為廣闊的發(fā)展空間。

例如，在航空領(lǐng)域，3D打印除了在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造上得到廣泛應(yīng)用之外，在解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修的零部件采購(gòu)以及提升航空維修部門再制造能力和戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)急搶修過程中也發(fā)揮著越來越重要的作用。在大數(shù)據(jù)的背景下，工作人員可以使用精密儀器對(duì)損壞部位進(jìn)行精準(zhǔn)定位，及時(shí)檢測(cè)到破損部位，并利用3D打印技術(shù)打印出匹配的修復(fù)材料，提高維修的精確性，減少人員的工作量，大幅度提高航空維修的效率。航空發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于高溫高壓的環(huán)境下，零部件極易發(fā)生嚴(yán)重磨損，這在很大程度上影響了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維修周期以及維修成本。采用3D打印技術(shù)制作發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，可以有效解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修所需備件的采購(gòu)難題，讓航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修企業(yè)快速提升航空設(shè)備零部件的制造能力和供給能力。對(duì)于小批量需求的航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修企業(yè)來說，3D打印可以有效節(jié)約制造成本，縮短維修周期，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修中零部件再制造能力。在大數(shù)據(jù)背景下，應(yīng)用3D打印技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和及時(shí)保修。隨著3D打印技術(shù)與大數(shù)據(jù)的深度結(jié)合，未來的航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修過程將呈現(xiàn)自動(dòng)化發(fā)展的趨勢(shì)[2]。

2.2 3D打印技術(shù)未來發(fā)展重點(diǎn)

2.2.1 簡(jiǎn)化生產(chǎn)過程

3D打印技術(shù)的“增材制造”可以很大程度簡(jiǎn)化產(chǎn)品的制造過程，縮短產(chǎn)品制造周期，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。但是隨著時(shí)間、效率、成本的不斷優(yōu)化，也容易導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題。提高打印成品的質(zhì)量，可以讓3D打印技術(shù)在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，占據(jù)較大的市場(chǎng)份額，這是3D打印技術(shù)在未來主要的發(fā)展方向。同時(shí)，發(fā)展還需要解決的重點(diǎn)問題包括模型產(chǎn)權(quán)維護(hù)、3D打印機(jī)設(shè)備研發(fā)、降低打印價(jià)格、優(yōu)化操作技術(shù)、減少材料消耗等，需要在這些方面尋找突破口。

2.2.2 提升材料使用率

相比于傳統(tǒng)生產(chǎn)方式，3D打印技術(shù)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)能大幅減少生產(chǎn)材料的消耗。傳統(tǒng)生產(chǎn)方式常使用車間生產(chǎn)或者流水線式生產(chǎn)，為了避免模具生產(chǎn)出現(xiàn)誤差造成產(chǎn)品檢測(cè)不達(dá)標(biāo)，在生產(chǎn)環(huán)節(jié)會(huì)出現(xiàn)大量被機(jī)械切割的“邊角料”，材料利用率不高。即使可以對(duì)邊角料進(jìn)行回收重熔再投入生產(chǎn)，回收過程也會(huì)增大企業(yè)生產(chǎn)成本。3D打印技術(shù)是直接通過數(shù)字建模將材料轉(zhuǎn)化成為物體的技術(shù)，這種生產(chǎn)方式具有高精密度、高精簡(jiǎn)度的特點(diǎn)，能確保所有材料在產(chǎn)品生產(chǎn)中精準(zhǔn)使用，材料使用效率高，能從生產(chǎn)環(huán)節(jié)上大大節(jié)省成本，從而增大企業(yè)利潤(rùn)，尤其是需要使用稀有材料方面，優(yōu)勢(shì)更為突出，因此3D打印技術(shù)在高附加值和高精度產(chǎn)品加工生產(chǎn)上有著不可取代的優(yōu)勢(shì)[3]。

2.2.3 結(jié)合BIM技術(shù)模擬建筑展示效果

目前，BIM技術(shù)被廣泛運(yùn)用于工程項(xiàng)目管理。BIM技術(shù)相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)圖紙模式，能在可視化上做出進(jìn)一步擴(kuò)展，通過3D數(shù)據(jù)建?？梢灾庇^地展示出建筑的整體構(gòu)造，甚至在裝修行業(yè)也能直接展示預(yù)裝修效果。BIM技術(shù)最大的特征是其整體性、優(yōu)化性和仿真性，而BIM技術(shù)與3D打印技術(shù)同樣需要運(yùn)用數(shù)字建模技術(shù)。工程單位需要進(jìn)行房屋預(yù)設(shè)時(shí)，往往不能很直觀地讓客戶感受成品效果。將BIM技術(shù)和3D打印技術(shù)結(jié)合，可以直接將BIM建模中的信息直接導(dǎo)入3D打印設(shè)備，通過3D打印技術(shù)將數(shù)據(jù)化的建模實(shí)體化，讓企業(yè)和客戶能直觀感受到預(yù)期生產(chǎn)效果，從而提出針對(duì)性修改或建設(shè)方案，提升交易成功率。

3 結(jié)語

綜上所述，3D打印技術(shù)在許多方面都有廣泛的應(yīng)用，發(fā)展空間廣闊。同時(shí)也存在一些缺陷，因而，相關(guān)人員需要圍繞材料供應(yīng)、產(chǎn)品研發(fā)、技術(shù)應(yīng)用、提效降本等方面進(jìn)行重點(diǎn)開發(fā)與研究，讓3D打印技術(shù)為社會(huì)各行各業(yè)的發(fā)展作出更多貢獻(xiàn)，為人們的日常生活提供更大的便利。