井長勝 于強 王曉龍 劉亞坤

摘? ?要：工業(yè)級3D打印技術近幾年蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了很多更高速、高性能、高質(zhì)量的新工藝方法，航空航天、汽車等高端制造業(yè)也在積極應用工業(yè)級3D打印技術進行產(chǎn)品升級、新產(chǎn)品研發(fā)等工作，并取得了很好的效果。工業(yè)級3D打印技術的發(fā)展對產(chǎn)品研發(fā)的各方面都會產(chǎn)生影響，并逐漸推動產(chǎn)品研發(fā)工作多方面的變革。

關鍵詞：工業(yè)級;3D打印;增材制造;產(chǎn)品研發(fā)

中圖分類號：TP29? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

3D打印即三維打印，也被稱為增材制造技術（AM）。其核心思想起源于1892年美國的一項采用層疊方法制作三維地圖模型的專利，20世紀80年代3D打印機問世，從此3D打印技術開始快速發(fā)展，結(jié)合材料技術的發(fā)展，SLA、SLS/SLM、3DP、FDM、LOM、LENS、EBM、WAAM等很多不同的3D打印工藝相繼出現(xiàn)。3D打印技術已經(jīng)應用到航空航天、汽車制造、模型模具、醫(yī)學和建筑等各行各業(yè)。

3D打印技術發(fā)展初期的設備和材料成本高、打印質(zhì)量不高，但近幾年3D打印技術正在逐步進入工業(yè)時代，可快速批量加工高質(zhì)量零件的3D打印技術正在逐漸替代傳統(tǒng)制造技術。

工業(yè)級3D打印機的發(fā)展推動著新產(chǎn)品研發(fā)、制造的快速變革，國內(nèi)各行業(yè)需要積極應用3D打印技術進行產(chǎn)品研發(fā)、制造，用需求拉動國內(nèi)工業(yè)級3D打印技術的快速發(fā)展，使產(chǎn)品研發(fā)能力的提升與3D打印技術的發(fā)展相互促進，以免與國外產(chǎn)生差距。

1 工業(yè)級3D打印技術的發(fā)展情況

1.1 高速、高性能、高質(zhì)量的增材制造新技術

美國Carbon3D公司的連續(xù)液態(tài)界面（CLIP，Countinuous Liquid Interface Production）3D打印技術。這項技術的核心是“利用一層透氧膜，隔離光敏樹脂液體和空氣中的氧氣，實現(xiàn)高速、連續(xù)的3D打印成型”，這項革命性的CLIP技術比普通的3D打印快25～100倍，而且理論上分層可以無限細膩，在工藝上與澆鑄零件更為相似。

德國工業(yè)3D打印系統(tǒng)制造商EOS的LaserProFusion新技術是一種能夠取代注塑成型的增材制造技術：近百萬個二極管激光器，排成陣列激光，瞬間一次性燒結(jié)粉末材料并逐層制造零件。構(gòu)建過程非常高效，可以作為許多應用的注塑替代品。

惠普公司發(fā)布了專為大批量生產(chǎn)工業(yè)級金屬零件而研發(fā)的HP Metal Jet，通過雙向鋪粉和面成型，可將工作效率提升高達50倍，并顯著降低成本。但成型后還需高溫燒結(jié)。

迪士尼公司提出了一種采用激光全息投影的新型樹脂3D打印技術，將物體的激光全息圖整個“嵌入”光敏樹脂中，直接在空間中實現(xiàn)固化，完成打印。因此速度極高，被稱為近瞬時打印技術。這項新技術目前成型尺寸非常小，也不能打印太復雜的形狀。

德國博世公司開設了一家新的子公司，致力于通過增材制造工藝提供與注塑成型性能相當?shù)乃芰狭慵瑹o需傳統(tǒng)制造方法所需的昂貴模具，可以節(jié)省小批量生產(chǎn)工業(yè)塑料零件的成本。

德克薩斯大學埃爾帕索分校（UTEP）的電磁學和光子學實驗室開發(fā)了一種3D打印電子設備的自動化工藝，能夠制造非常規(guī)形狀的電路。三維電路可以使電路更小、更輕、更有效率，為實際應用提供更高的可操作性。有了電子3D打印，電子設計師也同樣可以快速制作原型。

以色列3D打印機制造商Nano Dimension完全使用3D打印技術制造了一款物聯(lián)網(wǎng)設備，整個原型的打印、測試和組裝僅耗時18個小時。比傳統(tǒng)制造方法快90%，傳統(tǒng)方法需要2周甚至更長時間。

1.2 3D打印材料的創(chuàng)新

瓦克化學公司開發(fā)了全球首項用于液體硅橡膠組件增材制造的工業(yè)級技術。憑借其獨特的“按需噴墨”技術，用于打印高功能性部件，同時保持硅橡膠的耐高溫性、抗輻射性及生物相容性等優(yōu)異性能。

西安交大采用連續(xù)纖維與熱塑性聚合物為原材料，利用復合浸漬-熔融沉積的 3D打印工藝實現(xiàn)高性能復雜結(jié)構(gòu)復合材料構(gòu)件的低成本一體化快速制造，所制備的 Cf/PLA復合材料抗彎強度達到了390 MPa，是傳統(tǒng) PLA 零件（48 MPa～53 MPa）的7倍，性能與鋁合金相當，重量減少2/5?？蓾M足工業(yè)領域?qū)τ诖蟪叽鐦?gòu)件的應用需求，可實現(xiàn)電磁屏蔽材料的可控制造，其良好的電磁屏蔽性能、機械性能、加工性能以及較低的加工成本使其在航空系統(tǒng)和衛(wèi)星天線領域展現(xiàn)出良好的應用前景。

韓國通信衛(wèi)星使用了SLM制造的鋁合金（AlSi7Mg）輕量化部件，原來的多個部件合成一個整體制造，部件重量比原設計降低22%，制造成本降低30%，生產(chǎn)周期縮短1～2個月。

1.3 面向3D打印的仿真軟件和技術

仿真軟件使用戶可以考慮整個增材工藝鏈的各個環(huán)節(jié)，包括拓撲優(yōu)化、部件驗證、打印設置、工藝過程仿真、支撐生成、打印失敗預防和微觀結(jié)構(gòu)預測等，幫助完成高質(zhì)高效的增材制造工藝設計而無需昂貴而耗時的試錯過程。

零件的拓撲優(yōu)化設計：在保證結(jié)構(gòu)剛度和承載能力的條件下優(yōu)化結(jié)構(gòu)材料分布，實現(xiàn)輕量化設計。拓撲優(yōu)化面向自由形狀的設計，增材制造是唯一能夠滿足其制造要求的工藝手段。

增材制造工藝過程仿真：預測部件形狀、變形和應力，自動生成最佳支撐結(jié)構(gòu)和變形補償STL文件，保證打印精度，避免打印失敗。

1.4 無損檢測技術

增材制造的檢測工作可分為原料、加工過程、加工完成和使用過程4個階段，每個階段中都可能存在不同類型的缺陷，需要檢測的內(nèi)容也不盡相同。增材制造的零件孔隙率高，孔隙會降低零件的強度，局部的孔簇會導致用過程中裂紋的形成，而微孔的存在通常決定動態(tài)性能（如疲勞） 。

目前在無損檢測方面的技術主要包括計算機斷層掃描、滲透測試、渦流檢測、超聲檢測和紅外相機測量等。

2 工業(yè)級3D打印技術對零部件設計的影響

零部件設計可利用軟件仿真進行拓撲優(yōu)化設計、點陣結(jié)構(gòu)設計、性能分析評估，相比傳統(tǒng)制造工藝可以更大程度地采用拓撲優(yōu)化的計算結(jié)果，減重效果非常明顯。

面向傳統(tǒng)制造工藝的產(chǎn)品設計需要根據(jù)加工能力分解為很多零件，金屬3D打印技術的發(fā)展可以將很多零件進行融合設計，使零件數(shù)量大減，整體性能、可靠性大為提升，也減少整機裝配的工作量。如一些多個零件拼裝或焊接的箱體、液體流道、散熱風道等，3D打印加工不僅節(jié)省拼裝零件之間的密封材料、導電材料，而且流道、風道的截面設計、路線設計更符合流體力學要求，提升流動效率。

功能和結(jié)構(gòu)的融合設計，可對減震、防淋雨、散熱、電磁兼容等功能進行創(chuàng)新性的結(jié)構(gòu)設計，與零件結(jié)構(gòu)融合設計，減少功能器件的使用。如防淋雨可以采取非密閉的外殼結(jié)構(gòu)，設計為既能進氣又能泄水的曲折、分支等復雜通道，與外殼結(jié)構(gòu)融合設計，可以去除防水透氣類功能零件，避免功能零件的失效對整機環(huán)境適應性的風險，而這類復雜結(jié)構(gòu)使用傳統(tǒng)制造工藝很難，甚至無法實現(xiàn)。

如果進行零件和整機設計時綜合考慮了增材制造特點與壓鑄或注塑模具的特點，就可以在小批量增材加工的同時進行大批量投產(chǎn)前的模具設計和制造工作，并行開展設計工作，節(jié)省模具設計、制造、試模、修模的時間，使產(chǎn)品更快上市。

3 工業(yè)級3D打印技術對產(chǎn)品研發(fā)流程的影響

面向傳統(tǒng)制造工藝的新產(chǎn)品研發(fā)流程基本上只能串行，設計完成后等待加工裝配后再測試，零部件多、設計時間長、加工時間也長，零件配合精度較差，零件裝配、測試、試驗有時會發(fā)現(xiàn)問題，而解決問題的時間也長，導致整個研發(fā)周期很長。

而面向增材制造的新產(chǎn)品研發(fā)流程就會產(chǎn)生很多變化，有些工作可以并行開展，零件數(shù)量減少，設計時間和加工時間減少，也減少問題的發(fā)生，可以最大程度地縮短研發(fā)周期。

詳細分析整個研發(fā)流程如下：

產(chǎn)品造型階段可以快速3D打印多個不同的產(chǎn)品造型進行對比、評估、修改，能使造型和概念設計更完善、周期更短，為后期詳細設計贏得更充足的時間，降低返工的可能性。

樣機階段采用3D打印技術加工產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、部分電路板，能大為節(jié)省樣機零部件的加工時間，從而可以有更充分的時間對樣機進行各項測試，盡早發(fā)現(xiàn)和解決潛在的問題。

小批試產(chǎn)階段可以采用工業(yè)級3D打印技術快速生產(chǎn)出小批量的零部件，進行產(chǎn)品整機的流水線裝配試產(chǎn)，完善產(chǎn)品工藝，使產(chǎn)品能更快地達到批產(chǎn)狀態(tài)。

正式批產(chǎn)（如模具設計、加工，物料準備等過程）的同時可以用工業(yè)級3D打印技術進行小批量的產(chǎn)品生產(chǎn)，以便配合產(chǎn)品發(fā)布、市場推廣、客戶試用等上市工作，使產(chǎn)品能更快地推向市場。

4 面向工業(yè)級3D打印的產(chǎn)品研發(fā)展望

2019年6月歐洲發(fā)布《2030年歐洲工業(yè)展望》，該報告將增材制造確定為歐洲工業(yè)未來戰(zhàn)略增長的關鍵。

由于3D打印技術對產(chǎn)品設計各種工藝限制的減少，使產(chǎn)品設計軟件可以更快地向智能化方向發(fā)展，之前的計算機輔助設計（CAD）將會發(fā)展為人工智能輔助設計（AIAD），使產(chǎn)品設計更加合理、高效，大為減輕設計工程師的工作量，可以將精力更多地放在產(chǎn)品功能的實現(xiàn)和完善上。產(chǎn)品研發(fā)組織形式和產(chǎn)品研發(fā)流程等也會發(fā)生很多面向增材制造和智能化設計的變革。

將3D打印技術與智能材料結(jié)合起來稱為4D打印技術，智能材料的3D打印結(jié)構(gòu)在外界環(huán)境激勵下實現(xiàn)自身的結(jié)構(gòu)變化。隨著4D打印智能材料的多樣化，4D打印技術的應用將更加廣泛。相應的產(chǎn)品研發(fā)模式也會發(fā)生深刻的變革。

5 結(jié)語

隨著工業(yè)級3D打印技術的不斷發(fā)展、普及，企業(yè)需要在產(chǎn)品的策劃、設計過程中不斷增加增材制造的考量、嘗試，使產(chǎn)品戰(zhàn)略、設計思維、人員組織、制度流程和供應鏈等各方面都能逐漸適應增材制造帶來的變革。對企業(yè)而言，這些變革不可能一蹴而就，需要在各方面進行規(guī)劃布局，不斷嘗試，總結(jié)經(jīng)驗，才能形成適合企業(yè)、適合產(chǎn)品特點的增材制造發(fā)展路線。

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