3D打印技術對機械工程的影響

常豐田 黃矗 黃波

【摘 要】 3D打印技術，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。它的出現，有學者認為，將會對機械行業造成很大的沖擊。本文通過對3D打印技術的分析和對機械工程研究范圍的分析，得出3D打印技術對機械工程的影響：目前3D打印技術主要適用于產品開發，對車間、機床等不會造成太大影響。

【關鍵詞】 3D打印 機械工程 影響

【中圖分類號】 K826.16【文獻標識碼】 A【文章編號】1672-5158（2013）07-0033-01

1.3D打印技術簡介

3D打印技術，也叫三維打印技術，它與普通打印機工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。如今這一技術在多個領域得到應用，人們用它來制造服裝、建筑模型、汽車、巧克力甜品等。

每一層的打印過程分為兩步，首先在需要成型的區域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴散。然后是噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結，而沒有膠水的區域仍保持松散狀態。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將會被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環利用。

三維打印技術的魅力在于它不需要在工廠操作，桌面打印機可以打印出小物品，而且，人們可以將其放在辦公室一角、商店甚至房子里；而自行車車架、汽車方向盤甚至飛機零件等大物品，則需要更大的打印機和更大的放置空間。

3D打印技術最突出的優點是無需機械加工或任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期，提高生產率和降低生產成本。

與傳統技術相比，三維打印技術還擁有如下優勢：通過摒棄生產線而降低了成本；大幅減少了材料浪費；而且，它還可以制造出傳統生產技術無法制造出的外形，讓人們可以更有效地設計出飛機機翼或熱交換器；另外，在具有良好設計概念和設計過程的情況下，三維打印技術還可以簡化生產制造過程，快速有效又廉價地生產出單個物品。

三維打印技術還有其他重要的優點。大多數金屬和塑料零件為了生產而設計，這就意味著它們會非常笨重，并且含有與制造有關但與其功能無關的剩余物。三維打印技術不是這樣的。在三維打印技術中，原材料只為生產所需要的產品”，借用三維打印技術，他的團隊生產出的零件更加精細輕盈。當材料沒有了生產限制后，就能以最優化的方式來實現其功能，因此，與機器制造出的零件相比，打印出來的產品的重量要輕60%，并且同樣堅固。

2.機械工程目前的研究范圍

機械工程以有關的自然科學和技術科學為理論基礎，結合生產實踐中的技術經驗，研究和解決在開發、設計、制造、安裝、運用和修理各種機械中的全部理論和實際問題的應用學科。機械是現代社會進行生產和服務的五大要素（人、資金、能源、材料和機械）之一，并參與能量和材料的生產。

機械工程的學科內容，按工作性質可分為以下方面：①建立和發展可實際和直接應用于機械工程的工程理論基礎。如工程力學、流體力學、工程材料學、材料力學、燃燒學、傳熱學、熱力學、摩擦學、機構學、機械原理、機械零件、金屬工藝學和非金屬工藝學等。②研究、設計和發展新機械產品，改進現有機械產品和生產新一代機械產品，以適應當前和未來的需要。③機械產品的生產，如生產設施的規劃和實現、生產計劃的制訂和生產調度、編制和貫徹制造工藝、設計和制造工藝裝備、確定勞動定額和材料定額以及加工、裝配、包裝和檢驗等。④機械制造企業的經營和管理，如確定生產方式、產品銷售以及生產運行管理等。⑤機械產品的應用，如選擇、訂購、驗收、安裝、調整、操作、維修和改造各產業所使用的機械產品和成套機械設備。⑥研究機械產品在制造和使用過程中所產生的環境污染和自然資源過度耗費問題及處理措施。因此，機械工程是一個很大而且很寬泛的概念。

3.3D打印技術對機械工程的影響

3D打印技術有其獨特的優勢和魅力。英國《經濟學人》曾如此描述3D打印技術對傳統生產方式的影響：未來的工廠，大多數的工作將不是在車間完成，而是在辦公室展開，那里會坐滿設計師、工程師、IT專家、物流專家、營銷人員和其他專業人士。3D打印技術可以為汽車公司制造自動變速箱的殼體。如果按照傳統方式生產，僅開模具的花費就很大，并且周期長，而采用3D打印技術，很快就能拿到模具，價格相對低廉，性能也能達到設計預期要求。

然而，雖然3D打印技術有其一定的優點，但是人們過分夸大了3D打印的影響。首先是3D打印機的價格較高，大多數桌面級3D打印機的售價在2萬元人民幣左右，但是對于桌面級3D打印機來說，由于僅能打印塑料產品，因此使用范圍非常有限。3d打印是一層層來制作物品，如果想把物品制作的更精細，則需要每層厚度減小；如果想提高打印速度，則需要增加層厚，而這勢必影響產品的精度質量。若生產同樣精度的產品，同傳統的大規模工業生產相比，沒有成本上的優勢，尤其是考慮到時間成本，規模成本之后。

綜上，3D打印技術不會對傳統的車間、數字機床產生太大的沖擊。3D打印技術在目前來看，最適合用于新產品的開發。而從制造角度來看，它并不是最合適的。現在大多數的3D打印技術精度還達不到傳統制造的程度，也很難實現傳統制造方式的大批量、低成本制造。3D打印在協同制造和實現創意方面較有優勢，但無法替代傳統的制造方式。以上面的汽車自動變速箱的殼體為例，真正在市場上銷售的車，變速箱并不是用這個方法做的。汽車公司會對變速箱進行各種極端狀況下的測試，其中一些零件就是用3D打印方法做的。定型了以后，再開模具，然后按照傳統制造方法批量生產，這樣成本就會大大降低。3D打印適用于制造難加工的貴重材料，以及用傳統制造方法浪費大、甚至根本做不出來的復雜形狀。在大批量生產方面，則還須依靠傳統制造。現在的3D打印技術還完全不成熟，對于材料，結構，強度，成本幾個方面注定在短時間內不可能有大的規模化的應用。

4.結束語

3D打印技術作為一種新型的技術，對機械工程的產品設計開發有一定的影響，在產品開發，三維設計和科研、食品、醫療等領域大展身手。不可否認，3D打印技術會給機械工程帶來新鮮的血液，但是，由于其自身的局限性，短時間內必定無法代替傳統的機械制造行業。直到2012年，3D打印生產出的前所未有的東西，幾乎沒有。做些小規模的飾品，藝術品是可以的，做逆向工程也可以的，但要談到大規模機械生產，3d打印還不能取代傳統的生產方式。

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