從快速成形走向直接產品制造——3D打印技術在家電產品設計制造中的應用（上）

文/劉永輝 張玉強 張渠

雖然我國已經成為世界第一家電生產大國，但還不是家電強國。我國家電行業面臨資源壓力大、市場增長放緩、原材料價格上漲和勞動力優勢喪失等諸多挑戰，其轉型升級和邁向產業價值鏈高端的需求非常迫切。3D打印技術作為新生事物，被譽為“第三次工業革命的重要標志之一”，該技術是一項具有工業革命意義的高新制造技術，代表了世界制造業發展的新趨勢。本文介紹了3D打印技術在家電家居產品設計制造中的應用。3D打印技術在家電家居領域，特別是促進傳統產業轉型升級、提升核心競爭力、實現產品個性化定制方面日益發揮巨大的推動作用。

3D打印技術在家電家居產品設計制造中的應用主要分為兩方面：(1)快速原型制作和新產品開發過程中的設計驗證與功能驗證，經過二十多年的發展，這一方面的技術和應用已經比較成熟；(2)終端產品直接制造，包括基于性能最優的高級模具設計制造和高端家電家居產品個性化定制，這是近幾年來剛剛涌現出來的新技術和新應用。

本文分為上下兩篇，上篇主要介紹3D打印技術及其在產品原型制作和支持新產品研發方面的應用；下篇側重于闡述3D打印技術在提升模具設計與制造能力和實現產品高端化、個性化方面的新技術和新應用。

3 D打印技術及其特點

3D打印技術最早稱為快速成形技術或快速原型制造技術，誕生于20世紀80年代后期，是在現代CAD/CAM技術、機械工程、分層制造技術、激光技術、計算機數控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術的基礎上集成發展起來的一種先進制造技術?？梢宰詣?、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件，從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現手段。快速成形技術就是利用三維CAD數據，通過快速成形機，將一層層的材料堆積成實體原型。

不同種類的快速成形系統因所用成形材料的不同，成形原理和系統特點也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是“分層制造，逐層疊加”，類似于數學上的積分過程。形象地講，快速成形系統就像是一臺“立體打印機”。3D打印機、3D打印技術或增材制造技術因此得名。

目前市場上的3D打印技術主要分為選擇性激光燒結技術(SLS)、熔融沉積制造技術(FDM)、立體光固化成型技術(SLA)、噴墨打印技術(PolyJet)、數字化光處理技術(DLP)、三維噴繪打印技術(3DP)等。對于3D打印制造工藝的研究，一方面是在原有技術基礎上進行改進；另一方面是研究新的成型技術新的成型方法。如三維微結構制造、生物活性組織的工程化制造、激光三維內割技術、層片曝光方式等。圖1為3D打印技術典型生產過程（以選擇性激光燒結技術SLS為例）。

由圖1可以看出，與傳統的“去除型”制造技術不同，3D打印技術采用材料逐漸累加的方法來制造實體零件。這一技術不需要傳統的刀具、夾具及多道加工工序，在一臺設備上可快速而精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現“自由制造”；解決許多過去難以制造的復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且越是復雜結構的產品，其制造優勢越顯著。表1為3D打印技術與傳統“去除型”制造技術工藝特點的對比分析。

表1 3D打印技術與傳統“去除型”制造技術工藝特點對比分析

3 D打印技術支持新產品研發

當前，市場競爭愈演愈烈，產品更新換代加速。要保持家電產品在國內外市場的競爭力，迫切需要在加大新產品開發投入力度、增強創新意識的同時，積極采用先進的創新手段。產品原型制作由于能夠優化新產品的設計和開發，可以有效地縮短新產品研發周期，提升研發的成功率，因而在新產品研發中得到了廣泛的應用。家電產品原型主要分為外觀樣機（設計驗證）、結構樣機（裝配驗證）和性能樣機（功能驗證）。目前制作產品原型主要有兩種手段：數控機床和3D打印機。

傳統的數控機床加工直接使用ABS、PP等真實材料，材料成本較低；但其缺點是需要根據零件數據進行編程加工，對于復雜結構的零件，需要進行零件拆分加工，加工完畢后再進行粘接拼合。零件越復雜，需要編程和拆分的工作量越大，后處理的拼接工序越復雜，所需人工工時就越多，加工成本越高。

3D打印技術加工速度快、工藝柔性高，能一次性完成結構非常復雜的零件制作，且其制作成本和制作速度與零件的復雜程度基本無關。根據3D打印成型工藝的不同，使用材料可以為光敏樹脂、尼龍、類ABS等，材料成本較高。

因此，在實際家電產品原型制造過程中二者各有優勢、互為補充。數控機床比較適合制作結構較為簡單的普通實心零件，例如空調外殼、頂蓋等。而3D打印機主要用來制作各種結構復雜或者工期要求短的零件，例如貫流風扇（圖2）、異形風道等。從未來發展趨勢來看，隨著3D打印技術的不斷發展成熟，特別是材料成本的逐漸降低，3D打印技術將會逐漸超過甚至取代數控加工技術。

目前3D打印技術在國內的家電行業上得到了很大程度的普及與應用，應用領域主要在于新產品開發。將3D打印技術引入到產品設計開發環節，提高了企業對市場的快速響應能力，提升了企業的競爭力，使我們許多家電企業在產品創新方面也走在了世界前列，如青島的海爾、海信，廣東的美的和格力等，都先后采用3D打印技術來開發新產品，收到了很好的市場效果。