淺談3D打印在一般生產車間的應用

李永輝

摘 要：3D打印，被稱為將變革產品制造和帶來“第三次工業革命”的技術。其實質是增材制造技術，屬于快速成型技術的一種。介紹了技術最成熟、普及程度最廣泛的基于FDM（Fused deposition modeling，熔融沉積式）的3D打印技術，說明了將3D打印引入一般車間的可能性，以及設計和實施的過程，并最終為生產車間帶來效益。

關鍵詞：增材制造；3D打印；FDM；熔融沉積制造；生產現場管理

在日常的生產過程中，會遇到儀器或設備的緊急開關無防護裝置，人員誤碰會導致設備突然斷電停機；使用頻率較高的工具因其小部件的損壞，造成功能的不完整，影響工作效率等問題。面對這些問題，若企業不具備制造這些非標裝置所需的注塑、切削等設備或材料，只能請外部單位進行定制、采購。這些需求又屬于定制設計而非批量生產，外協加工將會產生比較大的費用。利用3D打印的靈活性，可以根據需求定制個性化的產品，并自行設計、制作完成多種裝置，能解決現場管理的多個問題。而且這類定制需求，使用3D打印加工時間和成本遠低于外部加工或采購，為企業管理及成本節約開拓了新的思路。

1 3D打印概述

早在20世紀90年代就出現的3D打印，已經在各種網站、媒體已經成為一個熱詞，并受到眾多媒體和商家的追捧，但由于價格昂貴，技術不成熟，早期并沒有得到推廣普及。

2015年8月21日，李克強總理在關于《先進制造與3D打印》 的專題講座上的講話，再次提高了3D打印在國內的認知度和關注度。2015年11月15日，中國國家主席習近平在G20峰會第一階段會議上發表了題為《創新增長路徑共享發展成果》的重要講話。講話中習主席著力強調低迷的經濟增長需要通過推動創新驅動和打造新的增長源來克服，其中包括3D打印技術和互聯網+。

目前，很多國家已經將3D打印技術應用到交通、建筑、軍事、科研、教育、航空航天以及生物醫療等行業。國內外很多企業已經在采用3D打印技術來制造零部件原型，更有報道稱國外企業已經將其應用到生產飛機零部件，并將3D打印機送上國際空間站應用于各種研究。

3D打印，又稱三維打印（3 Dimensional Printing），其學名是增材制造（Material addive manufacturing），是指將材料一次性熔聚成型的快速成型技術。它以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等粘合材料，通過逐層打印并疊加不同形狀的連續層方式來構造三維的任何物體。快速成型技術主要包括熔融沉積成型、光敏固化成型、選擇性激光燒結等工藝，各種成型技術對材料以及工藝的要求各有不同。

本文主要針對基于FDM（熔融沉積式）技術的3D打印應用進行探討。

2 FDM快速成型技術

斯科特·克倫普（S.Scott Crump）博士于1989年申請了熔融沉積成型（Fused deposition modeling，FDM）專利，他創立的Stratasys公司于1992年賣出了第一臺基于FDM的3D打印機。這種技術成型系統及材料成本不高，不需要其他成型技術中昂貴的激光器或光學部件。FDM設備體積小、無污染是辦公室應用的理想桌面制造系統。

2.1 FDM原理

熔融沉積成型（FDM）的原理如下：該方法使用絲狀材料（石蠟、金屬、塑料、低熔點合金絲）為原料，利用電加熱方式將絲材加熱至略高于熔化溫度（約比熔點高 1℃），在計算機的控制下，噴頭作x-y平面運動，將熔融的材料涂覆在工作臺上，冷卻后形成工件的一層截面，一層成形后，噴頭上移一層高度，進行下一層涂覆，這樣逐層堆積形成三維工件。

2.2 FDM設計和打印過程

2.2.1 建立三維數字模型

三維數字模型的建立，可以通過3D掃描儀對模型進行掃描后，獲取需打印對象的數字模型，再利用3D打印機進行打印；也可以使用AutoCAD、Solidworks等專業的計算機建模軟件，根據實際需要從零開始建立數字模型，再進行打印。本文中需要打印的對象，都是為特定的儀器、工具進行定制設計，所以選用了3D建模軟件，根據實際測量數據進行數字模型的建立。

2.2.2 數字模型切割分層

由于對數字模型文件描述方式的差異，一般3D打印機并不能直接操作建模軟件建立的三維模型。而是將建模軟件導出的特定格式的文件，再次導入到專門的分層軟件進行切割處理，即按照指定的方向將數字模型切成一層一層的薄片。并通過分層軟件，對每層的厚度及后續3D打印所需的其他屬性進行設定。完成一系列的設置后，再從分層軟件導出為3D打印機可以識別的文件格式。

2.2.3 打印及處理

3D打印機可以通過聯機或脫機方式進行打印，目前多數3D打印機都具備脫機打印。聯機方式，即將3D打印機與電腦通過數據線連接后，通過軟件控制打印；脫機方式，則是將分層后的數字文件復制到存儲卡內，再將存儲卡插入3D打印機進行打印。將打印機調整好以后，即可以按照分層軟件計算出的特定路徑，像蓋房子一樣逐層進行打印，最終生成我們所需的模型。根據模型的復雜程度，以及模型的尺寸，打印所需的時間各有不同。快速原型后處理是指對采用快速成型加工技術生產的零件毛坯進行打磨、噴油等多道工序，最終拼接裝配成完整部件的過程。而本文所述之模型和工具，僅對支撐結構和表面進行簡單的處理即可使用，所以針對復雜模型的處理過程不再做詳細闡述。

3 應用實例

3D打印技術，具有設計制作周期短，迭代更新方便、快速的特點。在本次設計制作過程中，從設計到使用耗時最短的僅需兩個小時即可完成；而對于結構較復雜，零部件稍多的儀器狀態標識，一套完整的模型從設計、制作到模型修正、迭代升級，再到最終打印實施，也只需花費幾天，并且這些完全可以在業余時間完成。這些裝置已在車間的設備及工具上投入使用，并獲得很好的使用反饋。

緊急開關防護蓋：根據兩臺儀器的不同情況，分別設計和制作了防護蓋。在保證其防誤碰的同時，也達到了外形美觀大方、操作方便的效果，完全避免了人為誤碰的現象。

合頁：潔凈車間內，對金屬物品的使用要求較高。一般合頁均為鐵質，在經過長時間的使用后容易生銹，帶來金屬和粉塵污染，對產品帶來失效的隱患。而使用3D打印技術設計制作的塑料合頁，既實現了其功能，又能減少了金屬物品的使用。

儀器狀態標識：針對所在部門的設備自行設計，并量身定做了儀器狀態標識牌，對共計9臺儀器/設備全部進行了安裝。該標識牌結構簡單，但能夠實現自定義儀器狀態標識的內容；滑塊拼圖式的操作界面，能夠輕松實現狀態的切換，保證了標識和儀器實際狀態之間的一致性。

操作工具部件：因該工具一個小立柱的意外損壞，對其功能及使用帶來很多不便。經過實際測量后，使用3D打印機復制出一個同等功能的部件，恢復了該工具的正常使用，同時節約了資金和采購周期。

工裝檢驗卡尺：由于某石英工裝屬于生產設備關鍵部件，對產品的品質起著至關重要的作用。每次該類部件到貨，設備部門都需要對關鍵尺寸進行確認。由于缺少專業的切割設備，手工制作的卡尺在精度上無法保證。而利用3D打印機制作的卡尺，可以達到0.1～0.2mm的精度，且制作使用方便。

4 結束語

雖然3D打印技術已經完全可以實現功能性物品的打印，但是目前仍然受到打印材料、成型體積、成型時間等多方面的影響，而無法完全替代傳統工藝。但是隨著各界對3D打印技術不斷深入的探究，相信這些問題終將解決。

本文通過基本的3D打印技術的應用，設計并制作了簡單而實用的工具，將3D打印引入到日常的工作和生活中。希望借此起到拋磚引玉的作用，為我們在企業里快速有效地解決實際問題帶來新的思路，并最終為企業帶來更多效益。

參考文獻：

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