3D打印技術(shù)工業(yè)應(yīng)用巡覽

撰文/楊啟森

3D打印技術(shù)工業(yè)應(yīng)用巡覽

撰文/楊啟森

3D打印作為寫入《中國制造2025》戰(zhàn)略規(guī)劃的技術(shù)，正在不斷深入我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€場景。在制造業(yè)中這項技術(shù)常被稱作“增材制造”，以區(qū)別于傳統(tǒng)的“減材制造”的加工方式，3D打印以其個性化、定制化的特點以及環(huán)保并能實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型的優(yōu)點，逐漸在制造業(yè)內(nèi)得到應(yīng)用，它不僅重塑了傳統(tǒng)制造業(yè)而且還為制造業(yè)開拓了新領(lǐng)域。

一、重塑制造業(yè)

1.空間制造：利用3D打印制造大型梁結(jié)構(gòu)件并通過測試

Made In Space公司通過一臺具有機器人手臂的3D打印設(shè)備Archinaut打印了復(fù)雜硬件和超空間結(jié)構(gòu)，并在模擬的外空間環(huán)境中成功通過測試。Archinaut是一臺形似蜘蛛的太空制造設(shè)備（圖1），可以自動組裝和打印結(jié)構(gòu)件，此次通過測試是用于組裝空間站或探測車的大型梁結(jié)構(gòu)。

Archinaut的優(yōu)勢在于可以直接在太空中制造所需部件，在打印材料充足的情況下，可以制造出大尺寸的航天器材，這樣的制造方式可實現(xiàn)全新的航天器設(shè)計，同時減少太空發(fā)射成本。未來，Archinaut也可用于制造和裝配衛(wèi)星中需要升級的零部件。

圖1 “蜘蛛制造”系統(tǒng)想像圖

Archinaut或從SpiderFab制造理念發(fā)展而來，無需將整個空間結(jié)構(gòu)送入太空，僅需通過運載工具運輸原材料，然后在軌道上由“蜘蛛制造”系統(tǒng)建造而成?！爸┲胫圃臁毕到y(tǒng)的核心是一個多臂機器人，將其部署到太空以建造空間結(jié)構(gòu)組件，從一個“噴絲器”排出并融合碳纖維條，像織網(wǎng)的蜘蛛一樣沿著桁架網(wǎng)絡(luò)爬動，最后對這些組件進行集成，制造出整個結(jié)構(gòu)。此系統(tǒng)需要將碳纖維等原材料送入軌道，相對于傳統(tǒng)發(fā)射航天器模式，新模式可以在太空部署比當前火箭整流罩尺寸大得多的空間結(jié)構(gòu)。此外空間制造的結(jié)構(gòu)將比從地面發(fā)射的航天器材擁有更新、更簡單的設(shè)計，因為它們不需要經(jīng)受嚴酷的發(fā)射環(huán)境，這將降低設(shè)計復(fù)雜度并減小系統(tǒng)質(zhì)量，進一步節(jié)省成本?？臻g制造雖然“小眾”，但并不排除這種3D打印技術(shù)應(yīng)用到基礎(chǔ)制造領(lǐng)域的可能性。

2.模具加工：3D打印高強度ABS夾具代替金屬夾具

日本理光公司采用Stratasys Fortus 900mc系統(tǒng)的3D打印夾具替代傳統(tǒng)的金屬夾具。理光生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)量龐大，需要花費大量時間和精力來確定每個零件的正確夾具和檢測夾具，為實現(xiàn)更高效的流水線，理光設(shè)計了可以更快速組裝的可旋轉(zhuǎn)工作臺，并將3D打印作為制造新夾具的解決方案。通過使用FDM技術(shù)可以實現(xiàn)多功能夾具的制造，同時減輕加工部件的重量和成本。例如，曾經(jīng)重20kg的金屬夾具被替換為重量小于1kg的高強度ABS部件（圖2）。

通過整合3D打印工具并利用多材料FDM功能實現(xiàn)工具加工，理光減少了運營成本，創(chuàng)造出更具效益的流水線，非導(dǎo)電和耐熱聚合物也可用于組裝消費級電子產(chǎn)品。

3.醫(yī)療器械：鈦3D打印頜面植入物進入美國市場

Materialise NV公司將TRUMATCH作為第一個鈦3D打印頜面植入物產(chǎn)品進入美國市場。

圖2 3D打印的高強度ABS夾具和金屬夾具

TRUMATCH鈦3D打印植入物是一種個性化的整體手術(shù)解決方案，也稱為矯正性頜骨手術(shù)以及面部重建。從虛擬外科手術(shù)到3D打印植入物，該技術(shù)可以實現(xiàn)更好的視覺效果，并最大限度地減少患者的手術(shù)時間（圖3）。該解決方案主要使用Materialize提供的軟件、臨床工程和3D打印生產(chǎn)設(shè)備。

圖3 鈦3D打印植入物

4.航空航天：3D打印雙金屬火箭零部件測試成功

NASA成功測試了首個3D打印雙金屬火箭零部件，這標志著可以使用更多種類的金屬材料來打印航天器零部件，有助于縮短航天器開發(fā)周期并降低開發(fā)成本，Marshall航天中心的工程師Preston Jones表示：“用兩種不同的合金3D打印火箭零部件，預(yù)計可以將未來火箭的制造成本降低1/3，同時將制造周期縮短50%。”

此次測試成功的部件是火箭發(fā)動機的點火器，長10英寸，寬7英寸，是將銅合金和鉻鎳鐵合金通過“自動化粉末激光沉積”的混合3D打印工藝制造。這種工藝由DMG MORI開發(fā)，集合了3D打印和數(shù)控加工各自的優(yōu)點，不僅能融合兩種金屬，它還能在打印零件時同步加工零件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。

目前，NASA的工程師團隊對這個點火器進行了包括30多個低壓熱火在內(nèi)的測試，旨在檢驗其功能性。經(jīng)過分析他們發(fā)現(xiàn)，組成點火器的兩種金屬相互擴散得很好（圖4），可以形成一種很強的連接。

圖4 3D打印雙金屬互相擴散良好

5.鞋具成型：3D打印鞋底減震結(jié)構(gòu)性能優(yōu)異

制鞋產(chǎn)業(yè)受惠于3D打印技術(shù)的大幅進步，材料選擇越來越多元化。結(jié)合前端3D掃描獲得人體的腳部結(jié)構(gòu)特征，進而針對不同消費者個性化產(chǎn)出最符合人體工學和壓力緩沖的中底夾層和鞋底設(shè)計，將生產(chǎn)思維轉(zhuǎn)向消費者，隨時下訂單隨時制作，實現(xiàn)各種復(fù)雜設(shè)計、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期并大幅削減設(shè)計和庫存成本。

目前，阿迪達斯推出了Futurecraft 4D，這是全球首款運用3D打印技術(shù)制造的量產(chǎn)運動鞋，而國產(chǎn)品牌匹克近期也推出了3D打印鞋款，這表明3D打印技術(shù)在制鞋行業(yè)逐漸成熟。3D打印鞋底往往采用的是新型的TPU粉末，相對于傳統(tǒng)的EVA材料，TPU更具彈性，硬度更高。如果TPU粉末做成實體結(jié)構(gòu)則導(dǎo)致產(chǎn)品較重，所以采用3D打印技術(shù)的鞋底往往采用傳統(tǒng)加工技術(shù)難以實現(xiàn)的鏤空結(jié)構(gòu)，一來減輕重量，二來科技感十足且減震性能優(yōu)異（圖5）。

圖5 3D打印鞋底減震結(jié)構(gòu)

目前，打印一雙阿迪達斯Futurecraft 4D運動鞋需要1.5小時，未來有望縮短至20分鐘。而匹克的一款傳統(tǒng)鞋從設(shè)計、研發(fā)、測試到生產(chǎn)通常需要120天，采用3D打印技術(shù)后，這一過程僅需20天。與此同時，新技術(shù)也降低了研發(fā)、制造過程中的成本。例如，傳統(tǒng)制作中，一個鞋釘板往往需要大小不同的幾個注塑模具，花費高達數(shù)千美元。而這些模具通常每年都會報廢或更換。此外在人工方面，也會省去不少費用。阿迪達斯在2013年就表示，傳統(tǒng)制作模型需要12個技術(shù)人員手工制作，使用3D打印后，不超過兩個人就能完成。3D打印已經(jīng)大幅減少了評估新模型的時間，以前需要四到六周，現(xiàn)在只要一至兩天。

借助3D打印技術(shù)，設(shè)計師實現(xiàn)了更加復(fù)雜的鞋底緩沖結(jié)構(gòu)，令穿著者更加舒適，這一點要比傳統(tǒng)的注塑工藝更加先進。

6.汽車制造：全球首款量產(chǎn)3D打印電動汽車

Local Motors公司推出了全球首款量產(chǎn)3D打印汽車——LM3D Swim（圖6），客戶可以通過3D打印自主定制各種外觀元素。目前，Local Motors在美國的田納西州建立了首家汽車3D打印制造工廠，并全面展開3D打印汽車制造的業(yè)務(wù)。LM3D Swim采用“全數(shù)字控制打印技術(shù)”（DDM），整車主體都將采用3D打印方式制造，車身材質(zhì)為80%ABS塑料+20%碳纖維。LM3D Swim還將為用戶提供高度定制化服務(wù)，在3D打印技術(shù)的支持下，個人對外觀和內(nèi)飾的需求將得到最大化的滿足。

3D打印加入之后，可能會引發(fā)汽車制造的變革，降低零件制作成本，提升產(chǎn)品銷量。未來，或能大規(guī)模實現(xiàn)部分零件甚至整車的3D打印，汽車能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化和定制化，用戶能夠根據(jù)自己的需求來定制汽車。

二、開拓新領(lǐng)域

1.醫(yī)院診療：3D打印繃帶加速傷口愈合

芬蘭VTT技術(shù)研究中心正在用纖維素納米纖維開發(fā)3D打印材料，以制造一種可以監(jiān)測傷口情況的3D傷口護理產(chǎn)品——3D打印繃帶（圖7）。

通過吸出傷口中的水分，同時將蛋白質(zhì)附著到3D打印膠粘繃帶上，以促進傷口周圍的皮膚細胞的生長，縮短愈合時間。此外，傷口皮膚組織能保持活力，而不會形成硬的瘢痕組織。

纖維素納米纖維適合于開發(fā)3D打印漿料，其機械強度很高，同時對粘度和生物降解性也有積極影響。目前，已經(jīng)成功制造出的纖維素納米纖維3D結(jié)構(gòu)，其液體吸收效率是通常使用的藻酸鹽纖維敷料的三倍。

圖7 3D打印含電子元件的繃帶

這種3D打印繃帶還可以整合電子元件。通過使用一種銀墨水，芬蘭VTT研究中心將測量電極打印到一種由聚氨酯-納米纖維素制成的薄膜上，這些電極為無線FlexNode讀取器提供連接點。將覆蓋傷口的繃帶連接到病人的FlexNode讀取器的操作，是下一代醫(yī)療診療技術(shù)的一個真實案例，它將溫度或生物阻抗數(shù)據(jù)從傷口傳輸?shù)结t(yī)院電腦，讓醫(yī)務(wù)人員持續(xù)了解病人的康復(fù)狀況，以確保能夠即時發(fā)現(xiàn)傷口感染或其他并發(fā)癥。

2.藝術(shù)服飾：3D打印技術(shù)制造樹雕塑

美國康奈爾大學副教授、藝術(shù)家Jack Elliott受森林工業(yè)的啟發(fā)，使用3D掃描和紙張3D打印技術(shù)造出了一顆巨型藍桉樹。

Elliott首先用攝影測量技術(shù)3D掃描了Burnie的一顆巨型藍桉樹。完成掃描后，他使用Mcor公司開發(fā)的一種全彩紙3D打印技術(shù)來制造樹雕塑，該工藝使用一層層的紙和一種強力粘合劑來創(chuàng)建三維物體。

未來，3D打印技術(shù)在個性化藝術(shù)品制作方面將擁有巨大的潛力。

3.學校教育：3D打印歷史古跡

3D打印作為一種快速制造技術(shù)，基于數(shù)字化模型復(fù)刻文化遺跡，以全新的方式帶領(lǐng)學生們觸摸歷史,保留傳統(tǒng)文化，受到眾多師生的青睞。3D打印技術(shù)在復(fù)刻歷史古跡方面具有很強的表現(xiàn)力，學生們運用3D軟件建立歷史古跡數(shù)據(jù)模型，借助3D打印機復(fù)刻古跡原型（圖8），這一過程不僅為歷史課程提供了輔助教學道具，同時也極大地培養(yǎng)學生們的創(chuàng)新思維及動手能力。

圖8 3D打印機打印文物模型

除了3D打印歷史古跡，3D打印在幾何教育方面也發(fā)揮著重要的作用。學生們通過3D打印幾何立體模型，直觀認識空間幾何體的結(jié)構(gòu)特征，從而培養(yǎng)幾何直觀能力、空間想象能力，同時增強學生的自主學習、合作學習的意識。基于3D打印技術(shù)的教學模式創(chuàng)新，激發(fā)了學生潛能，促進綜合能力的提升，或?qū)⒊蔀槲磥斫逃l(fā)展的新趨勢。

4.零件維修：3D打印維修工具和零件定制

由于汽車換代速度越來越快，廠家將不再生產(chǎn)已經(jīng)下線的汽車零配件，這就導(dǎo)致型號過時的汽車維修時沒有零部件可用，而汽車維修行業(yè)和4S店均難以將汽車的零部件配齊。因此，維修企業(yè)必須要具有零部件定制生產(chǎn)的能力，而通過3D打印技術(shù)可以快速打印出維修所用的工具以及零部件，從而解決相關(guān)售后維修問題，為各種車型的零部件缺失維修提供重要保障。

圖9 3D打印汽車零件

汽車的維修工具往往有特殊的尺寸和形狀的要求，3D打印維修工具所使用的技術(shù)主要是三維數(shù)字掃描和逆向設(shè)計技術(shù)（圖9）。例如，汽車維修扳手通過三維掃描創(chuàng)建數(shù)字模型，并利用圖片處理技術(shù)來進行切片。打印汽修扳手時，應(yīng)確定作業(yè)的尺寸和模具的形狀，最后再通過復(fù)合材料進行堆積成型。扳手打印的誤差應(yīng)控制在0.08～0.1mm之間。在保證各種打印信息數(shù)據(jù)準確的情況下，對汽車維修工具進行打印，以滿足特殊工具的高精度要求。

雖然3D打印技術(shù)的操作比較簡單，但是對于操作人員的素質(zhì)要求相對較高，需要汽車維修企業(yè)積極引進相關(guān)的3D打印技術(shù)和設(shè)備，并通過人才集中培訓提供人力資源支持。

5.原型設(shè)計：3D打印航空座椅設(shè)計

Zodiac Seat通過Stratasys 3D打印快速創(chuàng)建準確型號的設(shè)計驗證原型，完成航空座椅設(shè)計（圖10）。

圖10 使用3D打印生產(chǎn)原型的航空座椅

通過使用3D打印生產(chǎn)原型零件比傳統(tǒng)方法減少長達六周的時間，還可以使用Objet500 Connex1的多材料功能，在單次打印中將硬質(zhì)和軟質(zhì)部件組合在一起進行3D打印。

應(yīng)用3D打印機可以不必等待外部供應(yīng)商的備件，減輕了開發(fā)周期的壓力。通過內(nèi)部多材料3D打印功能，可以進行更多的原型迭代，使Zodiac能夠顯著縮短設(shè)計周期。