工業級3D打印技術推動產品研發變革

井長勝 于強 王曉龍 劉亞坤

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

關鍵詞：工業級;3D打印;增材制造;產品研發

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展，結合材料技術的發展，SLA、SLS/SLM、3DP、FDM、LOM、LENS、EBM、WAAM等很多不同的3D打印工藝相繼出現。3D打印技術已經應用到航空航天、汽車制造、模型模具、醫學和建筑等各行各業。

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

工業級3D打印機的發展推動著新產品研發、制造的快速變革，國內各行業需要積極應用3D打印技術進行產品研發、制造，用需求拉動國內工業級3D打印技術的快速發展，使產品研發能力的提升與3D打印技術的發展相互促進，以免與國外產生差距。

1 工業級3D打印技術的發展情況

1.1 高速、高性能、高質量的增材制造新技術

美國Carbon3D公司的連續液態界面（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，實現高速、連續的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3D打印系統制造商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，瞬間一次性燒結粉末材料并逐層制造零件。構建過程非常高效，可以作為許多應用的注塑替代品。

惠普公司發布了專為大批量生產工業級金屬零件而研發的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。

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的塑料零件，無需傳統制造方法所需的昂貴模具，可以節省小批量生產工業塑料零件的成本。

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了一種3D打印電子設備的自動化工藝，能夠制造非常規形狀的電路。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網設備，整個原型的打印、測試和組裝僅耗時18個小時。比傳統制造方法快90%，傳統方法需要2周甚至更長時間。

1.2 3D打印材料的創新

瓦克化學公司開發了全球首項用于液體硅橡膠組件增材制造的工業級技術。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異性能。

西安交大采用連續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打印工藝實現高性能復雜結構復合材料構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 PLA 零件（48 MPa～53 MPa）的7倍，性能與鋁合金相當，重量減少2/5。可滿足工業領域對于大尺寸構件的應用需求，可實現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和衛星天線領域展現出良好的應用前景。

韓國通信衛星使用了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節，包括拓撲優化、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構預測等，幫助完成高質高效的增材制造工藝設計而無需昂貴而耗時的試錯過程。

零件的拓撲優化設計：在保證結構剛度和承載能力的條件下優化結構材料分布，實現輕量化設計。拓撲優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構和變形補償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化設計、點陣結構設計、性能分析評估，相比傳統制造工藝可以更大程度地采用拓撲優化的計算結果，減重效果非常明顯。

面向傳統制造工藝的產品設計需要根據加工能力分解為很多零件，金屬3D打印技術的發展可以將很多零件進行融合設計，使零件數量大減，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。

功能和結構的融合設計，可對減震、防淋雨、散熱、電磁兼容等功能進行創新性的結構設計，與零件結構融合設計，減少功能器件的使用。如防淋雨可以采取非密閉的外殼結構，設計為既能進氣又能泄水的曲折、分支等復雜通道，與外殼結構融合設計，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境適應性的風險，而這類復雜結構使用傳統制造工藝很難，甚至無法實現。

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前的模具設計和制造工作，并行開展設計工作，節省模具設計、制造、試模、修模的時間，使產品更快上市。

3 工業級3D打印技術對產品研發流程的影響

面向傳統制造工藝的新產品研發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、試驗有時會發現問題，而解決問題的時間也長，導致整個研發周期很長。

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

詳細分析整個研發流程如下：

產品造型階段可以快速3D打印多個不同的產品造型進行對比、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打印技術加工產品結構、部分電路板，能大為節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，盡早發現和解決潛在的問題。

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

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

4 面向工業級3D打印的產品研發展望

2019年6月歐洲發布《2030年歐洲工業展望》，該報告將增材制造確定為歐洲工業未來戰略增長的關鍵。

由于3D打印技術對產品設計各種工藝限制的減少，使產品設計軟件可以更快地向智能化方向發展，之前的計算機輔助設計（CAD）將會發展為人工智能輔助設計（AIAD），使產品設計更加合理、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品功能的實現和完善上。產品研發組織形式和產品研發流程等也會發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合起來稱為4D打印技術，智能材料的3D打印結構在外界環境激勵下實現自身的結構變化。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。相應的產品研發模式也會發生深刻的變革。

5 結語

隨著工業級3D打印技術的不斷發展、普及，企業需要在產品的策劃、設計過程中不斷增加增材制造的考量、嘗試，使產品戰略、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。對企業而言，這些變革不可能一蹴而就，需要在各方面進行規劃布局，不斷嘗試，總結經驗，才能形成適合企業、適合產品特點的增材制造發展路線。

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