3D 打印技術在創新創業實踐中的應用探究★

陳建麗，柳英杰，卞青青

（廣東科學技術職業學院機器人學院，廣東 珠海 519090）

引言

3D 打印技術誕生于20 世紀80 年代的美國，當時市場環境發生了巨大變化，一方面表現為消費者的需求日益主體化、個性化和多樣化，另一方面則是產品制造商們都著眼于全球市場的激烈競爭。面對市場，企業不但要迅速設計出符合人們消費需求的產品，而且還必須很快生產制造出來，搶占市場。3D打印技術就是在這種背景下發展起來的一種新型數字制造工藝技術，利用這項技術可以直接從三維模型快速而精確地制作產品，具有制造周期短、不受產品復雜程度約束、小批量生產成本低等典型優勢。在“大眾創業，萬眾創新”和“中國制造2025”的時代背景下，以“智能制造”為主攻方向的機械產品創新設計占創新創業實踐相當比重。創新設計中，很多執行體是具體產品，這些產品需要被快速加工制造出來，投入實踐檢驗效果。但由于受到設計者專業知識背景、機床準備、工裝夾具設計、模具設計制造等因素的影響，產品制造往往耗時長、成本高、甚至根本無法加工制造，最后使創新創業理念很難被執行下去。3D 打印“快速、低成本、可打印特殊復雜形狀”的典型特征與創新創業實踐中實體零件加工需求剛好吻合，為創新創業實踐者提供良好的制造解決方案，可讓設計者專注產品功能性，實現了“自由設計，快速制造”[1-4]。

1 3D 打印技術簡介

3D 打印也稱為增材制造，是近期快速發展起來的一種新型數字制造工藝技術。其工作原理為從零件的CAD 幾何模型出發，通過分層離散軟件和成型設備，用特殊的工藝方法（熔融、燒結、粘結等）將材料堆積而形成實體零件。3D 打印的過程如圖1 所示。3D 打印分為前處理、分層疊加成型和后處理三個階段，如圖2 所示。因此，3D 打印是基于離散——堆積的思想，將一個物理實體復雜的三維加工，離散成一系列二維層片，逐點、逐面進行材料的堆積成型。該技術一出現就取得了快速的發展，在消費電子產品、汽車、航空航天、醫療、藝術設計等各個領域都取得了廣泛的應用[5-6]。

圖1 3D 打印過程示意圖

圖2 3D 打印技術的三個階段

由于3D 打印采用了一種全新的數字化“增加材料”加工方法，與傳統的“去除材料”加工方法完全不同，它將復雜的三維實體分解成簡單的平面二維加工的組合，消除了生產過程中設計工裝夾具，加工模具等中間環節，不需要根據產品形狀更換設備，忽略了產品結構復雜程度對加工過程的影響，因此特別適合新產品的快速制造，由此表明3D 打印技術的特點非常吻合創新創業實踐中實體零件制造的需要。

2 3D 打印技術在創新創業實踐中的應用優勢

在“大眾創業，萬眾創新”和“中國制造2025”的時代背景下，以“智能制造”為主攻方向的機械產品創新設計占創新創業實踐相當比重。各類創新創業競賽也是層出不窮，如“挑戰杯”創新計劃大賽、“互聯網+”大學生創新創業大賽、全國大學生機械創新設計大賽等等。在創新設計中，很多執行體是實體產品，如高空清理機器人、水果自動采摘機，這些產品都需要設計并快速制造出來，在實踐中檢驗其具體成效。受到設計者專業知識背景、機床準備、工裝夾具設計、模具設計制造等因素的影響，產品制造往往耗時長、成本高、甚至根本無法加工制造，最后使創新創業理念停留于紙上設計，沒有被真正在執行下去。3D 打印以其“增材制造”的獨特性，在小批量新產品的快速制造上具有巨大優勢，具體體現在以下幾個方面：

1）成型速度快。3D 打印技術實現了設計與制造一體化，在成型工藝中，計算機的CAD 模型數據通過接口軟件轉化為可以直接驅動3D 打印設備的數控指令，3D 打印設備根據數控指令完成零件的加工。由于離散分層制造的原理，由模型直接疊加制造三維實體，不需要傳統的加工機床和加工模具，減少了從設計到制造中間環節，提高了全過程的響應速度。整體設計制造周期短，時效性強，符合創新創業實踐中設計制造周期短，更新換代速度快的要求。

2）能夠制造任意復雜形狀的三維實體。以具體產品為載體的創新創業實踐可能發生在任何人身上，這些人不一定具有機械加工專業背景，他們的設計思想天馬行空，所設計的產品也是五花八門，但傳統機械加工卻受產品形狀、刀具、裝夾等因素的約束，產品內外形狀均有“可加工范圍”。3D 打印技術由于采用分層制造工藝，將復雜的三維實體離散成一系列層片加工和加工層片件的疊加，從而大大簡化了加工過程，它可以加工復雜的中空結構且不存在三維加工刀具干涉的問題。因此理論上講，可以制造具有任意復雜形狀的產品。基于這一點，設計者在進行創新創業實踐時可專注于產品及其功能設計，不受加工制造能力約束，能開辟出巨大的設計和制造空間，實現“自由設計，快速制造”。如圖3 為利用3D 打印技術制造的人工晶格，具有復雜的內部鏤空結構，若采用傳統機加工方式則很難完成。

圖3 3D 打印人造晶格

3）制造成本低。創新創業實踐中所設計制造的產品一般都是單件或小批量，若按傳統加工方式需專門設計工裝夾具或開模，生產成本高。3D 打印技術是產品的制造成本和產品的復雜程度、生產批量基本無關，產品單價與復雜程度及產品數量關系如圖4 所示。3D 打印技術由于降低小批量產品的生產周期和成本，尤其適合新產品的開發和管理，適合小批量、復雜、不規則產品的直接生產，不受產品復雜程度的限制。該技術改善了設計過程中的人機交流，使產品設計無需依賴機床和模具，從而縮短產品設計、開發的周期，加快了產品更新換代的速度，在很大程度上降低了加工制造成本，同時也降低了創新創業實踐的風險。

圖4 3D 打印與傳統制造方法的產品單價比較

3 結語

3D 打印技術通過離散切片，堆積累加的增材方式進行制造。將一個物理實體復雜的三維模型分解成一系列二維層片加工，不需要傳統加工中的機床設備及加工模具，具有產品形狀不受加工工藝限制，加工速度快，單件成本低的典型優勢。以實體產品為依托的創新創業實踐通常有很好的設計理念，卻缺乏加工制造方法，或制造周期長，制造成本高，讓設計理念無法付諸實踐。3D 打印“速度快、成本低、柔性高”的典型特征與創新創業實踐中單件新產品的制造需求完美吻合，為創新創業實踐中的實體產品制造提供解決方案。