3D打印技術在機械制造領域中的應用研究

高軍

摘? 要：基于3D打印技術發展過程中存在的問題，為促進3D打印技術在機械制造領域的更好應用，提出發展對策與建議：加強3D打印技術研發，促進機械產品量產;降低3D打印機價格，解決購買成本過高、部分機械制造企業3D打印接受度不高等問題，采取措施提升創業者基于3D打印技術創業的信心。

關鍵詞：3D打印技術;機械制造;量產;價格;創業信心

中圖分類號：TH162? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-3769（2020）05-043-04

一、 3D打印技術及其政策發展背景

（一） 3D打印技術的內涵

3D打印為快速成型技術的重要分支，業界又稱之為“增材制造”或“快速成型技術”，被譽為第三次工業革命最具標志性的生產工具。3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印技術將如下技術有機融合在一起：即數字制造技術、先進材料技術、信息網絡技術等，儼然已逐步發展成為“工業4.0”的核心制造技術之一，必然會給傳統機械制造業帶來一系列變個性的影響[1]。加快3D打印技術發展，對推進我國機械制造業的轉型升級與發展具有極為重要的意義。

（二） 3D打印技術的政策發展背景

目前，世界工業強國紛紛將3D打印技術作為未來產業發展新的增長點加以培育，制定了發展3D打印技術的國家戰略和具體推動措施，力爭搶占未來科技和產業制高點。例如，美國“國家制造業創新網絡”計劃，將3D打印技術作為主要支持領域;歐盟“第七框架計劃”為數十個3D打印技術聯合研究項目提供支持等等。

與此同時，我國近年來不斷加快轉變經濟發展方式和產業提質增效升級，推動以3D打印技術等先進技術改造提升傳統產業。例如，國務院發布的《中國制造2025》提出加快發展3D打印技術在內的智能制造裝備和產品以及制造過程智能化，加快增材制造等前沿技術和裝備的研發。工信部等三部委發布《國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016年）》，提出“把培育和發展3D打印技術產業作為推進制造業轉型升級的一項重要任務，加大政策引導和扶持力度，營造良好的發展環境，促進3D打印技術產業健康有序發展”，并制定了材料、工藝、裝備、標準、示范等5個方面的具體推進計劃。科技部《國家高技術研究發展計劃（863計劃）以及國家科技支撐計劃制造領域2014年度備選項目征集指南》也將3D打印技術首次列入國家重點扶持領域。北京、江蘇、浙江、福建、四川等省市也紛紛出臺促進3D打印技術發展的推進計劃、實施方案、路線圖、工作意見等，加快3D打印技術科技創新、行業應用和產業發展[2]。

除此之外，廣東省也將3D打印技術列為省重點培育和發展的戰略性新興產業，并發布《加快3D打印技術和應用產業發展實施方案》等系列文件，提出以產品示范應用為核心，以重大項目培育為抓手，逐步提升全省3D打印技術創新能力和產品應用水平。組織實施重點領域3D打印技術應用示范工程，完善技術創新和公共服務平臺體系，在關鍵技術研發和儲備、產品示范和應用推廣等方面取得突破，建設一批省級以上創新平臺，積極打造全球重要的3D打印技術應用產業集聚地，推動現代產業發展和傳統產業轉型升級。

二、3D打印技術在機械制造領域中的應用現狀

（一） 3D打印技術在機械制造領域中應用取得的成績

與傳統技術相較而言，3D打印技術具有打印過程更快、更便宜、更安全等典型特點[3]。研究表明，金屬3D打印的成本也相對較低，僅為傳統機械制造技術成本的十分之一左右，且在很多方面的性能優勢更強。正因如此，3D打印技術早已在機械制造領域中應用。目前3D打印技術在機械制造產業領域中應用取得的成績主要表現有：

1.大幅提升機械制造成品率

眾所周知，傳統機械制造生產必須經過設計、模具、造型及澆注等諸多工序，制造過程極為復雜。如若制造一些小型且結構復雜的鑄件，成品率也相對較低。一般而言，其成品率往往只能達到20～30%。將3D打印技術應用于機械制造當中，可大幅提升機械制造成品率，有些機械制造成品率可達100.0%[4]。

2.可切實確保產品的質量

運用3D打印技術提升機械制造成品率仍遠遠不夠，在此基礎上還應切實確保產品質量。這一點，3D打印技術也完全能夠做到。在打印機械零件產品過程中，所用材料包括鋁、鈷、鉻、銅、不銹鋼、鈦和鎢，打印出來的機械零件產品為致密的燒結金屬，其材質不僅具有更高的強度和硬度，同時還具有較強柔韌性[5]。總而言之，3D打印技術可切實確保機械零件產品的質量。

3.助力機械制造的產業發展

3D打印技術在機械制造領域中的應用可有效助力機械業的產業發展，這一點毋庸置疑。例如，2018北京車展，XEV制造的首款量產3D打印電動車LSEV正式亮相。由于3D打印技術的科學應用，電動車LSEV在整個生產制造過程中不僅不用模具，也無需焊接、沖壓等步驟，整個打印周期所需時間僅僅只為傳統汽車制造的三分之一左右。

（二）3D打印技術在機械制造領域應用過程中存在的主要問題

隨著3D打印技術的廣泛應用，未來必然會影響整個機械制造產業格局[6]。發展至今，3D打印技術在機械制造領域中的應用雖取得一定成績，但問題也隨之產生，主要有：

1.傳統3D打印速度慢，限制量產可行性

業內人士均明晰，3D打印技術如今并未在機械制造領域得以廣泛應用。原因為傳統3D打印速度過慢，限制了量產的可行性[7]。從本質上，3D打印技術原理并不復雜，不過要讓材料、軟件及硬件做到完美協同，快速生產機械零件產品，需要在技術研發方面加強投入。在與一名機械制造企業負責人進行交談時，他說到：“3D打印技術應用于機械產品制造是可行的，但依目前的3D打印技術而言，由于打印速度過慢，因此還遠遠無法滿足量產的需要。”隨著3D打印技術的持續不斷發展，相信在不久的將來，其打印速度必然會在保證質量的基礎上越來越快，為機械產品的量產提供保障。但是此過程究竟要經歷多長時間目前還是個未知數。

2.3D打印機成本高是必須解決的關鍵點

應用3D打印技術生產機械零部件產品需要依托3D打印機，但目前市場上能夠用于機械零部件產品打印的3D打印機價格不菲，機械制造企業購買少量3D打印機用于加工少量機械零部件還是可行的，但如若大規模應用于生產，顯然會給企業運營增加巨大經濟負擔。正因如此，目前很多機械制造企業不得不放棄購買3D打印機用于機械零部件生產。在對23名機械產品制造企業負責人進行問卷調查時，100.0%的人認為目前可用于機械零部件生產的3D打印機價格過高。

3.部分機械制造企業的3D打印接受度不高

3D打印技術再先進，也需要有機械生產制造企業應用才具有價值。在實地調查走訪過程中了解到，目前只有一些大型機械生產制造企業對3D打印技術表現出濃厚興趣，部分中小型機械生產制造企業對3D打印技術的接受度相對較低。之所以產生此種情況，主要緣于這部分機械生產制造企業對3D打印技術應用于機械制造的優勢并不了解。在部分機械生產制造企業眼中，3D打印技術只不過是“花架子”，遠沒有傳統機械生產制造技術來得可靠。此種情況的存在對3D打印技術在機械制造產業領域的推廣與普及顯然不利。

4.創業者對基于3D打印技術創業信心不足

在3D打印技術快速發展且在機械生產制造領域得以有效應用的大背景下，創業者基于3D打印技術在機械制造領域創業無疑是一大良好機遇。但由于諸多方面原因，創業者對基于3D打印技術創業的信心普遍表現不足。在對即將著手在機械制造領域進行創業的部分創業者進行訪談時發現，他們對基于3D打印技術創業表現得非常迷茫。這種情況在某種程度上亦會影響3D打印技術在機械制造領域中的應用。

三、促進3D打印技術在機械制造領域得以更好應用的對策與建議

基于3D打印技術在機械制造領域應用過程中存在的上述問題，為促進3D打印技術在機械制造領域的更好應用，提出如下發展對策與建議：

（一）加強3D打印技術研發，促進機械產品量產

3D打印速度過慢限制了機械產品量產，為解決此問題，未來需進一步加強3D打印技術研發，從而更好促進機械產品量產[8]。為實現此點，我國政府應制定相關方面的政策措施，鼓勵3D打印技術研發機構、高校及相關企業加強技術研發，提升3D打印速度。具體可采取如下措施：第一，構建3D打印技術的新型創新載體。構建全新的3D打印技術創新生態網絡，是全面促進3D打印技術創新的重要途徑。面向3D打印技術創新發展的重大需求，可積極借鑒發達國家的戰略部署和成功經驗，以孵化器、加速器等創新載體建設為途徑，搭建3D打印技術公共服務平臺，促進3D打印技術的創新研發。同時，還應打通技術、商業、資本之間的分割與壁壘，構建新型3D打印技術創新孵化平臺。第二，給予3D打印技術創新更多的財政支持。對于致力3D打印技術研發的機構、高校及相關企業，政府可考慮從財政中撥付一部分資金，用于支持和鼓勵其加強3D打印技術研發。當3D打印技術愈發趨于成熟與完善后，打印速度不斷提升，運用3D打印技術規模化生產制造機械產品也必然會成為現實。

（二）降低3D打印機價格，解決購買成本過高問題

可用于機械零部件產品生產的3D打印機價格過高同樣不利于機械零部件產品的規模化生產，很多機械制造企業均會因為3D打印機價格過高望而卻步。所以，未來還需加強3D打印技術研發，降低可用于規模化生產的3D打印機生產成本。但短時間內降低3D打印機成本并不現實。最可行的是：政府為可用于機械零部件生產的3D打印機生產企業提供補貼，如同之前的新能源汽車補貼一樣，通過補貼降低3D打印機售價。除此之外，還可以對購買3D打印機用于規模化生產機械零部件產品的企業，實施現金補貼和稅費減免。例如，可規定購買3D打印機達到一定數量后，減免相關企業的稅費。此做法可變相降低機械制造企業的3D打印機購買成本，利于激發其購買3D打印機用于機械零部件產品規模化生產的積極性。在國家大力鼓勵發展3D打印技術的大背景下，隨著3D打印技術的愈發成熟，可用于機械生產的3D打印機售價也必然會逐步降低。

（三）解決部分機械制造企業3D打印接受度不高問題

為促進3D打印技術在機械制造領域的更好應用，還需提高部分機械制造企業對3D打印技術接受度。具體可采取如下措施：第一，政府構建3D打印技術示范中心，邀請機械制造企業參觀體驗。3D打印技術示范中心下設四大中心：（1）模型設計中心：提供3D打印創新設計、產品優化、快速原型、模具開發等服務。（2）加工服務中心：提供3D打印產品定制、批量生產服務。（3）檢測中心：提供3D打印模型檢測、產品檢測等服務。（4）展示體驗中心：提供3D打印技術、產品展覽展示和應用體驗。通過參觀體驗，機械制造企業可零距離體驗3D打印技術的優勢，建立應用3D打印技術生產機械零部件產品的信心。第二，定期或不定期舉辦3D打印技術行業座談會，并積極邀請機械制造企業負責人參加。通過座談會對更多機械制造企業負責人產生影響，提升3D打印技術的接受度。第三，可組織部分機械生產制造企業到國外參觀訪問，了解國外機械制造企業應用3D打印技術的現狀。通過上述舉措的綜合應用，必然可有效提升機械制造企業對3D打印技術的整體接受度。

（四）采取措施提升創業者基于3D打印技術創業的信心

第一，政府構建創業苗圃。依托共享研發設備和應用服務體系，培育基于3D打印技術的機械制造產業鏈創業企業，為其提供集辦公設施、產品開發支持、孵化服務等功能為一體的創新載體，具體可包括：辦公場所與設備;研發設備與技術支持、產品定制與批量生產;創業咨詢及代辦、創業輔導，以及項目路演、風投基金對接活動等服務。除此之外，還應重點聚焦3D打印技術在機械制造領域應用的關鍵環節，打造如下四大創業苗圃即，模型設計軟件苗圃、新型材料苗圃、制造工藝技術苗圃、增材制造行業應用苗圃。第二，成立3D打印技術天使基金。在加速器內孵化和培育3D打印技術軟件、材料、工藝、機械制造行業應用等領域的科技創業企業（成立天使基金的目的是通過投資更好地培育基于3D打印技術的機械制造領域創新企業，重點不在于盈利。但是，天使投資本身的收益也很可觀，據統計，國內一半以上天使投資回報率在30%以上，18%的天使投資回報率超過200%。）。有了創業苗圃和天使基金的大力支持，創業者基于3D打印技術在機械制造領域創業的信心必然會不斷增強。

參考文獻：

[1]杜惠斌，宋國立，趙憶文，韓建達.利用3D打印標定球的機械臂與RGB-D相機手眼標定方法[J].機器人，2018（6）：27-30.

[2]徐春榮.在機械制造領域中3D打印技術的應用探析[J].電子元器件與信息技術，2019（9）：20-23.

[3]謝冬冬，張磊剛.基于3D打印技術的機械教學模型制作研究[J].機械工程師，2017（5）：10-12.

[4]王智昊.3D打印技術在機械自動化領域的應用[J].電子技術與軟件工程，2018（1）：4-7.

[5]董莘，趙寒濤，吳岡.鑄造砂型3D打印技術的對比與應用分析[J].自動化技術與應用，2019（11）：25-28.

[6]夏端武，薛小鳳.3D打印技術對機械制造業產生的影響[J].機械設計與制造，2016（12）：184-186.

[7]段望春，高佳佳，董兵斌，李研，劉少偉，楚瓏晟.3D打印技術在金屬鑄造領域的研究現狀與展望[J]. 鑄造技術，2018（12）：18-22.

[8]周玉環.3D打印技術對機械工程的影響探析[J].企業科技與發展，2018（11）：78-80.