3D 打印技術的應用及產業化發展研究*

姚層林

武漢商學院，湖北 武漢 430056

對于3D 打印技術的應用，最關鍵的基礎為數字模型文件，通過一些可黏合材料例如粉末狀金屬或者塑料等，借助逐層打印的形式對物體進行構造，其最大的特征是精準度高、效率高。該項技術也是非常關鍵的增材制造技術，已經廣泛使用在當前的工業生產中，可有機融合多項工藝，提高生產效率及質量。但是該項技術還有很大的提升空間，仍有一些問題存在，對產業化發展的進程造成了阻礙。例如，工業打印機裝備非常昂貴，設計理論還不夠完整，等等。因此，要對3D 打印技術的應用和產業化發展進行詳細的探究和分析。

1 應用3D 打印技術的優勢

1.1 傳統加工的缺陷和不足

現今，對于切削加工方面，人們掌握的加工技術有了很大的突破和進展[1]。21 世紀，在工業當中對產品提出的要求非常嚴格，不但要縮小產品的體積，還要提升結構的復雜程度，因此要不斷完善現有的加工工藝，使其滿足未來產品制造和研發的需求。此外，受持續發展策略的影響，每個行業都在追求節能性、環保性。切削加工的使用會浪費很多材料，因此需要將其改進，使用更加現代化和系統化的技術類型，以彌補市場空白。

1.2 3D 打印技術的應用優勢

對比之前的加工制造技術，3D 打印技術有更多的優勢。（1）可以打印完成非常煩瑣的復雜形狀。因為三維軟件的有效應用能夠設計出十分復雜的形狀，所以對于3D 打印技術的使用有著廣泛的范圍，可實現多種結構的設計，也能完成形狀非常復雜的零件制造[2]。（2）可針對全彩色、功能梯度和異質材料進行處理制造。（3）實現多層次的打印。3D 打印技術具備傳統加工技術無法達到的尺寸精度，例如細胞打印和原子打印，這樣的技術結合了宏觀和微觀層面。（4）功能十分豐富并且全面。對復雜結構零件進行加工和制造時，通過該項技術可以整本直接打印，將零件拆分制造后，節省了焊接過程，不但使加工制造效率有所提高，還規避了不同零件銜接不了所產生的質量問題。此外，節省的裝配環節將有效降低工作量和生產成本。

3D 打印技術對虛擬數字化實體模型進行了轉換，使其成為產品模式，有益于生產效率的提高，并降低研發成本，還使整個生產過程的工作量下降。因此，3D 打印技術可以廣泛應用在復雜零件的生產中，為實現產品設計的多樣化奠定重要的基礎。

2 3D 打印技術的工業應用現狀

在各個行業中，對于3D 打印技術的使用已經開始普及，其有效結合了傳統工業制造工藝，從而使生產效率得到提升。

2.1 3D 打印本體成型

在汽車和飛機制造行業中，很多零件的生產都有相同的特征，例如生產車燈、保險杠、擋風玻璃等設備都具有的共同特征包括看似外觀比較簡單，但需要的生產工藝煩瑣，特別是制作圓弧時，會花費大量的材料，并耗費一定的時間。這些問題會導致生產效率難以提升。現在，通過3D 打印技術，針對大型復雜的零件可以開展整體制作，并使關鍵零件的制造速度加快，有益于提升工業零件生產的效率。此外，利用計算機便可以開展編輯作業，將其與碳纖維復合材料結合之后，便可實現汽車或者飛機外部設施制作整體打印成型的效果。根據統計的數據可知，3D 打印技術針對器件開展加工作業時，溫室氣體的排放會有所減少，這是因為3D 打印技術中使用的器件與傳統器件相比有很大的不同，并不需要較多的材料，所以建材減重得以實現，有益于可持續發展的推進[3]。

2.2 3D 打印結合傳統工業制造

3D 打印技術結合傳統的鑄造工藝時，可以有效提升傳統鑄造工藝的效率，為工業制造創造更加理想的發展前景和空間，為我國航天事業、國防事業等生產大型零件奠定扎實的基礎。例如，某企業在制造工業零件時應用了3D 打印技術，通過該項技術完成了坦克漩渦盤的加工作業。在引入該項技術之前，企業采用的加工方式為老式熔模鑄造，先通過模具對蠟膜進行制造，之后利用鑄造工藝完成加工和成型，過程比較復雜，需要花費一定的時間和人力、物力。在應用3D 打印技術之后，可以直接制造蠟膜，使得時間和材料有所節約。在制造汽車配件時，針對發動機外殼的生產，由于其結構非常復雜，以往的工藝是需要先分造，之后再焊接才能完成外殼的制造。但是，通過3D 打印技術，可借助CAD 軟件對發動機外殼的參數加以分析，做出仿真模擬，通過直接整體打印的方式制出熔模，然后進行整體澆筑即可，整體質量會減少30%左右，也使得焊接潛在的隱患有所降低。

3 3D 打印技術的產業化發展措施

與傳統加工技術相比較，3D 打印技術的使用有著更加突出的優勢和特征，因此該技術已經成為制造體系中非常關鍵的部分，涉及的領域包括制造業和加工業等。

3.1 3D 打印技術在整體成型工業中的應用

針對大型工業制造，很多關鍵的零件結構非常復雜，并且形狀各異，如果只是通過傳統的技術進行加工，不但沒有較高的效率，還無法保證精準程度。現在，通過3D 打印技術可以高質量地開發和制造關鍵零件，例如，在汽車制造中借助3D 打印技術，能夠靈活調整汽車殼體的各項參數，使得復雜的汽車輪廓生產有了更充足的條件。同時，在直接成型的復雜高性能塑料材料當中也會應用3D 打印技術，例如美國的戰斗機管道系統，在生產制造時便對該項技術進行了應用。該技術的環保性也非常突出，傳統技術有時候會產生大量溫室氣體，對四周的環境造成不良影響，但是這一技術能夠有效控制溫室氣體的排放量。

3.2 3D 打印技術結合傳統制造工藝的使用

在航天航空制造方面，很多零件的開發和制造都會使用3D 打印技術，并結合傳統的鑄造工藝，因此即使是非常煩瑣的異形零件，對其生產時也能實現高效和低成本的目標。例如在制造坦克時，渦輪盤制造需要采用熔模鑄造的形式，操作方法為借助模具對蠟模進行制造，之后通過鑄造工藝完成加工內容。3D 打印技術可以簡化該過程，并不需要模具便能完成蠟模的制造，不但降低了成本，還提升了生產效率。此外，在6 缸柴油發動機缸蓋中也對該項技術進行了使用，使整體成型得以實現。

3.3 3D 打印技術與傳統模具的有效應用

很多工業在生產中對精密度的要求非常嚴格，一般需要使用的模具非常繁雜，且制造過程中需要耗費較高的成本，花費大量時間和精力。在現在的模具制造中，應用3D打印技術可以有效解決傳統生產出現的很多問題。例如，傳統模具制造工藝中的冷卻模具工序十分關鍵，一般應用的方式為打直孔。但該項方法并沒有較高的冷卻效率，效果也不夠理想。為了使產品的生產效率和質量得以提升，對于注塑膜冷卻工藝的探索仍在不斷進行。目前，使用最普遍的為隨形冷卻流道。通過3D 打印技術，可以有效獲取隨形冷卻模具鑲塊，取得的冷卻效果十分理想，還能對產品缺陷率進行控制。

3.4 3D 打印技術結合傳統熱等靜壓工藝的使用

以往使用的熱等靜壓工藝需要滿足的環境為高溫、高壓，才能使粉末材料完成致密化的效果，在鑄件致密化處理中有著廣泛應用。現在，將該項技術結合3D 打印技術，可以實現零件的整體加工制造，并使其性能大幅度提升。在具體實施中，有些零件的要求非常特殊，需要對3D 打印技術進行應用，使其復雜的外觀結構得以制作完成，之后將異質粉末材料添加至其中，通過熱等靜壓工藝可以使兩者的銜接有效實現。3D 打印技術與傳統熱等靜壓工藝的充分結合在航空航天領域有著廣泛的應用，例如生產航天器外殼，通過兩項工藝的結合，使以往加工時存在的困難和問題得到了有效解決。

4 結束語

總之，在工業生產中，人們對零件精度的要求越來越高，通過3D 打印技術的應用與傳統制造工藝的有效結合，實現了復雜零件的高水平、高效率加工制造，也使得3D 打印技術進一步向產業化發展邁進。