惠普3D 打印介紹及在制造工程的應用研究

孫文虎 劉雷 宋濤

惠普打印機（山東）有限公司 山東威海 264209

1 惠普3D 打印介紹

1.1 惠普3D 打印概況

惠普是全球生產工業級塑料和金屬3D 打印的領先解決方案供應商，為包括寶馬集團（BMW）、耐克（Nike）、捷普（Jabil）、強生（Johnson & Johnson）以及其他全球領先企業的高效業務運營提供了技術支持，他們都在使用惠普3D 打印技術為汽車、航空航天、醫療保健、消費品和其他行業應用生產模型和零部件。此外，惠普也在北美、歐洲和亞太地區不斷拓展其數字化制造合作伙伴[1]。

由于其良好的打印質量以及超高的制造效率，惠普3D 打印技術在生產制造、醫療、汽車、消費品等領域有著很多的應用。2017 年僅一年內，利用惠普技術3D 打印的零件就有150 萬個，其中有50%用于最終用途。在最新的全彩惠普打印機里有140 多個零件，都是惠普自身的設備打印出來，直接進行組裝的。惠普也把3D 打印機稱為“能把自己打印出來的打印機”。

惠普最早推出的塑料3D 打印機MJF4200/3200，以及2018年推出的全彩打印機MJF500/300，都是基于射流熔融技術。其中全彩打印機是3D 打印行業的第一款“使制造商能夠生產全彩色的工業級功能部件”的3D 打印機，定位是功能性原型設計。對于醫療、汽車、消費品或其他行業的用戶來說，全彩3D 打印的應用會為他們帶來研發效率的巨大提升[2]。

1.2 惠普3D 打印重要里程碑

2017 年6 月13 日，惠普在中國推出商用3D 打印解決方案，發布兩款商用3D 打印機 MJF4200/3200，加速制造業轉型升級。

2017 年8 月24 日，惠普和德勤宣布共同推動全球12 萬億美元制造業的數字化轉型。

2017年11月，惠普推出全新Jet Fusion3D4210打印解決方案，以更廣材料組合加速3D 制造產業發展。

2018 年3 月21 日，惠普3D 打印解決方案攜手春立醫療，首次進入中國手術導板制造領域。

2018 年6 月，惠普聯合廣東（大瀝）3D 打印協同創新平臺宣布亞太及日本地區最大規模工業級3D 打印部署。

2018 年9 月11 日，惠普推出批量化生產金屬3D 打印技術，加速第四次工業革命到來

惠普打印機（山東）有限公司（HPPS）作為惠普在中國的唯一自營打印機工廠，2018 年購買了1 臺MJF4200 打印機，10 月成立了“3D 打印應用實驗室”，開始深入探索研究3D 打印在制造工程中的具體應用。

1.3 惠普3D 打印技術

惠普的3D 打印技術名稱為“多射流熔融（MultiJet Fusion，MJF）”，所使用的材料主要為尼龍粉末，主要是PA11/PA12。與我們熟知的利用激光器來燒結尼龍粉末材料不同（SLS 技術），HP3D 打印技術是通過噴射“熔融劑”然后加熱，使其發生化學反應，從而讓尼龍粉末固化。

惠普全新多射流熔融（MJF）技術主要優勢：

（1）采用高強度尼龍12 粉末材料（重復利用率80%），平均耗材成本為SLS 工藝的一半，為工業型FDM 的四分之一到五分之一。

（2）打印效率比SLS 快約6-10 倍，比工業FDM 快10 倍以上。

（3）在操作性方面，MJF 將混粉、篩粉、冷卻等過程集成在一個處理站里面，大大簡化了操作流程。

（4）相比于SLA 光固化成形，MJF 粉末成形零件具有更優良的綜合機械性能以及抗熱變形能力。

（5）打印件機械性能符合終端使用要求，MJF 已被應用于直接小批量生產領域[3]。

1.4 惠普3D 打印機MJF4200 關鍵技術參數

MJF42003D 打印包括3D 打印機和處理站 整套設備，主要技術參數如下：

．有效打印尺寸:380x284x380 毫米（15x11．2x15 英寸）

．打印速度:4000 立方厘米/小時（244 立方英寸/小時）

．分層厚度:0．07 至0．1 毫米（0．0027 至0．004 英寸）

．打印精度:0．2mm

．打印分辨率:1200dpi

．支持文件格式:STL、3MF

2 3D 打印應用研究

2.1 3D 打印應用研究的核心職能

HPPS“3D 打印應用研究室”的核心業務是探索/擴大3D 打印在制造工程上的應用，為制造工程提供實時的支持及服務，滿足客戶的各種需求。

圖1 3D 打印應用研究室的核心職能

2.2 3D 打印在產品生命周期過程中的應用研究

2.2.1 產品開發設計階段

開發設計階段主要是協助產品原型機的制作，利用3D 打印進行新開發的零部件的模型生產，縮短產品零部件的設計、制作周期，減少后續的模具改造，縮短整體開發時間。

2.2.2 產品的批量生產階段

此階段主要應用于制造工程上，主要目的是方便作業者的作業、提高生產效率、提高組裝品質、減少作業者的疲勞強度。

組裝、調試、測試過程的工裝、夾具以及生產輔助工具、定制化的物料容器的制作。

對于多品種、小數量的產品為了減少模具制作費用，可以直接將3D 打印的零部件用于批量生產。

圖2 3D 打印代表性應用事例

2.2.3 產品停產后的售后服務階段

產品停產后市場仍然會有5-8 年的售后服務的需求，為了持續的提供服務，減少模具老化后的備份模具的重新制作，可以利用3D 打印零部件滿足客戶的售后需求[4]。

2.3 3D 打印在制造工程中的應用研究

2.3.1 3D 打印在制造工程中的優勢

（1）多樣性和靈活性：可以滿足多品種、小批量生產

（2）最優定制：以滿足各種生產要求

（3）容易制作復雜的形狀：克服機械加工的限制，制作各種復雜形狀，減少零部件數量

2.3.2 3D 打印在制造領域的主要應用范圍及代表事例

3D 打印在制造領域主要應用在下面5 個方面：

（1）制造工程上的工裝、夾具。應用最為廣泛的一種，主要是在裝配過程中為便于作業者作業，用于異型、不規則零部件的固定裝置。

（2）生產設備的特殊零部件。生產設施、設備的一些非標、特殊零部件的替代；克服傳統機械加工的限制，可以制作各種復雜形狀，減少零部件的數量，減少備件庫存和維護費用。

（3）生產輔助工具。為作業者提供方便的輔助工具，主要用于提高生產效率、減少作業者的疲勞強度。

（4）定制化的存儲裝置。定制化的容器、支架、工作臺等，主要方便作業者的作業，提高生產效率。

（5）運輸周轉過程中的零部件保護裝置。對一些易碎、易損傷的零部件的包裝保護裝置。

2.4 3D 打印的效益分析

利用3D 打印技術取代傳統的機械加工，除了可以縮短工裝、夾具及特殊零部件的交貨時間、滿足復雜的特殊定制要求外，主要還體現在制造成本的降低上。在2019/2020 財年3D 打印相比傳統的加工方式分別節省16．5 萬美元/12 萬美元。

3 結語

3D 打印在惠普打印機制造工程上的應用研究已經進行了兩年多，雖然取得了一定的成果，但任重道遠，在以后的工作中還要加強同高校、科研機構、3D 打印制造廠商的密切合作，繼續跟蹤業界先進技術/設備，不斷深入研究3D 打印在制造工程上的應用，為中國智造添磚加瓦。