3D打印在家電維修中的應(yīng)用

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）21-0174-04

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2025.21.041

Abstract：Therapidupgradingoftechnologyinthehomeappliancemarkethasledtodificultiesoreveninabiltytopurchase accesories forlong-termhomeapliancesinthemarket.Theinabilitytopurchaseacessorieswillforceconsumerstopurchase newhomeappliancestoreplace theoriginalones.Thisbehaviorisneitherinlinewithconsumersowninterestsnorrunscounter totheconceptofgreenandlow-carbonsocialdevelopment.Thereforeinviewofthedificultyinpurchasinglong-termhome applianceaccesories，combinedwiththeproductionofacesores，3Dprintingwasselectedasanapproachtoconductrsearch onthe manufacturingofhomeapplianceacesories.Takingrefrigeratordrawersasanexample，thepossbilityof3Dprintingbeing applied to home appliance repair and the significance of its application in home appliancerepair was studied.

Keywords：3D printing;appliance repair；accessory manufacturing； refrigerator； appliance market

當(dāng)前家電市場受到技術(shù)升級、市場需求變化等因素影響，家電產(chǎn)品的型號更新?lián)Q代速度加快，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究統(tǒng)計(jì)冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)等大型家電產(chǎn)品1～2a就會出現(xiàn)技術(shù)升級，小型家電技術(shù)升級周期更短。家電廠商為迎合市場發(fā)展，滿足消費(fèi)者對新產(chǎn)品新技術(shù)的需求，保障自身利益，在新產(chǎn)品投入市場后會逐漸減少舊型號產(chǎn)品的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代。大型家電的使用壽命通常較長，根據(jù)中國《家用電器安全使用年限》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定冰箱、空調(diào)等大家電的使用壽命為 10a 。家電廠商產(chǎn)品的快速迭代和產(chǎn)品較長的使用壽命周期使家電產(chǎn)品的維修與維護(hù)與廠商的利益成為一對不易調(diào)和的矛盾，因廠商將重點(diǎn)投向新產(chǎn)品的研發(fā)與銷售，在年限較長家電產(chǎn)品的維修配件庫存?zhèn)湄浿校魷?zhǔn)備較多則造成資金積壓影響企業(yè)運(yùn)行，因而大多數(shù)家電廠商對年限較長家電產(chǎn)品的配件備貨有限，通常情況下5a內(nèi)銷售的家電配件購買較為容易，若超過5a就存在配件購買困難甚至無法購買的情況。因配件無法購買而放棄維修選擇購買新產(chǎn)品既損害消費(fèi)者自身利益，又與綠色環(huán)保可持續(xù)的低碳社會發(fā)展理念相違背。因此對家電維修中年限較長家電配件購買困難問題展開研究，解決家電配件問題不僅能延長家電的使用壽命，為消費(fèi)者節(jié)約支出，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展在家電維修行業(yè)的探索。

對家電配件問題進(jìn)行研究首先需對家電配件的分類及加工工藝進(jìn)行分析。家電配件按功能劃分可分為結(jié)構(gòu)件、電子件和外觀件。其中電子件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且具備向下兼容特點(diǎn)購買較為容易，不作為本研究重點(diǎn)。家電產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)件和外觀件等配件通常采用沖壓、擠壓、注塑等成型加工工藝制成，生產(chǎn)效率高、材料利用率高，但是這類工藝在生產(chǎn)時(shí)首先需要開發(fā)模具，模具開發(fā)周期長，制造成本高，因此只適合用于大規(guī)模生產(chǎn)，若進(jìn)行單個(gè)或小規(guī)模生產(chǎn)將會大幅提高生產(chǎn)成本，這樣不僅消費(fèi)難以接受，生產(chǎn)廠也因成本過高利潤較低，并且這類配件由于家電年限較長，型號不一，市場較小而放棄采用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)這類配件。因此研究新的生產(chǎn)工藝對家電配件進(jìn)行生產(chǎn)成為解決年限較長家電維修困難問題的關(guān)鍵。對當(dāng)前各類生產(chǎn)工藝進(jìn)行分析，結(jié)合家電產(chǎn)品配件的特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)各類生產(chǎn)工藝均難以實(shí)現(xiàn)少量配件的低成本生產(chǎn)，而3D打印與年限較長家電配件難以批量生產(chǎn)等痛點(diǎn)問題正好對應(yīng)解決，因而選擇3D打印對家電維修配件制造展開研究。

1 3D打印簡介

3D 打印也被稱為增材制造技術(shù)，起源于20世紀(jì)80 年代，1984年美國工程師CharlesHull成功研發(fā)SLA技術(shù)并獲得相關(guān)專利標(biāo)志3D打印技術(shù)正式誕生。與傳統(tǒng)減材制造技術(shù)不同，其是通過對目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行三維建模，然后模型進(jìn)行分割細(xì)化，然后通過3D打印機(jī)將材料逐層堆疊最終得到目標(biāo)產(chǎn)品，其過程類似焊接過程中重復(fù)焊接堆填[3。根據(jù)材料和成型方式的不同，當(dāng)前3D打印可分為熔融沉積成型（FDM），光固化成型（SLA），選擇性激光燒結(jié)（SLS），數(shù)字光處理（DLP），電子束熔化（EBM），多噴嘴成型（MJM），層壓物體制造（LOM）等（表1）。因3D打印通過對目標(biāo)產(chǎn)品三維建模后直接打印生產(chǎn)，不需要開發(fā)模具，生產(chǎn)容易，周期短，同時(shí)可以根據(jù)設(shè)計(jì)者自身需求設(shè)計(jì)制造傳統(tǒng)工藝難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。并且3D打印過程中根據(jù)需要進(jìn)行材料供給，基本不出現(xiàn)材料浪費(fèi)現(xiàn)象，材料綜合利用率高，正好符合綠色低碳的社會發(fā)展理念。雖然3D打印具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但前期因技術(shù)不夠成熟使得3D打印存在設(shè)備成本高、制造速度低等問題難以被廣泛使用。作為一項(xiàng)新興發(fā)展前景遠(yuǎn)大優(yōu)點(diǎn)眾多的技術(shù)，國家大力扶持其發(fā)展，自2015年3月工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展和改革委員會、財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015—2016年》起，從國家到地方各級政府和部門紛紛出臺相應(yīng)政策鼓勵(lì)3D打印技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)過10a發(fā)展3D打印技術(shù)及產(chǎn)業(yè)已逐漸成熟，打印設(shè)備由于產(chǎn)業(yè)鏈的成熟成本也逐漸降低，基本具備商用條件，當(dāng)前已被應(yīng)用于醫(yī)療、航空航天、藝術(shù)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。精度較低的打印設(shè)備成本較低，已被應(yīng)用于玩具制造、教育教學(xué)等領(lǐng)域，家電產(chǎn)品對配件精度要求較為寬松，若精度不夠可通過后處理提高配件精度，滿足使用要求，因而采用3D打印生產(chǎn)制造家電配件理論上可行。為研究在實(shí)際制造中存在的問題，選擇冰箱抽屜為例，對3D打印在家電維修中問題展開研究。

23D打印在家電維修領(lǐng)域的應(yīng)用研究

冰箱作為儲存和保持食物或其他物品處于低溫狀態(tài)的設(shè)備在當(dāng)前得到廣泛應(yīng)用，其低溫保鮮作為生活中不可或缺的功能使得其成為家電市場數(shù)量上最多的家電之一，研究3D打印在家電維修領(lǐng)域的應(yīng)用，將3D打印應(yīng)用于冰箱維修有較好的代表性。根據(jù)維修行業(yè)數(shù)據(jù)及用戶反饋，冰箱常見的零部件損壞大致比例見表2，其中壓縮機(jī)磨損、冷凝器腐蝕泄漏、封條老化變形、抽屜損壞等理論上都可通過3D打印進(jìn)行維修。抽屜損壞比例約占 10%～20% ，針對抽屜的損壞占比及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用3D打印對其進(jìn)行制造維修研究具備典型性。冰箱抽屜作為冰箱的零部件，其功能主要是為食物提供便捷的儲存空間，使物品的存放和拿取更為方便，同時(shí)抽屜還利于空氣流通防正溫度積聚，便于溫度調(diào)節(jié)。但是由于冰箱所處的地方通常空氣濕度較大，食物中的水分揮發(fā)等，當(dāng)空氣及食物中的水分遇到冰箱的壁面后會液化凝固形成冰塊，隨著冰箱工作時(shí)間的延長，若不及時(shí)對所形成的冰塊進(jìn)行清除，最終會形成較大的冰塊影響抽屜抽拉。若抽屜被冰塊卡住后，強(qiáng)行抽拉，因使用頻率的增加、材料的老化、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)等因素的影響，將極大概率損壞抽屜（圖1）。抽屜的結(jié)構(gòu)一般分為2類，一類為一體結(jié)構(gòu)，一類為組合型結(jié)構(gòu)。2部分通過卡扣組裝在一起，2類結(jié)構(gòu)均采用注塑工藝加工成型。通常情況下正面擋板由于拉伸時(shí)受力不均容易損壞，而箱體主要起到物品存放功能損壞的冰塊概率較小。傳統(tǒng)抽屜采用注塑工藝生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高，表面質(zhì)量好并且價(jià)格便宜，但是注塑工藝在生產(chǎn)過程中需要先設(shè)計(jì)模具，生產(chǎn)周期較長只適宜大規(guī)模生產(chǎn)。因?yàn)榇媪枯^小的配件市場開模生產(chǎn)不符合廠家經(jīng)濟(jì)利益，而3D打印針對這類情況正好解決。通過對相應(yīng)配件進(jìn)行設(shè)計(jì)建模然后進(jìn)行打印制造便可實(shí)現(xiàn)配件生產(chǎn)。

本研究針對冰箱抽屜的損壞部位頻率，選取組合型抽屜正面擋板作為維修制造對象，對配件制造維修展開研究，首先對正面擋板結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行測量，然后運(yùn)用三維制圖軟件對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制。因?qū)嶒?yàn)條件限制需根據(jù)實(shí)物進(jìn)行逆向建模，若是條件充足，該過程可通過三維掃描直接建模生成模型，降低建模難度。模型建立完成后將模型導(dǎo)入切片軟件進(jìn)行切片，該過程是將整個(gè)模型分割成無數(shù)微小薄層同時(shí)給出打印路徑。制造過程中3D打印機(jī)根據(jù)切片軟件給的打印路徑對所切的薄層進(jìn)行分層融熔堆疊。因此切片對3D打印產(chǎn)品的效果起到關(guān)鍵性作用，若是切片過細(xì)，則打印產(chǎn)品的精度較高、外觀效果較好，但是打印時(shí)間較長，若是切片較少，雖然節(jié)省打印時(shí)間，但是打印產(chǎn)品外觀較為粗糙。因此切片時(shí)應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品需求選擇合適的切片精度。作為冰箱抽屜擋板對精度要求不高，但應(yīng)保證外觀平滑，所以切片過程選擇精度較低以節(jié)約打印時(shí)間，因此光滑效果通過后處理實(shí)現(xiàn)。切片完成后將文件導(dǎo)人打印機(jī)進(jìn)行打印。根據(jù)擋板的性能要求應(yīng)透明便于觀察抽屜內(nèi)食物情況，結(jié)合3D打印的技術(shù)特點(diǎn)選擇FDM技術(shù)對擋板進(jìn)行打印。材料選擇聚碳酸酯。聚碳酸酯作為一種常用的3D打印材料具有透明性好、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，與冰箱抽屜的功能要求正好符合。

33D打印具體實(shí)施步驟

3D打印的具體實(shí)施步驟如圖2所示。利用三維制圖軟件創(chuàng)建三維模型，本研究采用Solidworks進(jìn)行。模型創(chuàng)建完成后對其進(jìn)行檢查，確保模型正確不出現(xiàn)非流形邊等問題。將模型導(dǎo)入Cura進(jìn)行切片，根據(jù)擋板使用場景，層高選擇 0.2mm ，填充密度選擇 30% ，打印速度選擇 80mm/s ，因聚碳酸酯易吸濕，打印前在80～100°C 的環(huán)境下干燥 4～6h_? 。為提高附著力，熱床溫度設(shè)置為 100^°C ，噴嘴溫度調(diào)節(jié)至 280^cC ，打印過程中根據(jù)打印效果對溫度進(jìn)行微調(diào)。打印前需對打印機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)，首先進(jìn)行調(diào)平，噴嘴與平臺距離調(diào)整為 0.1mm 然后調(diào)整 Z 軸偏移，測試打印機(jī)，觀察首層附著力。調(diào)整測試完成后開始打印，打印過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控打印過程。

因切片原因及材料特性打印完成后的產(chǎn)品較為粗糙，為保證正常完整和外形美觀、使用順手，需對產(chǎn)品進(jìn)行打磨拋光，打磨拋光后擋板能正常安裝外觀與原裝產(chǎn)品并無多大差異，能滿足正常使用需求（圖3）。

在對冰箱抽屜擋板打印過程中，通過測量實(shí)物尺寸建立三維模型，因擋板結(jié)構(gòu)簡單，建模容易。若是遇到結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的配件，通過測量建立三維模型不僅步驟繁瑣而且難度較大，在商業(yè)化生產(chǎn)中可通過三維掃描建立模型，同時(shí)可針對各型號模型建立模型庫，打印時(shí)根據(jù)需要直接調(diào)出相應(yīng)模型進(jìn)行打印制造即可。在打印過程總共耗時(shí)約 ^4h ，因?qū)嶒?yàn)裝備功率較小，若是商業(yè)化過程中采用大功率打印設(shè)備打印時(shí)間還有較大縮短空間，聚碳酸酯的價(jià)格約為500元/kg，擋板消耗的材料為 0.14kg ，材料成本為70元，綜合建模打印、材料及打磨拋光各個(gè)環(huán)節(jié)成本支出計(jì)算，整個(gè)檔板3D打印成本約為100元，整體成本主要集中在材料，查詢同款抽屜價(jià)格為50元左右，采用3D打印制造的冰箱抽屜價(jià)格為普通抽屜的2倍，若單從價(jià)格方面考慮采用3D打印對冰箱配件進(jìn)行制造維修其競爭力較弱，但從配件缺乏角度出發(fā)采用3D打印不僅能解決配件購買問題，而且價(jià)格雖然略高但仍在消費(fèi)者可接受的范圍內(nèi)，同時(shí)采用3D打印速度更快，更靈活方便。

43D打印應(yīng)用于家電維修行業(yè)的意義

采用3D打印對家電配件進(jìn)行制造維修在功能上與采用傳統(tǒng)方法制造的配件基本相同，雖然其價(jià)格略高于傳統(tǒng)方法批量生產(chǎn)的配件，但采用3D打印制造不僅解決了老舊家電配件購買困難問題，延長家電使用周期，為消費(fèi)者節(jié)省開支，同時(shí)與社會綠色發(fā)展的理念相符。生產(chǎn)成本與技術(shù)的成熟度和產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化成反比，3D打印作為一項(xiàng)新興技術(shù)，當(dāng)技術(shù)進(jìn)一步成熟，規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)鏈更為完善后其成本將會進(jìn)一步降低，從而得到消費(fèi)者的認(rèn)可和接受，

在將3D打印應(yīng)用于家電維修過程中需要大量的技術(shù)技能人才參與，這類人才應(yīng)具備一定的專業(yè)知識同時(shí)擁有較強(qiáng)的動手能力，這些特點(diǎn)正好與職業(yè)教育學(xué)生特點(diǎn)相符。作為與普通教育同等地位的職業(yè)教育其學(xué)生數(shù)量與普通教育學(xué)生數(shù)量相當(dāng)，3D打印將理論與實(shí)訓(xùn)結(jié)合，可較好培養(yǎng)學(xué)生家電維修的動手能力，為學(xué)生就業(yè)拓寬方向。職業(yè)教育過程中學(xué)生利用3D打印對家電進(jìn)行維修還可將先進(jìn)科技與日常學(xué)習(xí)結(jié)合起來開闊學(xué)生的眼界和思維，另外通過3D打印具備復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造的特點(diǎn)，通過在家電維修中的應(yīng)用由點(diǎn)及面培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性能力，使學(xué)生能力遷移到各個(gè)方向，在各領(lǐng)域中創(chuàng)造出更多有意義的東西。

5結(jié)束語

將3D打印應(yīng)用于家電維修其效果與普通配件并無太大差異，可解決年限較久家電配件購買困難問題，雖然成本高于普通配件價(jià)格，隨著技術(shù)的成熟和普及價(jià)格將會進(jìn)一步降低，可行性將進(jìn)一步增加。另外，3D打印技術(shù)應(yīng)用推廣過程中需要大量技術(shù)技能人才，職業(yè)技術(shù)類相關(guān)學(xué)生若是掌握相關(guān)技術(shù)不僅能拓寬自己的就業(yè)范圍，同時(shí)由于3D打印具有靈活設(shè)計(jì)，制造方便等特點(diǎn)，學(xué)生可利用其設(shè)計(jì)開發(fā)出各類新產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。總之，采用3D打印對家電產(chǎn)品的維修既解決了年限較長家電配件購買困難問題，又有利于職業(yè)教育學(xué)生能力的培養(yǎng)。

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