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3D打印的優勢與應用

  基于3D打印技術,設計人員已經可以對産品的內部結構進行精細控制以獲得最佳效果。例如,用晶格或蜂窩狀內部結構取代一個整塊,可以在減輕産品重量的同時又不犧牲強度。


  此外,研究人員正在研究一系列技術來控制打印件的性能,甚至能對金屬的微觀晶體結構精細控制,這將在本質上改變材料的底層原子和分子排列。例如,傳統的金屬鑄鍛技術(即受壓成型)需要金屬從外至內冷卻,而金屬3D打印采用快速凝固,從而導致更均勻的微觀結構。因此,工程師可以控制成品的強度、硬度、彈性、靈活性和耐壓力。

  就某些材料而言,3D打印不只是較好的選擇,更是理想的生産方式。钛就是一個例子──重量輕、強度(密度)比鋼強、比不鏽鋼更耐腐蝕。事實上,在許多應用場合,钛都是近乎完美的金屬選擇。然而,除了成本較高外,钛的主要缺點是:在切割過程中容易硬化,這導致刀具磨損嚴重;在焊接過程中,又容易受到汙染,這導致焊接點容易脫落。而3D打印技術卻可以很好地對钛進行駕馭──因爲此時的钛已成爲了一堆很細的粉末,只需不斷地添加燒結即可,不存在任何加工問題,既不需要切割也不需要焊接。


  成本優勢

  以前你要找個工廠,讓它爲你生産一把你自己設計的錘子,首先你至少要爲此支付5~10萬元的開模費用。如果産量低于一百,則單件的價格高達幾百元。因此,如果僅做一把或幾把錘子,成本將是無比高昂的。但是,對3D打印機而言,無論是生産一件産品還是一千件産品,設備成本都是一樣的。

  此外,3D打印和傳統制造業的另一個區別在于産品的形成過程。傳統制造過程通常使用消減的做法,包括研磨、鍛造、彎曲、成型、切割、銑削、焊接、黏接、裝配等。整個過程中會浪費很多原材料,同時在金屬加熱和再加熱的過程中産生大量的能源消耗。

  与此相反,3D打印技术在小批量打印方面已经表现出了显著的价值。首先无须采购各式各样的机床,如车床、铣床、磨床等,这就省去了一大笔设备采购、维护费用。同时,因为是有控制地一层层添加材料,加工废料也大大减少,可以留下90%的原材料。以国外某个制造厂为例,通过使用3D打印(采用熔融沉积成型方法,即FDM)定制注塑模型的某个特别部件,制造成本由10 000美元降至600美元,生产时间从4周减少到24小时,且重量减轻了70%~90%。

  更重要的是,3D打印技術在樣件設計制造上優勢明顯,省去模具制造的過程,在提升研發速度的同時,降低了研發失敗的成本。當然,3D打印技術也可作爲大規模生産的輔助工具,比如模具和其他工具的制造,用傳統加工方法一般需要爲大規模生産的輔助工具,比如模具和其他工具的制造,用傳統加工方法一般需要花費一個月的時間,而使用3D打印在48小時內就可以完成。

  在産品直接制造方面,比如使用3D打印實現多層電路一次成型的整合制造,可具有明顯的速度優勢。

  更重要的是,3D打印具有“即需即印”的優勢,當顧客下單後,定位一個距離顧客物理位置最近的雲制造節點開始制造,然後迅速送貨上門,這樣省去了産品庫存、物流的成本。

  3D打印的應用現狀

  前面介紹了3D打印的諸多優點,正是這些優點才點燃了全球第三次工業革命的導火索。然而,3D打印的應用剛剛開始全面普及,肯定也存有很多不完善的地方,比如制造精度相對較低、制造簡單結構部件的速度較慢等。

  3D打印需要依托多個學科領域的尖端技術,至少包括信息技術、精密機械和材料科學三大技術。通過與數控加工、鑄造、金屬冷噴塗、矽膠模等制造手段結合,在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫學等領域得到了一定的應用,在工程和教學研究等應用領域也占有獨特地位。具體應用領域至少包括以下幾個。


  生物醫療:用于制作人造骨骼、牙齒、助聽器、假肢等。航空航天、國防軍工:用于直接制造複雜形狀、微細尺寸、特殊性能的零部件。消費品:珠寶、服飾、鞋類、玩具、創意DIY作品的設計和制造。文化創意和數碼娛樂:通過設計形狀和結構複雜、材料特殊的作品來進行藝術表達。3D打印的小提琴已接近手工藝的水平。工業制造:用于産品概念設計、原型制作、産品評審、功能驗證;制作模具原型、直接打印模具,甚至直接打印産品。3D打印的小型無人飛機、小型汽車等概念産品已問世。3D打印的家用器具模型,也被用于企業的宣傳、營銷活動中。建築工程:建築模型風動實驗和效果展示、建築工程的施工模擬。教育:打印模型來驗證科學假設,用于不同學科的實驗和教學。在北美的一些中學、普通高校和軍事院校,3D打印已經被用于教學和科研。

  新産品的原型制造是目前3D打印最主要的商業應用,約占70%的3D打印市場。原型使設計師(和他們的客戶)可以在設計階段早期觸摸和測試設計理念或功能實現,從而避免了後續變更造成的昂貴代價,爲新産品上市節省了大量的時間和金錢。以赤石(Akaishi)──日本的一家保健鞋和按摩設備制造商爲例。該公司發現,通過3D打印原型,新産品從訂貨至交貨的時間縮短了90%,並且使設計師在産品上市前就對功能有100%的信心。原型還有利于實驗和創新,例如,使用3D打印技術,貝爾直升機公司可以在數天內完成新設計的測試,而使用傳統方式需要花上數周。

  在某些行業中,3D打印已經從原型制造發展爲直接零件生産,也稱爲直接數字化制造。EOIR技術公司是一家領先的防禦系統設計和開發公司,使用3D打印機制造堅固耐用的坦克外置設備。自從引入3D打印技術後,該公司的制造成本從原制造堅固耐用的坦克外置設備。自從引入3D打印技術後,該公司的制造成本從原來的單件10萬美元以上,下降到如今的40000美元以下。再例如,在航空航天領域,空中客車通過3D打印來制造金屬機翼支架,由于3D打印可以毫不費力地制造內部任意複雜中空的形狀,使得部件重量較輕,飛機的重量也隨之減輕,從而節省了燃料。

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