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3D打印的优势与应用

  基于3D打印技术,设计人员已经可以对产品的内部结构进行精细控制以获得最佳效果。例如,用晶格或蜂窝状内部结构取代一个整块,可以在减轻产品重量的同时又不牺牲强度。


  此外,研究人员正在研究一系列技术来控制打印件的性能,甚至能对金属的微观晶体结构精细控制,这将在本质上改变材料的底层原子和分子排列。例如,传统的金属铸锻技术(即受压成型)需要金属从外至内冷却,而金属3D打印采用快速凝固,从而导致更均匀的微观结构。因此,工程师可以控制成品的强度、硬度、弹性、灵活性和耐压力。

  就某些材料而言,3D打印不只是较好的选择,更是理想的生产方式。钛就是一个例子──重量轻、强度(密度)比钢强、比不锈钢更耐腐蚀。事实上,在许多应用场合,钛都是近乎完美的金属选择。然而,除了成本较高外,钛的主要缺点是:在切割过程中容易硬化,这导致刀具磨损严重;在焊接过程中,又容易受到污染,这导致焊接点容易脱落。而3D打印技术却可以很好地对钛进行驾驭──因为此时的钛已成为了一堆很细的粉末,只需不断地添加烧结即可,不存在任何加工问题,既不需要切割也不需要焊接。


  成本优势

  以前你要找个工厂,让它为你生产一把你自己设计的锤子,首先你至少要为此支付5~10万元的开模费用。如果产量低于一百,则单件的价格高达几百元。因此,如果仅做一把或几把锤子,成本将是无比高昂的。但是,对3D打印机而言,无论是生产一件产品还是一千件产品,设备成本都是一样的。

  此外,3D打印和传统制造业的另一个区别在于产品的形成过程。传统制造过程通常使用消减的做法,包括研磨、锻造、弯曲、成型、切割、铣削、焊接、黏接、装配等。整个过程中会浪费很多原材料,同时在金属加热和再加热的过程中产生大量的能源消耗。

  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打印技术在样件设计制造上优势明显,省去模具制造的过程,在提升研发速度的同时,降低了研发失败的成本。当然,3D打印技术也可作为大规模生产的辅助工具,比如模具和其他工具的制造,用传统加工方法一般需要为大规模生产的辅助工具,比如模具和其他工具的制造,用传统加工方法一般需要花费一个月的时间,而使用3D打印在48小时内就可以完成。

  在产品直接制造方面,比如使用3D打印实现多层电路一次成型的整合制造,可具有明显的速度优势。

  更重要的是,3D打印具有“即需即印”的优势,当顾客下单后,定位一个距离顾客物理位置最近的云制造节点开始制造,然后迅速送货上门,这样省去了产品库存、物流的成本。

  3D打印的应用现状

  前面介绍了3D打印的诸多优点,正是这些优点才点燃了全球第三次工业革命的导火索。然而,3D打印的应用刚刚开始全面普及,肯定也存有很多不完善的地方,比如制造精度相对较低、制造简单结构部件的速度较慢等。

  3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术,至少包括信息技术、精密机械和材料科学三大技术。通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合,在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定的应用,在工程和教学研究等应用领域也占有独特地位。具体应用领域至少包括以下几个。


  生物医疗:用于制作人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等。航空航天、国防军工:用于直接制造复杂形状、微细尺寸、特殊性能的零部件。消费品:珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造。文化创意和数码娱乐:通过设计形状和结构复杂、材料特殊的作品来进行艺术表达。3D打印的小提琴已接近手工艺的水平。工业制造:用于产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证;制作模具原型、直接打印模具,甚至直接打印产品。3D打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D打印的家用器具模型,也被用于企业的宣传、营销活动中。建筑工程:建筑模型风动实验和效果展示、建筑工程的施工模拟。教育:打印模型来验证科学假设,用于不同学科的实验和教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校,3D打印已经被用于教学和科研。

  新产品的原型制造是目前3D打印最主要的商业应用,约占70%的3D打印市场。原型使设计师(和他们的客户)可以在设计阶段早期触摸和测试设计理念或功能实现,从而避免了后续变更造成的昂贵代价,为新产品上市节省了大量的时间和金钱。以赤石(Akaishi)──日本的一家保健鞋和按摩设备制造商为例。该公司发现,通过3D打印原型,新产品从订货至交货的时间缩短了90%,并且使设计师在产品上市前就对功能有100%的信心。原型还有利于实验和创新,例如,使用3D打印技术,贝尔直升机公司可以在数天内完成新设计的测试,而使用传统方式需要花上数周。

  在某些行业中,3D打印已经从原型制造发展为直接零件生产,也称为直接数字化制造。EOIR技术公司是一家领先的防御系统设计和开发公司,使用3D打印机制造坚固耐用的坦克外置设备。自从引入3D打印技术后,该公司的制造成本从原制造坚固耐用的坦克外置设备。自从引入3D打印技术后,该公司的制造成本从原来的单件10万美元以上,下降到如今的40000美元以下。再例如,在航空航天领域,空中客车通过3D打印来制造金属机翼支架,由于3D打印可以毫不费力地制造内部任意复杂中空的形状,使得部件重量较轻,飞机的重量也随之减轻,从而节省了燃料。

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