3D打印技術成本節約方案的應用研究

王巍 羅愛華 竇巍

摘 要：3D打印技術成本節約方案的研究目前主要局限在對新材料的研發和現有材料的優化上，但影響材料節約的關鍵因素除了材料本身成本，還有材料的使用量，作者從前期數字造型環節找到了突破點，并提出了改進意見。

關鍵詞：3D打印技術；成本節約；數字造型

中圖分類號：TP334.8 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5312（2016）24-0255-01

20世紀90年代中期，隨著計算機技術的發展和普及，3D打印技術應運而生。這種技術也被稱為“快速成型”技術，它借助三維軟件生成數字模型，以此為基礎進行立體打印輸出，從而產生實物模型。這種打印方式有別于傳統的平面打印，它使用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料作為打印介質，通過逐層堆積的方式來構造物體。由于3D打印技術無需任何附加的傳統模具制造和機械加工，通過快速自動成型系統與計算機數據模型結合就能夠制造出各種形狀復雜的原型，這使得產品的設計生產周期極大縮短，生產成本大幅下降，因此被廣泛應用于各個領域。

一、中國3D打印技術的現狀

在中國，這項技術目前已經得到了相對廣泛的普及，大部分學校甚至家庭都已經配備了3D打印設備。3D打印設備可以分成兩個級別，一是桌面級別，一是工業生產級別。前者更多的應用于家庭和簡單造型的制作，多使用PVC、樹脂等材料，成本相對低廉。后者則是真正意義上的3D打印，由于材料價格高昂，目前僅應用于一些“高精尖”工業。其一公斤材料（最常用的鈦合金材料）的價格為2000-3000元左右，最昂貴材料的甚至可以和白銀等價。

二、制約中國3D打印技術發展的瓶頸

誠如世界3D打印技術產業聯盟首席執行官羅軍所說，中國國內現在90%的3D打印企業是做打印“小玩意”的桌面機，工業3D打印機的競爭尚未真正開始。材料成為了制約3D打印技術發展的最明顯的瓶頸。3D打印技術從狹義上講屬于“增材制造”技術，即采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術。因此材料是3D打印的物質基礎，材料的發展決定了3D打印的成本。正是基于這些原因，現在3D打印技術成本節約的研究主要局限在對新材料的研發和現有材料的優化上。這確實是解決方式之一，但卻并不是唯一的途徑，3D打印技術的確依托于材料，但對于材料節約來說則有兩個關鍵因素，一是材料本身的成本，二是材料的用量。前者在研制和開發上需要耗費大量的人力、物力和時間；而后者則是可以通過相對簡單的方式來解決。從某種意義上講，減少材料的用量才是真正意義的成本節約，因此，從前期的數字模型文件入手制定3D打印技術的成本節約方案，將會是一個明智的選擇。

三、影響成本節約的四大因素

從前期的數字模型制作上研究3D打印技術的成本節約方案，就需要對3D打印的原理、流程和工序有充分的了解。發現其中影響材料損耗的因素，從而逆向推演出前期模型制作中需要關注和修正的問題。

1.制作中空造型是成本節約的重要因素。3D打印的實物模型，通常有兩種需求。一種是需要表現制作物體的外部造型和內部結構，直接可以用于生產；另一種是僅需表現制作物體的外部造型，后期通過修形加工再進入生產流程。現在絕大部分的打印成品都屬于后者，畢竟工業級的3D打印并沒有普及。這就對于實物模型的內部空間沒有任何要求。使用空心造型替代實心造型會節省50%-80%的材料損耗，而且會減輕制成品的重量，方便進行運輸。

2.零件合理拆分是成本節約的不確定因素。在應用“分層實體成型工藝”的3D打印過程中，并不直接將制作好的造型輸出到打印設備，堆砌出物體的造型。而是需要3D打印人員對得到的三維虛擬造型進行拆分，以保證其在打印過程中的穩定性。就像蓋樓一樣，如果根基不穩，時刻會有倒塌的危險，從而導致打印的失敗。為了實現這種穩定，通常都會使用一種支撐材料來進行穩定。這種支撐材料對于實物模型沒有實際的展示價值，在打印完成后需要去除。所以如果能夠合理拆分零件，減少支撐材料的用量，也可以達到節約的目的。

3.多材料混合應用是成本節約的關聯因素。對于3D打印最終生成的實物模型，特別是體積較大的實物模型，往往都需要由幾個大型的部件組合完成。而這些部件在硬度需求上往往是不一樣的，并不是整個實物模型必須統一材料。根據各部件的材料差異來分割物體，重要的部件使用結實昂貴的材料，次要部件用相對單薄廉價的材料替換，能有效的節省開銷，保證物盡其用。

4.零件的合理碼放是成本節約的可控因素。3D打印設備輸出實物模型的大小依據設備的型號不同會有所區別。使用“分層實體成型工藝”的打印機同一批次打印實物模型的數量與損耗是成正比的，但對于使用“立體光固化成型工藝”打印機就不一樣了。雖說恒定體積空間內那些未被固化的光敏樹脂可以進行一定的回收再利用，但必然會造成浪費。因此，在恒定體積空間中，碼放的零件越多，浪費也就越少。

四、成本節約的解決方案

針對3D打印技術輸出過程中影響成本的因素，結合三維數字造型的基本知識，有側重的解決問題，能極大的減少實際生產過程中的浪費，節約原材料的投入，進而降低3D打印的成本。

1.“抽殼”技術為產生中空的造型帶來極大的便利。讓物體從實心變為空心，在維軟件中并不難實現，在很多造型軟件中，都提供了“抽殼”命令，即讓用戶根據指定的厚度值在單個實體周圍抽出或生成殼。如3ds max中修改器列表里的“殼”修改器，solidworks軟件中的“抽殼”工具。這些工具都可以產生相對完美的空心造型，但事無絕對，當遇到一些曲面變化較大的造型時，這種“抽殼”會產生錯誤，導致曲面扭曲混亂。其實，如果對物體的壁厚沒有統一要求的話，完全可以使用“布爾運算”實現中空造型。“布爾運算”的優勢在于它的隨意性，但在執行這一操作時需要盡量保證一次成型，不要進行多次運算，多次運算會導致曲面產生過多的縫隙，從而干擾最后生成的結果。

2.零件的拆分考察的是操作者的智慧。將一個三維造型拆分成若干個零件并不是什么難事，利用“布爾運算”和“分離”命令很容易實現，但具體是否拆分、如何拆分，則要看操作者的經驗與智慧。以一個實心球體為例，如果不進行拆分，直接打印，勢必造成結構不穩而需要眾多的支撐物。如果將其一分為二，并將平坦、直徑大的面朝下擺放，則可以完全省去支撐物。雖然所有的數字造型都可以被3D打印出來，但在制作數字模型的過程中，能拆分的就不合并，做好對位孔的設計會為后期的打印輸出帶來方便。拆分后的模型零件在打印精度上也遠高于一體化的零件，可謂一舉兩得。

3.切實掌握整個3D打印的流程和工藝是前期制作的保證。任何一項工作都包含諸多環節，作為一名前期制作人員，僅僅掌握高超的建模技術是遠遠不夠的，與工作相關的知識，如材料學、開模技巧都應有所涉及。以往零件的拆分都是在3D打印人員手中進行，其使用的3D打印軟件雖然具備簡單的修改能力，但畢竟無法與專業的三維造型軟件媲美。生硬的拆分零件和簡單粗暴的曲面精簡，只會影響整個3D打印的進度和實物模型的精度。不同環節制作人員的相互溝通、互助、知識共享，才是能更好的完成整個工作流程保證。

4.利用虛擬空間有效規劃布局是成功的關鍵。數字模型本身就是虛擬空間的產物，在虛擬空間中，可以進行不同的嘗試，其方式類似于展UV操作，但不同的是前者是三維空間，后者是二維空間。由于零件不能進行疊加，只要考慮高度的限制，完全可以在頂視圖進行布局，有效的放置物體。這一步也可以說是3D打印前的最后一步，所以需要綜合各方面的知識，如材料相同的物體放在一起，根據穩定性拆分零件等，是對制作人員綜合素質的考察。

五、結論

綜上所述，從前期的數字模型制作上研究3D打印技術的成本節約，是十分切合實際的。從材料上進行研發確實可能解決3D打印的成本，但這只是在后期輸出方面的一種解決方案。從前端輸入進行研究，不但可以對成本進行先行控制，還能讓不同環節的制作人員進行相互協作，培養團隊意識。3D打印看似是一個沒有技術含量的輸出工序，實則有著很強的知識覆蓋面，涉及諸多領域。

參考文獻：

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