3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

高軍

摘? 要：基于3D打印技術(shù)發(fā)展過程中存在的問題，為促進3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的更好應(yīng)用，提出發(fā)展對策與建議：加強3D打印技術(shù)研發(fā)，促進機械產(chǎn)品量產(chǎn);降低3D打印機價格，解決購買成本過高、部分機械制造企業(yè)3D打印接受度不高等問題，采取措施提升創(chuàng)業(yè)者基于3D打印技術(shù)創(chuàng)業(yè)的信心。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);機械制造;量產(chǎn);價格;創(chuàng)業(yè)信心

中圖分類號：TH162? ? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-3769（2020）05-043-04

一、 3D打印技術(shù)及其政策發(fā)展背景

（一） 3D打印技術(shù)的內(nèi)涵

3D打印為快速成型技術(shù)的重要分支，業(yè)界又稱之為“增材制造”或“快速成型技術(shù)”，被譽為第三次工業(yè)革命最具標志性的生產(chǎn)工具。3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。3D打印技術(shù)將如下技術(shù)有機融合在一起：即數(shù)字制造技術(shù)、先進材料技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，儼然已逐步發(fā)展成為“工業(yè)4.0”的核心制造技術(shù)之一，必然會給傳統(tǒng)機械制造業(yè)帶來一系列變個性的影響[1]。加快3D打印技術(shù)發(fā)展，對推進我國機械制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級與發(fā)展具有極為重要的意義。

（二） 3D打印技術(shù)的政策發(fā)展背景

目前，世界工業(yè)強國紛紛將3D打印技術(shù)作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的增長點加以培育，制定了發(fā)展3D打印技術(shù)的國家戰(zhàn)略和具體推動措施，力爭搶占未來科技和產(chǎn)業(yè)制高點。例如，美國“國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)”計劃，將3D打印技術(shù)作為主要支持領(lǐng)域;歐盟“第七框架計劃”為數(shù)十個3D打印技術(shù)聯(lián)合研究項目提供支持等等。

與此同時，我國近年來不斷加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式和產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效升級，推動以3D打印技術(shù)等先進技術(shù)改造提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。例如，國務(wù)院發(fā)布的《中國制造2025》提出加快發(fā)展3D打印技術(shù)在內(nèi)的智能制造裝備和產(chǎn)品以及制造過程智能化，加快增材制造等前沿技術(shù)和裝備的研發(fā)。工信部等三部委發(fā)布《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》，提出“把培育和發(fā)展3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)作為推進制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的一項重要任務(wù)，加大政策引導(dǎo)和扶持力度，營造良好的發(fā)展環(huán)境，促進3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展”，并制定了材料、工藝、裝備、標準、示范等5個方面的具體推進計劃。科技部《國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）以及國家科技支撐計劃制造領(lǐng)域2014年度備選項目征集指南》也將3D打印技術(shù)首次列入國家重點扶持領(lǐng)域。北京、江蘇、浙江、福建、四川等省市也紛紛出臺促進3D打印技術(shù)發(fā)展的推進計劃、實施方案、路線圖、工作意見等，加快3D打印技術(shù)科技創(chuàng)新、行業(yè)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展[2]。

除此之外，廣東省也將3D打印技術(shù)列為省重點培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，并發(fā)布《加快3D打印技術(shù)和應(yīng)用產(chǎn)業(yè)發(fā)展實施方案》等系列文件，提出以產(chǎn)品示范應(yīng)用為核心，以重大項目培育為抓手，逐步提升全省3D打印技術(shù)創(chuàng)新能力和產(chǎn)品應(yīng)用水平。組織實施重點領(lǐng)域3D打印技術(shù)應(yīng)用示范工程，完善技術(shù)創(chuàng)新和公共服務(wù)平臺體系，在關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和儲備、產(chǎn)品示范和應(yīng)用推廣等方面取得突破，建設(shè)一批省級以上創(chuàng)新平臺，積極打造全球重要的3D打印技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)集聚地，推動現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

二、3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一） 3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域中應(yīng)用取得的成績

與傳統(tǒng)技術(shù)相較而言，3D打印技術(shù)具有打印過程更快、更便宜、更安全等典型特點[3]。研究表明，金屬3D打印的成本也相對較低，僅為傳統(tǒng)機械制造技術(shù)成本的十分之一左右，且在很多方面的性能優(yōu)勢更強。正因如此，3D打印技術(shù)早已在機械制造領(lǐng)域中應(yīng)用。目前3D打印技術(shù)在機械制造產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用取得的成績主要表現(xiàn)有：

1.大幅提升機械制造成品率

眾所周知，傳統(tǒng)機械制造生產(chǎn)必須經(jīng)過設(shè)計、模具、造型及澆注等諸多工序，制造過程極為復(fù)雜。如若制造一些小型且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件，成品率也相對較低。一般而言，其成品率往往只能達到20～30%。將3D打印技術(shù)應(yīng)用于機械制造當中，可大幅提升機械制造成品率，有些機械制造成品率可達100.0%[4]。

2.可切實確保產(chǎn)品的質(zhì)量

運用3D打印技術(shù)提升機械制造成品率仍遠遠不夠，在此基礎(chǔ)上還應(yīng)切實確保產(chǎn)品質(zhì)量。這一點，3D打印技術(shù)也完全能夠做到。在打印機械零件產(chǎn)品過程中，所用材料包括鋁、鈷、鉻、銅、不銹鋼、鈦和鎢，打印出來的機械零件產(chǎn)品為致密的燒結(jié)金屬，其材質(zhì)不僅具有更高的強度和硬度，同時還具有較強柔韌性[5]。總而言之，3D打印技術(shù)可切實確保機械零件產(chǎn)品的質(zhì)量。

3.助力機械制造的產(chǎn)業(yè)發(fā)展

3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用可有效助力機械業(yè)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，這一點毋庸置疑。例如，2018北京車展，XEV制造的首款量產(chǎn)3D打印電動車LSEV正式亮相。由于3D打印技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，電動車LSEV在整個生產(chǎn)制造過程中不僅不用模具，也無需焊接、沖壓等步驟，整個打印周期所需時間僅僅只為傳統(tǒng)汽車制造的三分之一左右。

（二）3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域應(yīng)用過程中存在的主要問題

隨著3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用，未來必然會影響整個機械制造產(chǎn)業(yè)格局[6]。發(fā)展至今，3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用雖取得一定成績，但問題也隨之產(chǎn)生，主要有：

1.傳統(tǒng)3D打印速度慢，限制量產(chǎn)可行性

業(yè)內(nèi)人士均明晰，3D打印技術(shù)如今并未在機械制造領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。原因為傳統(tǒng)3D打印速度過慢，限制了量產(chǎn)的可行性[7]。從本質(zhì)上，3D打印技術(shù)原理并不復(fù)雜，不過要讓材料、軟件及硬件做到完美協(xié)同，快速生產(chǎn)機械零件產(chǎn)品，需要在技術(shù)研發(fā)方面加強投入。在與一名機械制造企業(yè)負責(zé)人進行交談時，他說到：“3D打印技術(shù)應(yīng)用于機械產(chǎn)品制造是可行的，但依目前的3D打印技術(shù)而言，由于打印速度過慢，因此還遠遠無法滿足量產(chǎn)的需要。”隨著3D打印技術(shù)的持續(xù)不斷發(fā)展，相信在不久的將來，其打印速度必然會在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上越來越快，為機械產(chǎn)品的量產(chǎn)提供保障。但是此過程究竟要經(jīng)歷多長時間目前還是個未知數(shù)。

2.3D打印機成本高是必須解決的關(guān)鍵點

應(yīng)用3D打印技術(shù)生產(chǎn)機械零部件產(chǎn)品需要依托3D打印機，但目前市場上能夠用于機械零部件產(chǎn)品打印的3D打印機價格不菲，機械制造企業(yè)購買少量3D打印機用于加工少量機械零部件還是可行的，但如若大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)，顯然會給企業(yè)運營增加巨大經(jīng)濟負擔(dān)。正因如此，目前很多機械制造企業(yè)不得不放棄購買3D打印機用于機械零部件生產(chǎn)。在對23名機械產(chǎn)品制造企業(yè)負責(zé)人進行問卷調(diào)查時，100.0%的人認為目前可用于機械零部件生產(chǎn)的3D打印機價格過高。

3.部分機械制造企業(yè)的3D打印接受度不高

3D打印技術(shù)再先進，也需要有機械生產(chǎn)制造企業(yè)應(yīng)用才具有價值。在實地調(diào)查走訪過程中了解到，目前只有一些大型機械生產(chǎn)制造企業(yè)對3D打印技術(shù)表現(xiàn)出濃厚興趣，部分中小型機械生產(chǎn)制造企業(yè)對3D打印技術(shù)的接受度相對較低。之所以產(chǎn)生此種情況，主要緣于這部分機械生產(chǎn)制造企業(yè)對3D打印技術(shù)應(yīng)用于機械制造的優(yōu)勢并不了解。在部分機械生產(chǎn)制造企業(yè)眼中，3D打印技術(shù)只不過是“花架子”，遠沒有傳統(tǒng)機械生產(chǎn)制造技術(shù)來得可靠。此種情況的存在對3D打印技術(shù)在機械制造產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的推廣與普及顯然不利。

4.創(chuàng)業(yè)者對基于3D打印技術(shù)創(chuàng)業(yè)信心不足

在3D打印技術(shù)快速發(fā)展且在機械生產(chǎn)制造領(lǐng)域得以有效應(yīng)用的大背景下，創(chuàng)業(yè)者基于3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)無疑是一大良好機遇。但由于諸多方面原因，創(chuàng)業(yè)者對基于3D打印技術(shù)創(chuàng)業(yè)的信心普遍表現(xiàn)不足。在對即將著手在機械制造領(lǐng)域進行創(chuàng)業(yè)的部分創(chuàng)業(yè)者進行訪談時發(fā)現(xiàn)，他們對基于3D打印技術(shù)創(chuàng)業(yè)表現(xiàn)得非常迷茫。這種情況在某種程度上亦會影響3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用。

三、促進3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域得以更好應(yīng)用的對策與建議

基于3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域應(yīng)用過程中存在的上述問題，為促進3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的更好應(yīng)用，提出如下發(fā)展對策與建議：

（一）加強3D打印技術(shù)研發(fā)，促進機械產(chǎn)品量產(chǎn)

3D打印速度過慢限制了機械產(chǎn)品量產(chǎn)，為解決此問題，未來需進一步加強3D打印技術(shù)研發(fā)，從而更好促進機械產(chǎn)品量產(chǎn)[8]。為實現(xiàn)此點，我國政府應(yīng)制定相關(guān)方面的政策措施，鼓勵3D打印技術(shù)研發(fā)機構(gòu)、高校及相關(guān)企業(yè)加強技術(shù)研發(fā)，提升3D打印速度。具體可采取如下措施：第一，構(gòu)建3D打印技術(shù)的新型創(chuàng)新載體。構(gòu)建全新的3D打印技術(shù)創(chuàng)新生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，是全面促進3D打印技術(shù)創(chuàng)新的重要途徑。面向3D打印技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的重大需求，可積極借鑒發(fā)達國家的戰(zhàn)略部署和成功經(jīng)驗，以孵化器、加速器等創(chuàng)新載體建設(shè)為途徑，搭建3D打印技術(shù)公共服務(wù)平臺，促進3D打印技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)。同時，還應(yīng)打通技術(shù)、商業(yè)、資本之間的分割與壁壘，構(gòu)建新型3D打印技術(shù)創(chuàng)新孵化平臺。第二，給予3D打印技術(shù)創(chuàng)新更多的財政支持。對于致力3D打印技術(shù)研發(fā)的機構(gòu)、高校及相關(guān)企業(yè)，政府可考慮從財政中撥付一部分資金，用于支持和鼓勵其加強3D打印技術(shù)研發(fā)。當3D打印技術(shù)愈發(fā)趨于成熟與完善后，打印速度不斷提升，運用3D打印技術(shù)規(guī)模化生產(chǎn)制造機械產(chǎn)品也必然會成為現(xiàn)實。

（二）降低3D打印機價格，解決購買成本過高問題

可用于機械零部件產(chǎn)品生產(chǎn)的3D打印機價格過高同樣不利于機械零部件產(chǎn)品的規(guī)模化生產(chǎn)，很多機械制造企業(yè)均會因為3D打印機價格過高望而卻步。所以，未來還需加強3D打印技術(shù)研發(fā)，降低可用于規(guī)模化生產(chǎn)的3D打印機生產(chǎn)成本。但短時間內(nèi)降低3D打印機成本并不現(xiàn)實。最可行的是：政府為可用于機械零部件生產(chǎn)的3D打印機生產(chǎn)企業(yè)提供補貼，如同之前的新能源汽車補貼一樣，通過補貼降低3D打印機售價。除此之外，還可以對購買3D打印機用于規(guī)模化生產(chǎn)機械零部件產(chǎn)品的企業(yè)，實施現(xiàn)金補貼和稅費減免。例如，可規(guī)定購買3D打印機達到一定數(shù)量后，減免相關(guān)企業(yè)的稅費。此做法可變相降低機械制造企業(yè)的3D打印機購買成本，利于激發(fā)其購買3D打印機用于機械零部件產(chǎn)品規(guī)模化生產(chǎn)的積極性。在國家大力鼓勵發(fā)展3D打印技術(shù)的大背景下，隨著3D打印技術(shù)的愈發(fā)成熟，可用于機械生產(chǎn)的3D打印機售價也必然會逐步降低。

（三）解決部分機械制造企業(yè)3D打印接受度不高問題

為促進3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的更好應(yīng)用，還需提高部分機械制造企業(yè)對3D打印技術(shù)接受度。具體可采取如下措施：第一，政府構(gòu)建3D打印技術(shù)示范中心，邀請機械制造企業(yè)參觀體驗。3D打印技術(shù)示范中心下設(shè)四大中心：（1）模型設(shè)計中心：提供3D打印創(chuàng)新設(shè)計、產(chǎn)品優(yōu)化、快速原型、模具開發(fā)等服務(wù)。（2）加工服務(wù)中心：提供3D打印產(chǎn)品定制、批量生產(chǎn)服務(wù)。（3）檢測中心：提供3D打印模型檢測、產(chǎn)品檢測等服務(wù)。（4）展示體驗中心：提供3D打印技術(shù)、產(chǎn)品展覽展示和應(yīng)用體驗。通過參觀體驗，機械制造企業(yè)可零距離體驗3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，建立應(yīng)用3D打印技術(shù)生產(chǎn)機械零部件產(chǎn)品的信心。第二，定期或不定期舉辦3D打印技術(shù)行業(yè)座談會，并積極邀請機械制造企業(yè)負責(zé)人參加。通過座談會對更多機械制造企業(yè)負責(zé)人產(chǎn)生影響，提升3D打印技術(shù)的接受度。第三，可組織部分機械生產(chǎn)制造企業(yè)到國外參觀訪問，了解國外機械制造企業(yè)應(yīng)用3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀。通過上述舉措的綜合應(yīng)用，必然可有效提升機械制造企業(yè)對3D打印技術(shù)的整體接受度。

（四）采取措施提升創(chuàng)業(yè)者基于3D打印技術(shù)創(chuàng)業(yè)的信心

第一，政府構(gòu)建創(chuàng)業(yè)苗圃。依托共享研發(fā)設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)體系，培育基于3D打印技術(shù)的機械制造產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)業(yè)企業(yè)，為其提供集辦公設(shè)施、產(chǎn)品開發(fā)支持、孵化服務(wù)等功能為一體的創(chuàng)新載體，具體可包括：辦公場所與設(shè)備;研發(fā)設(shè)備與技術(shù)支持、產(chǎn)品定制與批量生產(chǎn);創(chuàng)業(yè)咨詢及代辦、創(chuàng)業(yè)輔導(dǎo)，以及項目路演、風(fēng)投基金對接活動等服務(wù)。除此之外，還應(yīng)重點聚焦3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，打造如下四大創(chuàng)業(yè)苗圃即，模型設(shè)計軟件苗圃、新型材料苗圃、制造工藝技術(shù)苗圃、增材制造行業(yè)應(yīng)用苗圃。第二，成立3D打印技術(shù)天使基金。在加速器內(nèi)孵化和培育3D打印技術(shù)軟件、材料、工藝、機械制造行業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域的科技創(chuàng)業(yè)企業(yè)（成立天使基金的目的是通過投資更好地培育基于3D打印技術(shù)的機械制造領(lǐng)域創(chuàng)新企業(yè)，重點不在于盈利。但是，天使投資本身的收益也很可觀，據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)一半以上天使投資回報率在30%以上，18%的天使投資回報率超過200%。）。有了創(chuàng)業(yè)苗圃和天使基金的大力支持，創(chuàng)業(yè)者基于3D打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)的信心必然會不斷增強。

參考文獻：

[1]杜惠斌，宋國立，趙憶文，韓建達.利用3D打印標定球的機械臂與RGB-D相機手眼標定方法[J].機器人，2018（6）：27-30.

[2]徐春榮.在機械制造領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的應(yīng)用探析[J].電子元器件與信息技術(shù)，2019（9）：20-23.

[3]謝冬冬，張磊剛.基于3D打印技術(shù)的機械教學(xué)模型制作研究[J].機械工程師，2017（5）：10-12.

[4]王智昊.3D打印技術(shù)在機械自動化領(lǐng)域的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（1）：4-7.

[5]董莘，趙寒濤，吳岡.鑄造砂型3D打印技術(shù)的對比與應(yīng)用分析[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2019（11）：25-28.

[6]夏端武，薛小鳳.3D打印技術(shù)對機械制造業(yè)產(chǎn)生的影響[J].機械設(shè)計與制造，2016（12）：184-186.

[7]段望春，高佳佳，董兵斌，李研，劉少偉，楚瓏晟.3D打印技術(shù)在金屬鑄造領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 鑄造技術(shù)，2018（12）：18-22.

[8]周玉環(huán).3D打印技術(shù)對機械工程的影響探析[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2018（11）：78-80.