惠普3D 打印介紹及在制造工程的應(yīng)用研究

孫文虎 劉雷 宋濤

惠普打印機(jī)（山東）有限公司 山東威海 264209

1 惠普3D 打印介紹

1.1 惠普3D 打印概況

惠普是全球生產(chǎn)工業(yè)級(jí)塑料和金屬3D 打印的領(lǐng)先解決方案供應(yīng)商，為包括寶馬集團(tuán)（BMW）、耐克（Nike）、捷普（Jabil）、強(qiáng)生（Johnson & Johnson）以及其他全球領(lǐng)先企業(yè)的高效業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)提供了技術(shù)支持，他們都在使用惠普3D 打印技術(shù)為汽車、航空航天、醫(yī)療保健、消費(fèi)品和其他行業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)模型和零部件。此外，惠普也在北美、歐洲和亞太地區(qū)不斷拓展其數(shù)字化制造合作伙伴[1]。

由于其良好的打印質(zhì)量以及超高的制造效率，惠普3D 打印技術(shù)在生產(chǎn)制造、醫(yī)療、汽車、消費(fèi)品等領(lǐng)域有著很多的應(yīng)用。2017 年僅一年內(nèi)，利用惠普技術(shù)3D 打印的零件就有150 萬(wàn)個(gè)，其中有50%用于最終用途。在最新的全彩惠普打印機(jī)里有140 多個(gè)零件，都是惠普自身的設(shè)備打印出來(lái)，直接進(jìn)行組裝的。惠普也把3D 打印機(jī)稱為“能把自己打印出來(lái)的打印機(jī)”。

惠普最早推出的塑料3D 打印機(jī)MJF4200/3200，以及2018年推出的全彩打印機(jī)MJF500/300，都是基于射流熔融技術(shù)。其中全彩打印機(jī)是3D 打印行業(yè)的第一款“使制造商能夠生產(chǎn)全彩色的工業(yè)級(jí)功能部件”的3D 打印機(jī)，定位是功能性原型設(shè)計(jì)。對(duì)于醫(yī)療、汽車、消費(fèi)品或其他行業(yè)的用戶來(lái)說，全彩3D 打印的應(yīng)用會(huì)為他們帶來(lái)研發(fā)效率的巨大提升[2]。

1.2 惠普3D 打印重要里程碑

2017 年6 月13 日，惠普在中國(guó)推出商用3D 打印解決方案，發(fā)布兩款商用3D 打印機(jī) MJF4200/3200，加速制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

2017 年8 月24 日，惠普和德勤宣布共同推動(dòng)全球12 萬(wàn)億美元制造業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2017年11月，惠普推出全新Jet Fusion3D4210打印解決方案，以更廣材料組合加速3D 制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2018 年3 月21 日，惠普3D 打印解決方案攜手春立醫(yī)療，首次進(jìn)入中國(guó)手術(shù)導(dǎo)板制造領(lǐng)域。

2018 年6 月，惠普聯(lián)合廣東（大瀝）3D 打印協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)宣布亞太及日本地區(qū)最大規(guī)模工業(yè)級(jí)3D 打印部署。

2018 年9 月11 日，惠普推出批量化生產(chǎn)金屬3D 打印技術(shù)，加速第四次工業(yè)革命到來(lái)

惠普打印機(jī)（山東）有限公司（HPPS）作為惠普在中國(guó)的唯一自營(yíng)打印機(jī)工廠，2018 年購(gòu)買了1 臺(tái)MJF4200 打印機(jī)，10 月成立了“3D 打印應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室”，開始深入探索研究3D 打印在制造工程中的具體應(yīng)用。

1.3 惠普3D 打印技術(shù)

惠普的3D 打印技術(shù)名稱為“多射流熔融（MultiJet Fusion，MJF）”，所使用的材料主要為尼龍粉末，主要是PA11/PA12。與我們熟知的利用激光器來(lái)燒結(jié)尼龍粉末材料不同（SLS 技術(shù)），HP3D 打印技術(shù)是通過噴射“熔融劑”然后加熱，使其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而讓尼龍粉末固化。

惠普全新多射流熔融（MJF）技術(shù)主要優(yōu)勢(shì)：

（1）采用高強(qiáng)度尼龍12 粉末材料（重復(fù)利用率80%），平均耗材成本為SLS 工藝的一半，為工業(yè)型FDM 的四分之一到五分之一。

（2）打印效率比SLS 快約6-10 倍，比工業(yè)FDM 快10 倍以上。

（3）在操作性方面，MJF 將混粉、篩粉、冷卻等過程集成在一個(gè)處理站里面，大大簡(jiǎn)化了操作流程。

（4）相比于SLA 光固化成形，MJF 粉末成形零件具有更優(yōu)良的綜合機(jī)械性能以及抗熱變形能力。

（5）打印件機(jī)械性能符合終端使用要求，MJF 已被應(yīng)用于直接小批量生產(chǎn)領(lǐng)域[3]。

1.4 惠普3D 打印機(jī)MJF4200 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

MJF42003D 打印包括3D 打印機(jī)和處理站 整套設(shè)備，主要技術(shù)參數(shù)如下：

．有效打印尺寸:380x284x380 毫米（15x11．2x15 英寸）

．打印速度:4000 立方厘米/小時(shí)（244 立方英寸/小時(shí)）

．分層厚度:0．07 至0．1 毫米（0．0027 至0．004 英寸）

．打印精度:0．2mm

．打印分辨率:1200dpi

．支持文件格式:STL、3MF

2 3D 打印應(yīng)用研究

2.1 3D 打印應(yīng)用研究的核心職能

HPPS“3D 打印應(yīng)用研究室”的核心業(yè)務(wù)是探索/擴(kuò)大3D 打印在制造工程上的應(yīng)用，為制造工程提供實(shí)時(shí)的支持及服務(wù)，滿足客戶的各種需求。

圖1 3D 打印應(yīng)用研究室的核心職能

2.2 3D 打印在產(chǎn)品生命周期過程中的應(yīng)用研究

2.2.1 產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)階段

開發(fā)設(shè)計(jì)階段主要是協(xié)助產(chǎn)品原型機(jī)的制作，利用3D 打印進(jìn)行新開發(fā)的零部件的模型生產(chǎn)，縮短產(chǎn)品零部件的設(shè)計(jì)、制作周期，減少后續(xù)的模具改造，縮短整體開發(fā)時(shí)間。

2.2.2 產(chǎn)品的批量生產(chǎn)階段

此階段主要應(yīng)用于制造工程上，主要目的是方便作業(yè)者的作業(yè)、提高生產(chǎn)效率、提高組裝品質(zhì)、減少作業(yè)者的疲勞強(qiáng)度。

組裝、調(diào)試、測(cè)試過程的工裝、夾具以及生產(chǎn)輔助工具、定制化的物料容器的制作。

對(duì)于多品種、小數(shù)量的產(chǎn)品為了減少模具制作費(fèi)用，可以直接將3D 打印的零部件用于批量生產(chǎn)。

圖2 3D 打印代表性應(yīng)用事例

2.2.3 產(chǎn)品停產(chǎn)后的售后服務(wù)階段

產(chǎn)品停產(chǎn)后市場(chǎng)仍然會(huì)有5-8 年的售后服務(wù)的需求，為了持續(xù)的提供服務(wù)，減少模具老化后的備份模具的重新制作，可以利用3D 打印零部件滿足客戶的售后需求[4]。

2.3 3D 打印在制造工程中的應(yīng)用研究

2.3.1 3D 打印在制造工程中的優(yōu)勢(shì)

（1）多樣性和靈活性：可以滿足多品種、小批量生產(chǎn)

（2）最優(yōu)定制：以滿足各種生產(chǎn)要求

（3）容易制作復(fù)雜的形狀：克服機(jī)械加工的限制，制作各種復(fù)雜形狀，減少零部件數(shù)量

2.3.2 3D 打印在制造領(lǐng)域的主要應(yīng)用范圍及代表事例

3D 打印在制造領(lǐng)域主要應(yīng)用在下面5 個(gè)方面：

（1）制造工程上的工裝、夾具。應(yīng)用最為廣泛的一種，主要是在裝配過程中為便于作業(yè)者作業(yè)，用于異型、不規(guī)則零部件的固定裝置。

（2）生產(chǎn)設(shè)備的特殊零部件。生產(chǎn)設(shè)施、設(shè)備的一些非標(biāo)、特殊零部件的替代；克服傳統(tǒng)機(jī)械加工的限制，可以制作各種復(fù)雜形狀，減少零部件的數(shù)量，減少備件庫(kù)存和維護(hù)費(fèi)用。

（3）生產(chǎn)輔助工具。為作業(yè)者提供方便的輔助工具，主要用于提高生產(chǎn)效率、減少作業(yè)者的疲勞強(qiáng)度。

（4）定制化的存儲(chǔ)裝置。定制化的容器、支架、工作臺(tái)等，主要方便作業(yè)者的作業(yè)，提高生產(chǎn)效率。

（5）運(yùn)輸周轉(zhuǎn)過程中的零部件保護(hù)裝置。對(duì)一些易碎、易損傷的零部件的包裝保護(hù)裝置。

2.4 3D 打印的效益分析

利用3D 打印技術(shù)取代傳統(tǒng)的機(jī)械加工，除了可以縮短工裝、夾具及特殊零部件的交貨時(shí)間、滿足復(fù)雜的特殊定制要求外，主要還體現(xiàn)在制造成本的降低上。在2019/2020 財(cái)年3D 打印相比傳統(tǒng)的加工方式分別節(jié)省16．5 萬(wàn)美元/12 萬(wàn)美元。

3 結(jié)語(yǔ)

3D 打印在惠普打印機(jī)制造工程上的應(yīng)用研究已經(jīng)進(jìn)行了兩年多，雖然取得了一定的成果，但任重道遠(yuǎn)，在以后的工作中還要加強(qiáng)同高校、科研機(jī)構(gòu)、3D 打印制造廠商的密切合作，繼續(xù)跟蹤業(yè)界先進(jìn)技術(shù)/設(shè)備，不斷深入研究3D 打印在制造工程上的應(yīng)用，為中國(guó)智造添磚加瓦。