3D打印在復雜結構構建上的優(yōu)勢分析

廖胡娜

（成都成廣電視設備有限公司，四川 成都610000）

3D打印是近年出現(xiàn)的先進制造技術。以其產(chǎn)品設計理念革新、響應速度快而聞名。最初因其價格昂貴，多應用于航空、航天、生物醫(yī)療等領域。通常的工業(yè)設計中少有其身影。

隨著3D技術的快速發(fā)展，3D打印機及其打印材料的價格都有品種、類別的持續(xù)下降，從而讓日常的工業(yè)設計也可應用。其中就以熔融沉積成型（FDM）應用最為廣泛。

這種3D打印機常用的材料為熱塑性塑料，例如ABS、PLA和PC等。ABS打印件具有強度高、有一定韌性、耐沖擊、色彩豐富、材料成本價格適中等優(yōu)點，且成型工藝、設備操作與維護都較簡單，操作環(huán)境干凈安全，不產(chǎn)生毒氣和化學污染，被廣泛應用于汽車、建筑、藝術、工藝設計等模型制作領域。

3D打印又被稱為增材制造。與傳統(tǒng)的工藝制造模式相比，它有很多不同的地方。其生產(chǎn)機理讓它在復雜結構構建上擁有難以想象的優(yōu)勢。在相同的設計原理應用下，3D打印制造出的產(chǎn)品零件更集約，裝配工藝更簡單，維護費用更低廉。

下面以三種不同的充電座對比說明。

圖1為注塑件干電池充電產(chǎn)品。

圖1

圖2、圖3為注塑件充電電池再充電產(chǎn)品。

從圖1、圖2和圖3可以看出，兩種產(chǎn)品組成零件個數(shù)比較多。因為傳統(tǒng)工藝的限制，結構過于復雜或是異型件都難于成型，要不就是價格過于高昂，不利于成本核算。為了讓零件能在傳統(tǒng)工藝下順利生產(chǎn)，有時只能將一個比較復雜的零件拆成多個簡單零件，最后組裝成型。這肯定會增加裝配工藝，多一道或幾道生產(chǎn)工序。當然，相應的裝配成本和生產(chǎn)時間也不可避免地增加。

圖4為3D打印的充電座產(chǎn)品。

而3D打印技術對于復雜結構和異型件有著天然的優(yōu)勢。在相同的動作機理下，多個零件可以集成為一個，這就使產(chǎn)品零件種類下降。同樣功能的充電座只需加工生產(chǎn)三種零件就可組裝完成，比起圖1和圖2的零件種類都減少了兩種。

三種產(chǎn)品零件數(shù)量對比如表1。

3D打印的充電座零件之底座，如圖5。

圖2

圖3

圖4

表1

3D打印的底座使用了ABS塑料。ABS塑料密度小，有優(yōu)良的力學性能，其沖擊強度極好，耐磨性優(yōu)良，又具有耐油性。非常適合做動板的滑槽。加上其較好的絕緣性，可有效避免漏電傷人的問題。材料顏色豐富，選擇范圍寬廣。由于其應用廣泛，所以材料價格適中。使用ABS材料做成的底座重量相對較輕，表面雖然不太平整，但光澤度高，耐腐蝕性優(yōu)越。尺寸精度可控制在0.2~0.5mm之間，視其3D打印機精度高低和操作人員技術熟練程度而定。這款底座在設計時，就集成了圖1的件1充電腔體，件32滑軌固定板和件34導槽。注塑產(chǎn)品圖2中的各個零件多用螺釘聯(lián)接。需要人員花費裝配工時進行組裝。而3D打印零件一體成型，不需另外花費人工。從而省掉了固定滑軌的螺釘和件37限位螺釘。

圖5

3D打印的充電座零件之動板，如圖6。

圖6

3D打印的動板沒有使用ABS塑料而是使用了PE塑料。相比于ABS塑料，PE塑料擁有更高的韌性沖擊值。因動板兩直角面相交的地方截面面積變化較大，受力時應力較集中，易導致斷裂。ABS受壓強度雖好，韌性卻差。而PE塑料抗開裂性在塑料家族中最優(yōu)。它具有100~300%的延伸率，在承受巨大的外力、內(nèi)力或是彎曲應力時也能保持一定的變形而不斷裂。它還具有自潤性，自身滑動性能優(yōu)于帶油潤滑的鋼和黃銅，摩擦系數(shù)只有0.07~0.12。是動板天然的選擇材料。

動板受力應力圖，如圖7。

圖7

零件動板的設計集成了圖2的件30滑軌活動手柄和件31滑軌活動板。所以連接它們的件33固定滑軌活動手柄的螺釘就不需要了。

由上述對比可看出，3D打印的產(chǎn)品不僅可減少零件類型，還可減少其他連接件的使用。不僅從零件成本上降低了費用，還減少了產(chǎn)品在生產(chǎn)中的裝配費用。因為減少了產(chǎn)品的零件種類，用戶用以維修的庫存零件也將相應減少。由于產(chǎn)品裝配簡單，維護起來相對容易，不需專業(yè)人員實施，用戶在產(chǎn)品交付后的維修費用及管理費用也將相應降低。

從實例中不難看出，3D打印的產(chǎn)品在構建復雜外形上擁有得天獨厚的優(yōu)勢。尤其是中空的復雜零件，傳統(tǒng)加工工藝是減材加工，費時費力費料。而3D打印是增材加工，只打印有材料的地方，沒有材料的地方直接略過，是真正省時省力省料的加工手段。并且因為構建復雜零件的難度與成本比起注塑開模有大幅下降，小批量的生產(chǎn)尤其具有性價優(yōu)勢。

但因為3D打印的設計方法與傳統(tǒng)的設計方法有很大的差異，在設計思維方面，3D打印所帶來的自由化設計與便捷化設計，要求在設計上必須達到更高的創(chuàng)新性，對傳統(tǒng)設計中的簡單建模與模仿生產(chǎn)的設計理念是顛覆性的。要想合理、高效地運用3D打印技術，技術人員必須掌握“整體創(chuàng)意構思，整體結構設計，整體優(yōu)化制造”三位一體的融合開發(fā)能力。

鑒于3D打印技術還未廣泛應用，與常規(guī)制造方式的結合也還起步不久。其設備與材料價格雖然在下降，但工業(yè)批量化生產(chǎn)仍然昂貴。技術人員能得到的鍛煉機會有限。想要提高三位一體的融合開發(fā)能力，只有準確掌握3D打印技術的成型原理、材料屬性特征、應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，才能正確應用3D打印技術，發(fā)揮其創(chuàng)新優(yōu)勢，挖掘其制造潛力，進一步提升設計和制造水平。