3D打印增材制造技術在機械制造中的應用

【關鍵詞】3D打印增材制造技術；機械制造；應用

引言

機械制造作為國民經濟中的重要支柱產業，在促進經濟發展和增強國家競爭力等方面發揮著至關重要的作用。傳統的機械制造工藝經過了漫長的發展歷程，雖然取得了令人矚目的成績，但是面對復雜零部件制造的個性化定制要求，也漸漸顯露出許多局限性。3D打印增材制造技術是新興的制造技術之一，由于其逐層累加材料這一特殊的制造方式打破了傳統制造過程中的局限性，給機械制造行業帶來了全新的發展契機。深入研究3D打印增材制造技術在機械制造中的應用，對于提高機械制造效率，降低生產成本和促進產品質量等方面都有著十分重要的意義。

一、3D打印增材制造技術概述

（一）技術原理

3D打印增材制造技術是建立在離散堆積原理基礎上的。首先，通過使用計算機輔助設計軟件來創建產品的三維模型，設計師可以采用參數化設計和逆向工程等方法來精確創建復雜的產品模型。在搭建好產品模型之后，對模型按一定的厚度切片，產生一系列的二維截面數據。切片厚度選擇對打印精度和效率有直接的影響，需要根據產品要求進行合理設置。

隨后，3D打印設備依托這些二維數據，采用熔融沉積、光固化和粉末燒結等具體物料添加方式，逐層累加物料，最終構建出三維實體產品。以熔融沉積建模技術為例，該技術通過加熱噴頭將絲狀材料（如塑料、金屬絲等）加熱至熔融狀態，噴頭在數控系統的精確控制下，按預設路徑對物料進行擠壓和逐層堆積處理，通過逐層疊加的方式構造三維物體。在光固化成型這一技術應用中，液態光敏樹脂通過紫外光的照射實現逐層固化，從而能夠生產出具有高精度和優良表面質量的部件[1]。

（二）技術特點

1.設計自由度高

3D打印增材制造技術擺脫了傳統制造過程中模具、加工工藝等因素的束縛，可以快速地實現復雜幾何形狀的零部件制造。設計師可以根據產品的功能需求自由地對零部件內部結構及外部形狀進行設計，例如晶格結構、薄壁結構、仿生結構等，這些都是傳統制造工藝中很難實現或非常昂貴的。以航空航天領域為例，可以設計出輕量化晶格結構零部件來降低重量和改善飛行器性能，同時確保飛行強度。

2.個性化定制能力強

這種技術能夠根據不同顧客的個性化需求迅速調整產品的設計和生產。無需像傳統制造那樣，為每個個性化產品重新開模或調整生產線，從而大大縮短了產品開發周期，降低了個性化定制成本，尤其適用于小批量、多品種的生產需求。比如在醫療器械制造方面，可以給病人量身打造個性化植入物以改善治療效果，提升病人舒適度。

3.材料利用率高

區別于傳統機械加工“減材制造”模式，3D打印增材制造技術基于產品模型層層積料，制造時基本沒有多余廢料，材料的使用效率可以超過90%，這大大減少了材料的成本，并與可持續發展的理念相契合。以金屬加工為例，傳統的加工方式會生產出大量的邊角料，通過3D打印可以準確地控制物料的使用情況，避免資源浪費。

4.生產周期短

3D打印增材制造技術不需要繁雜的工裝夾具準備及多道加工工序，由設計模型向實體產品轉換的流程簡單而直接。對于某些復雜零部件來說，傳統制造也許要幾個星期甚至幾個月的時間，3D打印只需幾個小時到幾天的時間，極大地縮短了產品開發與生產的周期，加快了企業響應市場的速度。在新產品的研發階段，可以迅速地制造出用于測試與優化的樣機，從而加快產品的上市時間[2]。

二、3D打印增材制造技術在機械制造中的應用

（一）復雜零部件制造

在機械制造過程中有大量外形復雜、用傳統加工工藝很難生產出來的零部件。以航空發動機渦輪葉片為例，渦輪葉片內部冷卻通道結構復雜，目的是提高發動機熱效率及可靠性。利用3D打印增材制造技術可以直接按照設計模型層層堆疊金屬材料，準確地制造內部結構復雜的渦輪葉片，不需要經過煩瑣的機械加工與裝配，極大地提高了制造精度與效率。打印時通過對激光能量和掃描速度的準確控制來保證材料冶金結合質量和增強葉片性能。另外，在汽車生產過程中，對于那些具有復雜曲面的部件，利用3D打印技術也能達到高效生產的目的，從而提高產品的整體性能。采用拓撲優化設計和3D打印相結合的方法，可以制造輕量化和高性能汽車零部件以減輕整車重量并改善燃油經濟性[3]。

（二）模具制造

模具被廣泛應用于機械制造當中，而傳統的模具制造工藝復雜，周期長，成本較高。3D打印增材制造技術給模具制造提供了一種全新的生產方式。一方面可以直接印刷模具：采用3D打印的方式進行模具制造，可以將隨形冷卻水道設計到模具內，使得注塑或者壓鑄時的模具實現更加均勻的降溫，縮短了產品成型周期，降低了產品變形量并提高了產品質量。采用仿真軟件對冷卻過程進行仿真，并對隨形冷卻水道進行了優化設計以進一步提高冷卻效果。另一方面，針對某些外形復雜、脫模困難的模具，可以通過3D打印的方式制作出可溶解型芯并在制品成型后型芯被溶解取出，從而解決了脫模困難的問題，提高了模具制作的靈活性及效率。為了確保產品成型后的型芯能夠迅速且完全地溶解，需要選擇適當的可溶解物質，例如特定的塑料或鹽[4]。

（三）零部件修復與再制造

機械零部件經過長時間的運行，不可避免地會發生磨損、腐蝕或其他被破壞的情況。傳統修復方法常受修復工藝、材料匹配性等因素制約，修復效果差、費用高。3D打印增材制造技術是解決零部件修復和再制造問題的一種高效的方案。通過三維掃描受損零部件，得到它們的三維模型，再運用3D打印技術基于模型準確修復受損部位。比如，對于磨損后的機械軸類零件可以利用3D打印技術將材料加入到磨損處，使其恢復到原來的大小及形狀；對腐蝕后的金屬零部件可以利用金屬3D打印技術在其損壞表面上打印出一層耐腐蝕材料來對零部件進行維修和再制造，從而提高零部件的使用壽命，減少設備維護成本。修復過程中，選用與原有零部件材料相匹配的打印材料，進行熱處理及其他后處理工藝以確保修復部位和原件性能的一致性。

（四）產品研發與創新

在機械產品的研究開發階段，原型的快速制造對于驗證設計思路和產品性能的優化具有重要意義。3D打印增材制造技術可以在產品設計模型的基礎上快速做出產品原型，有利于設計師對產品外觀及結構的直觀認識，及時發現設計中存在的缺陷并加以優化。同時，通過對不同設計方案產品原型的3D打印制作，可以對其性能測試及對比分析，從而加快產品研發進程。以新型機械設備開發為例，采用3D打印技術迅速制作了多種零部件原型并組裝調試完成，依據試驗結果優化產品設計，可顯著縮短產品研發周期，降低研發成本，推動機械產品創新發展。利用多材料3D打印技術，可以在同一個樣機上模擬各種材料的復合使用，從而給產品的創新設計帶來了更大的可能性[5]。

三、3D打印增材制造技術在機械制造應用中面臨的挑戰

（一）材料限制

當前，3D打印增材制造技術能夠應用的材料類型比較受限，大致有塑料、金屬和陶瓷幾大類別。就金屬材料而言，可應用于3D打印中的金屬合金品種并不豐富，而且有些材料在強度和韌性上與傳統的鍛造和鑄造材料還有一定距離。就陶瓷材料而言，打印工藝的復雜性和高昂的成本制約著它的大范圍使用。另外，3D打印中不同物料的成型特性有很大區別，需根據不同物料制定特殊的打印工藝及設備參數，加大技術應用難度。比如一些金屬材料在印刷過程中容易出現裂紋，這就需要通過對印刷參數的優化和合金元素的加入來加以解決。

（二）制造成本較高

盡管3D打印增材制造技術在材料利用率方面具有優勢，但總體制造成本仍然較高。一方面，3D打印設備成本較高，尤其是高精度金屬3D打印設備采購成本動輒幾百萬乃至幾千萬元，對很多中小企業而言都是一筆不小的投入。另一方面，3D打印材料價格比較昂貴，特別是某些特殊材料，比如高性能金屬材料和生物可降解材料。另外，3D打印過程能耗較高，這會導致制造成本進一步增加。所以，降低裝備及材料成本、提高能源利用效率是促進3D打印增材制造技術廣泛應用于機械制造的關鍵。可以通過技術創新和規模化生產，在優化打印工藝的前提下，減少設備及材料的成本并降低能耗。

（三）打印精度與質量問題

盡管3D打印技術的精度越來越高，但是離傳統機械加工對高精度的要求還有一定距離。打印過程中易因材料收縮、變形而使打印零件尺寸精度及表面質量受影響。對于那些對精度和表面品質有極高要求的機械部件，例如航空航天領域的精密部件，目前的3D打印技術還不能完全滿足這些要求。另外，3D打印零件內部可能存在質量缺陷，還需進行深入研究才能保障零件運行時的安全性與可靠性。通過改進打印設備的結構，優化打印路徑，來提高3D打印的精度與品質。

（四）標準與規范不完善

當前，機械制造領域中3D打印增材制造技術的應用還缺少統一的標準和規范。從材料性能標準、設計規范到打印工藝標準和質量檢測標準，均需要進一步提高。不同的企業和設備進行3D打印時，因沒有統一的標準而造成打印產品質量良莠不齊，很難做到互換性與通用性。另外，對于3D打印產品的認證與監管還存在一些空白點，這些空白點從某種程度上限制了3D打印增材制造技術的大范圍推廣。所以，需要加快有關標準與規范的制定以及認證與監管體系的建設，從而推動3D打印技術的規范化發展[6]。

四、3D打印增材制造技術在機械制造中的應用展望

（一）材料創新與多樣化

在材料科學日益發展的今天，3D打印增材制造技術所能應用的材料類型也會越來越豐富和多樣化。一方面，需要研制出性能更加優異的金屬、陶瓷和復合材料來滿足機械制造中對于材料性能提出的高需求。如研究開發新型高溫合金材料來生產航空發動機和其他在高溫環境中運行的零部件，研制出具有自修復材料和智能材料等特殊作用的復合材料，這會給機械產品的創新設計帶來更大的可能。另一方面，需要降低材料成本，增強其可打印性與穩定性，推動3D打印材料的大范圍使用。通過對材料合成技術的革新和規模化生產，達到降低材料成本、提高材料性能的目的。

（二）提升設備性能與降低成本

技術在進步，3D打印設備也會越來越好。打印精度、速度以及可靠性都會得到進一步提升，以滿足機械制造中高精度、高效率的要求。同時，通過技術創新、規模化生產等手段，3D打印設備成本會逐步下降，從而更容易被中小企業所接受。另外，設備智能化程度也會越來越高，具有自動校準、故障診斷功能，減少了裝置操作難度及維護成本，且提高了裝置使用效率。

（三）與傳統制造技術融合發展

3D打印增材制造技術和傳統機械制造技術之間并不是互相取代的關系，而是一種互補和融合的關系。未來會形成增材制造和減材制造、等材制造復合制造模式。在產品制造時根據零部件特點及要求靈活地選用適當的制造工藝。對復雜結構零部件首先利用3D打印技術將其基本外形制作出來，然后利用傳統機械加工工藝對其表面進行精加工以改善其精度及表面質量；對于大規模生產的標準零部件，選擇使用傳統的制造方法來提升生產效率。通過整合各種制造技術，達到優勢互補，全面提升機械制造水平。

（四）標準與規范體系的完善

隨著3D打印增材制造技術應用于機械制造的日益深入，有關標準和規范體系也會逐漸完善。從材料性能標準、設計規范到打印工藝標準、質量檢測標準，都將形成一個完整而統一的標準體系，來保證3D打印產品質量的穩定與互換性。與此同時，強化3D打印產品的認證與監督體系，建立相應的法律法規以維護消費者權益，從而推動3D打印增材制造技術在機械制造領域健康有序地發展。

結語

3D打印增材制造技術因其特有的技術原理及顯著的優點在機械制造領域顯示出了廣泛的應用前景。通過將其運用于復雜零部件制造、模具制造、零部件修復再制造及產品的研發創新中，可切實提升機械制造效率及質量，促進機械產品制造的創新發展。但這一技術的應用還面臨著材料限制、制造成本較高、打印精度和質量有待提高、標準和規范不夠健全等方面的挑戰。今后，隨著3D打印技術的標準和規范體系不斷完善，以及材料的革新和設備性能的改進，并與傳統制造技術結合發展，3D打印增材制造技術必將在機械制造領域中發揮更重要的作用，給機械制造行業的轉型升級帶來巨大的推動力量，助力我國從制造大國走向制造強國。

參考文獻：

[1] 于天碩.增材制造技術在服裝設計中的材料創新與應用研究[J].西部皮革，2024，46（13）：2931.

[2] 王葉松，方喜峰.基于增材制造技術的數字化制造教學改革與實踐[J].信息系統工程，2024（05）：157160.

[3] 田嬌.增材制造技術在汽車工裝設計與制造中的應用[J].汽車測試報告，2024（06）：1921.

[4] 劉旭，吳衛萍，劉松.3D打印機換料裝置設計[J].造紙裝備及材料，2024，53（01）：79.

[5] 賈曉麗，劉璇，陳建平.增材制造技術專業逆向工程與3D打印技術課程標準研究[J].科學咨詢（科技·管理），2023（23）： 7981.

[6] 孫先偉，張莉莉，尹航宇.3D金屬打印技術在薄壁外觀塑件模具制造中的應用[J].模具制造，2024，24（01）：6263.