工业级3D打印技术推动产品研发变革

    井长胜 于强 王晓龙 刘亚坤

    摘? ?要：工业级3D打印技术近几年蓬勃发展，出现了很多更高速、高性能、高质量的新工艺方法，航空航天、汽车等高端制造业也在积极应用工业级3D打印技术进行产品升级、新产品研发等工作，并取得了很好的效果。工业级3D打印技术的发展对产品研发的各方面都会产生影响，并逐渐推动产品研发工作多方面的变革。

    关键词：工业级;3D打印;增材制造;产品研发

    中图分类号：TP29? ? ? ? ? 文献标志码：A

    0 引言

    3D打印即三维打印，也被称为增材制造技术（AM）。其核心思想起源于1892年美国的一项采用层叠方法制作三维地图模型的专利，20世纪80年代3D打印机问世，从此3D打印技术开始快速发展，结合材料技术的发展，SLA、SLS/SLM、3DP、FDM、LOM、LENS、EBM、WAAM等很多不同的3D打印工艺相继出现。3D打印技术已经应用到航空航天、汽车制造、模型模具、医学和建筑等各行各业。

    3D打印技术发展初期的设备和材料成本高、打印质量不高，但近几年3D打印技术正在逐步进入工业时代，可快速批量加工高质量零件的3D打印技术正在逐渐替代传统制造技术。

    工业级3D打印机的发展推动着新产品研发、制造的快速变革，国内各行业需要积极应用3D打印技术进行产品研发、制造，用需求拉动国内工业级3D打印技术的快速发展，使产品研发能力的提升与3D打印技术的发展相互促进，以免与国外产生差距。

    1 工业级3D打印技术的发展情况

    1.1 高速、高性能、高质量的增材制造新技术

    美国Carbon3D公司的连续液态界面（CLIP，Countinuous Liquid Interface Production）3D打印技术。这项技术的核心是“利用一层透氧膜，隔离光敏树脂液体和空气中的氧气，实现高速、连续的3D打印成型”，这项革命性的CLIP技术比普通的3D打印快25～100倍，而且理论上分层可以无限细腻，在工艺上与浇铸零件更为相似。

    德国工业3D打印系统制造商EOS的LaserProFusion新技术是一种能够取代注塑成型的增材制造技术：近百万个二极管激光器，排成阵列激光，瞬间一次性烧结粉末材料并逐层制造零件。构建过程非常高效，可以作为许多应用的注塑替代品。

    惠普公司发布了专为大批量生产工业级金属零件而研发的HP Metal Jet，通过双向铺粉和面成型，可将工作效率提升高达50倍，并显著降低成本。但成型后还需高温烧结。

    迪士尼公司提出了一种采用激光全息投影的新型树脂3D打印技术，将物体的激光全息图整个“嵌入”光敏树脂中，直接在空间中实现固化，完成打印。因此速度极高，被称为近瞬时打印技术。这项新技术目前成型尺寸非常小，也不能打印太复杂的形状。

    德国博世公司开设了一家新的子公司，致力于通过增材制造工艺提供与注塑成型性能相当的塑料零件，无需传统制造方法所需的昂贵模具，可以节省小批量生产工业塑料零件的成本。

    德克萨斯大学埃尔帕索分校（UTEP）的电磁学和光子学实验室开发了一种3D打印电子设备的自动化工艺，能够制造非常规形状的电路。三维电路可以使电路更小、更轻、更有效率，为实际应用提供更高的可操作性。有了电子3D打印，电子设计师也同样可以快速制作原型。

    以色列3D打印机制造商Nano Dimension完全使用3D打印技术制造了一款物联网设备，整个原型的打印、测试和组装仅耗时18个小时。比传统制造方法快90%，传统方法需要2周甚至更长时间。

    1.2 3D打印材料的创新

    瓦克化学公司开发了全球首项用于液体硅橡胶组件增材制造的工业级技术。凭借其独特的“按需喷墨”技术，用于打印高功能性部件，同时保持硅橡胶的耐高温性、抗辐射性及生物相容性等优异性能。

    西安交大采用连续纤维与热塑性聚合物为原材料，利用复合浸渍-熔融沉积的 3D打印工艺实现高性能复杂结构复合材料构件的低成本一体化快速制造，所制备的 Cf/PLA复合材料抗弯强度达到了390 MPa，是传统 PLA 零件（48 MPa～53 MPa）的7倍，性能与铝合金相当，重量减少2/5。可满足工业领域对于大尺寸构件的应用需求，可实现电磁屏蔽材料的可控制造，其良好的电磁屏蔽性能、机械性能、加工性能以及较低的加工成本使其在航空系统和卫星天线领域展现出良好的应用前景。

    韩国通信卫星使用了SLM制造的铝合金（AlSi7Mg）轻量化部件，原来的多个部件合成一个整体制造，部件重量比原设计降低22%，制造成本降低30%，生产周期缩短1～2个月。

    1.3 面向3D打印的仿真软件和技术

    仿真软件使用户可以考虑整个增材工艺链的各个环节，包括拓扑优化、部件验证、打印设置、工艺过程仿真、支撑生成、打印失败预防和微观结构预测等，帮助完成高质高效的增材制造工艺设计而无需昂贵而耗时的试错过程。

    零件的拓扑优化设计：在保证结构刚度和承载能力的条件下优化结构材料分布，实现轻量化设计。拓扑优化面向自由形状的设计，增材制造是唯一能够满足其制造要求的工艺手段。

    增材制造工艺过程仿真：预测部件形状、变形和应力，自动生成最佳支撑结构和变形补偿STL文件，保证打印精度，避免打印失败。

    1.4 无损检测技术

    增材制造的检测工作可分为原料、加工过程、加工完成和使用过程4个阶段，每个阶段中都可能存在不同类型的缺陷，需要檢测的内容也不尽相同。增材制造的零件孔隙率高，孔隙会降低零件的强度，局部的孔簇会导致用过程中裂纹的形成，而微孔的存在通常决定动态性能（如疲劳） 。

    目前在无损检测方面的技术主要包括计算机断层扫描、渗透测试、涡流检测、超声检测和红外相机测量等。

    2 工业级3D打印技术对零部件设计的影响

    零部件设计可利用软件仿真进行拓扑优化设计、点阵结构设计、性能分析评估，相比传统制造工艺可以更大程度地采用拓扑优化的计算结果，减重效果非常明显。

    面向传统制造工艺的产品设计需要根据加工能力分解为很多零件，金属3D打印技术的发展可以将很多零件进行融合设计，使零件数量大减，整体性能、可靠性大为提升，也减少整机装配的工作量。如一些多个零件拼装或焊接的箱体、液体流道、散热风道等，3D打印加工不仅节省拼装零件之间的密封材料、导电材料，而且流道、风道的截面设计、路线设计更符合流体力学要求，提升流动效率。

    功能和结构的融合设计，可对减震、防淋雨、散热、电磁兼容等功能进行创新性的结构设计，与零件结构融合设计，减少功能器件的使用。如防淋雨可以采取非密闭的外壳结构，设计为既能进气又能泄水的曲折、分支等复杂通道，与外壳结构融合设计，可以去除防水透气类功能零件，避免功能零件的失效对整机环境适应性的风险，而这类复杂结构使用传统制造工艺很难，甚至无法实现。

    如果进行零件和整机设计时综合考虑了增材制造特点与压铸或注塑模具的特点，就可以在小批量增材加工的同时进行大批量投产前的模具设计和制造工作，并行开展设计工作，节省模具设计、制造、试模、修模的时间，使产品更快上市。

    3 工业级3D打印技术对产品研发流程的影响

    面向传统制造工艺的新产品研发流程基本上只能串行，设计完成后等待加工装配后再测试，零部件多、设计时间长、加工时间也长，零件配合精度较差，零件装配、测试、试验有时会发现问题，而解决问题的时间也长，导致整个研发周期很长。

    而面向增材制造的新产品研发流程就会产生很多变化，有些工作可以并行开展，零件数量减少，设计时间和加工时间减少，也减少问题的发生，可以最大程度地缩短研发周期。

    详细分析整个研发流程如下：

    产品造型阶段可以快速3D打印多个不同的产品造型进行对比、评估、修改，能使造型和概念设计更完善、周期更短，为后期详细设计赢得更充足的时间，降低返工的可能性。

    样机阶段采用3D打印技术加工产品结构、部分电路板，能大为节省样机零部件的加工时间，从而可以有更充分的时间对样机进行各项测试，尽早发现和解决潜在的问题。

    小批试产阶段可以采用工业级3D打印技术快速生产出小批量的零部件，进行产品整机的流水线装配试产，完善产品工艺，使产品能更快地达到批产状态。

    正式批产（如模具设计、加工，物料准备等过程）的同时可以用工业级3D打印技术进行小批量的产品生产，以便配合产品发布、市场推广、客户试用等上市工作，使产品能更快地推向市场。

    4 面向工业级3D打印的产品研发展望

    2019年6月欧洲发布《2030年欧洲工业展望》，该报告将增材制造确定为欧洲工业未来战略增长的关键。

    由于3D打印技术对产品设计各种工艺限制的减少，使产品设计软件可以更快地向智能化方向发展，之前的计算机辅助设计（CAD）将会发展为人工智能辅助设计（AIAD），使产品设计更加合理、高效，大为减轻设计工程师的工作量，可以将精力更多地放在产品功能的实现和完善上。产品研发组织形式和产品研发流程等也会发生很多面向增材制造和智能化设计的变革。

    将3D打印技术与智能材料结合起来称为4D打印技术，智能材料的3D打印结构在外界环境激励下实现自身的结构变化。随着4D打印智能材料的多样化，4D打印技术的应用将更加广泛。相应的产品研发模式也会发生深刻的变革。

    5 结语

    随着工业级3D打印技术的不断发展、普及，企业需要在产品的策划、设计过程中不断增加增材制造的考量、尝试，使产品战略、设计思维、人员组织、制度流程和供應链等各方面都能逐渐适应增材制造带来的变革。对企业而言，这些变革不可能一蹴而就，需要在各方面进行规划布局，不断尝试，总结经验，才能形成适合企业、适合产品特点的增材制造发展路线。

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