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人類製造技術的發展已有幾千年歷史了,三星堆文化遺址中的青銅器、秦陵兵馬俑中的銅車馬都展現了高超的鑄造技術。鑄、鍛、焊技術沒有改變材料的質量,被稱為「等材製造」。而車、銑、磨技術則使材料在製造中減少,因此被稱為「減材製造」。近三十年來,一種新的增材製造技術取得了飛速發展,也就是我們俗稱的「3D列印」。

圖1 3D列印電動汽車零部件

3D列印技術何以具有如此大的魅力？因為它可以利用三維設計數據在一台設備上快速而精確地製造出任意複雜形狀的零件,從而實現「自由製造」。這種技術不需要傳統的刀具、夾具及多道加工工序,大大減少了加工工序,縮短了加工周期。而且越是複雜結構的產品,其製造的速度作用越顯著。回想以往,製造零件先得考慮有沒有模具、工裝,沒有他們零件就做不出來；或者刀具能否進行加工，因為如果零件內部要求很高的精度，刀具完成不了，那麼零件也難以製造。

圖2 3D列印燈具

一、增材製造的市場規模

增材製造的特點是單件或小批量的快速製造，這一技術特點決定了增材製造在產品創新中具有顯著的作用。通過來美國的分析數據顯示,2012年增材製造設備與服務全球直接產值22.04億美元,增長率為28.6%。據《沃勒斯報告2013》統計2017年該產業市場規模將達60億美元。到2021年,市場規模將達到108億美元。

圖3 產業鏈分析

目前美國在設備的擁有量上佔全球的38%,中國繼日本和德國之後,以約9%的數量占第四位。在設備產量方面,美國3D列印設備產量最高,佔世界的72.9%,歐洲以10.2%、以色列以9.3%位居第二和第三,中國設備產量佔3.6%。我國應用該技術最多、最早的地區是珠三角地區、長三角地區。

圖4 市場趨勢預測

二、3D列印主要技術分析

2.1：SLA 立體光固化成型技術

該技術的原理是用特定波長與強度的「光」聚焦到「光固化材料」表面，從而完成單層材料的圖形化。使用的材料是液態光敏樹脂。特點是成形速度較快，精度相對較高，外形表面非常好。主要用於製造多種模具、模型。

圖5 工作原理

2.2：FDM 熔積成型技術

其原理是將絲狀材料通過加熱器的擠壓頭熔化成液體，，將熔融的材料塗覆在成型的「作品」上，冷卻後便完成一層圖形的製作。使用的材料是絲狀材料(石蠟、金屬、工程塑料、低熔點合金絲)。特點是使用、維護簡單，成本較低，速度快，複雜程度原型僅需要幾個小時即可成型。主要用於塑料件、鑄造用蠟模、樣件或模型。

圖6 FDM技術

2.3：LOM 分層實體製造技術

其原理是激光切割系統按照計算機提取的橫截面輪廓線數據，將背面塗有熱熔膠的薄材用激光切割出工件的內外輪廓，切割完一層後，送料機構將新的一層紙疊加上去，利用粘壓裝置將已切割層粘合在一起。使用的材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜及塗敷有熱敏膠的纖維紙等。特點是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。主要用於快速製造新產品樣件、模型或鑄造用木模。

圖7 LOM工藝原理圖

2.4：3DP 三維粉末粘接技術

其原理是先鋪一層粉末，然後使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然後不斷重複鋪粉、噴塗、粘接的過程，層層疊加，獲得最終工件。使用的材料是粉末材料，如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等。特點是成型速度快、無需支撐結構，而且能夠輸出彩色列印產品，目前其他技術比較難以實現。主要應用在專業領域。

圖8 3DP工藝原理圖

2.5：SLS 選擇性激光燒結技術

其原理是先鋪一層粉末材料，控制激光束有選擇性地進行燒結，使粉末材料溫度升至熔化點，被燒結部分便固化形成圖形，接著不斷重複鋪粉、燒結的過程，直至完成整個模型成型。使用的材料是金屬粉末材料。特點是成品精度好、強度相對較高，最主要的優勢在於金屬成品的製作。主要應用在高端製造領域。

圖9 SLS工藝原理圖

三、應用

刀夾具是金屬切削機床上重要的組件，尤其是非標刀夾具領域來說特點是數量少，幾何形狀複雜。3D列印在刀夾具領域的應用可以說正在走向縱深方向發展。

3.1:列印刀具

增材製造技術帶來複雜的內部幾何結構，而通過3D列印技術創造出擁有複雜的螺旋冷卻通道的QTD系列刀具，能夠有效的提高冷卻液到鑽頭頂部的流動過程中的熱傳導能力。3D列印的鑽頭與之前的鑽頭相比使用壽命更長、運轉速度更快。

圖10 擁有複雜內部結構的刀具

這種內冷的刀具通常的直徑不能太小，在通過3D列印之前，生產商所能生產的最小的直徑只能做到13mm,而通過Concept laser的LaserCUSING 3D列印技術可以製造的範圍在8mm到32.75mm。

圖11 3D列印刀具

3.2:液壓刀柄

液壓刀柄的夾持力大，有助於提高加工工藝的精度和可靠性，但很容易存在耐熱性差的缺陷，隨著金屬切削過程中越來越多的工藝涉及到高速加工領域，耐熱性成為需要解決的主要問題。通過採用專門的鋼基金屬粉末以及重新涉及液壓刀柄的設計，新設計的刀柄顯著提高了熱傳導的能力。

圖12 3D列印液壓刀柄

3.3:夾具

Materialise公司與德國雄克（SCHUNK)合作，開發機床上的裝夾工件的夾具，他們共同推出SCHUNK egrip在線免費平台，客戶可以基於瀏覽器通過幾個簡單的步驟創建夾鉗程序。用戶可以上傳所要加工的產品的STEP或STL文件以及相關的數據，如物品的重量，夾具的底座，安裝方向，位置和部分夾鉗，應用程序會自動生成優化的夾指設計，並提供價格和交貨信息，即時在線訂購夾鉗。這些夾鉗通過3D列印控制和自動化軟體的激光燒結聚醯胺工藝，在短短的幾天里製造出來。

圖13 3D列印夾鉗

四、總結

在競爭日益激烈的市場中,增材製造技術的優勢更為突出。美國汽車開發大量使用增材製造技術,助力新車型快速上市、及汽車工業的回暖。據悉,福特商用車搭載的3.5升EcoBoost發動機中的許多部件都是通過3D快速成型生產技術開發而成的,這提高了整個開發效率,縮短了上市周期,並降低了時間和成本。另外,美國GE公司通過增材製造技術將原來20個零件的發動機噴嘴集成為一個件,減重25%,增效15%。此一項技術就為GE公司爭取到85000個零件訂單。這項足以對製造業發起變革的技術，你值得擁有！

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