4月15號，承蒙深圳光韻達(dá)光電科技有限公司的朋友邀請，得以到目前國內(nèi)工業(yè)級3D打印領(lǐng)航者光韻達(dá)參觀學(xué)習(xí)。
3D打印技術(shù)近兩年來發(fā)展很快，不管是在汽車、家電、模具制造、文藝、醫(yī)療、手機(jī)、無人機(jī)、航空航天等越來越備受關(guān)注，工藝成熟度越來越高。
下面我們先來看一張圖，光韻達(dá)的朋友介紹，這是用3D打印技術(shù)一體化成型的麒麟。
圖 1 3D打印技術(shù)一體化成型的麒麟
在《西游記》中，有這么一段關(guān)于麒麟的介紹：“如來說，當(dāng)初，混沌初開，萬物始生，世間開始有飛禽和走獸，走獸以麒麟為首，飛禽以鳳凰為首”，可見麒麟在歷史神話中的地位之高。但這并不是神話中的麒麟，而是用SLS技術(shù)，采用工程塑料PA粉，利用激光有選擇地分層燒結(jié)固體粉末，并使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。
其技術(shù)采用鋪粉棍將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點的某一溫度，控制系統(tǒng)控制激光束按照該層的截面輪廓在粉末上掃描，使粉末的溫度升至熔化點，進(jìn)行燒結(jié)，并與下面已成型的部分實現(xiàn)粘結(jié)。當(dāng)一層截面燒結(jié)完成后，工作臺下降一個層的厚度，鋪料輥又在上面鋪上一層均勻密實的粉末，進(jìn)行新一層截面的燒結(jié)，周而復(fù)始，直至完成整個制作過程。通俗來講，就把這個麒麟，劃分成無數(shù)個二維平面，只有長寬，通過疊加一點一點成型三維立體。
圖 2 3D打印技術(shù)一體化成型的麒麟
為什么選擇尼龍粉末呢？尼龍材料特性強(qiáng)度高、柔韌性強(qiáng)，可以使得麒麟整體部件并不脆弱，并且在細(xì)節(jié)上，尼龍純白的色澤、極高的柔韌性更是能完美模擬出麒麟柔軟的鬃毛，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看去，麒麟的一根根鬃毛似乎在隨著麒麟的嘶吼顫動飄揚(yáng)，整個形象瞬間就鮮活起來了。
此外，在打印精度上，該制件的打印精度在±0.1mm，整套麒麟模型全身上下820個大部件、4000多個細(xì)小的部件均實現(xiàn)一體化打印，最后無偏差組裝完成此次麒麟模型。其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數(shù)據(jù)處理、鋪粉、燒結(jié)以及后處理等。
一什么是3D打印技術(shù)呢？
據(jù)光韻達(dá)的朋友介紹：所謂的3D打印技術(shù)，是指由數(shù)字模型（CAD）直接驅(qū)動，運(yùn)用金屬、塑料、陶瓷、樹脂、蠟、紙、砂等可粘合材料，在快速成型設(shè)備里通過逐層疊加的方式來構(gòu)造物理實體的技術(shù)。目前，主要有SLS、SLM、SLA和Polyjet技術(shù)。
1.SLS技術(shù)
即選擇性激光燒結(jié)，采用激光有選擇地分層燒結(jié)非金屬固體粉末，使燒結(jié)成型的固化層層層疊加生產(chǎn)所需形狀的零件。
2.SLM技術(shù)
同樣采用激光燒結(jié)技術(shù)，適用于金屬材料，利用激光對金屬粉末進(jìn)行高溫熔融，層層疊加，最終形成三維零件。
3.SLA技術(shù)
即立體光固化成型，基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理工作。這種液態(tài)材料在一定波長和強(qiáng)度的紫外光的照射下迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，材料也就從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。
4.Polyjet技術(shù)
以超薄層的狀態(tài)將感光聚合材料一層一層地噴射到構(gòu)建托盤上，每層感光聚合材料被噴射后用紫外光進(jìn)行凝固，直至完成模型，最后采用非接觸樹脂處理與噴水清除支持材料。
二3D打印的原材料
3D打印的耗材可選擇金屬、非金屬材料、SLA-光敏樹脂、Polyyet-光敏樹脂等。
1.金屬材料
CL 20ES（不銹鋼1.4404 | CL50WS（熱作鋼1.2709） | CL91RW（不銹鋼熱作鋼） | CL100NB（鎳基高溫合金） |
CL100CoCr（鈷鉻合金） | CL40Ti（鈦合金） | CoCr（鈷鉻合金） | AIsi12（鋁合金） |
AlSi10Mg | CL42TI（純鈦） |
2.非金屬材料
PA2200(純尼龍粉末） | PA3200GF（尼龍玻纖粉末材料） | Alumide（尼龍混合鋁粉） |
PA2210FR（防火精細(xì)尼龍粉末） | Carbonmide（碳纖維尼龍材料） | Pa22029(黑色純尼龍粉末） |
3.SLA-光敏樹脂
SOMOS NEXT /白色光敏樹脂 | Somos nano tool /填充陶瓷顆粒光敏樹脂 |
Somos GP plus /類ABS/PBT光敏樹脂 | Watershed XC 11122 /透明光敏樹脂 |
4.Polyyet-光敏樹脂
透明材料 | 剛性不透明材料 | 類聚丙烯材料 | 類橡膠材料 | 耐高溫材料 |
三3D打印的技術(shù)特點
隨著技術(shù)的發(fā)展，3D打印的技術(shù)特點愈發(fā)明顯。特別是在精密制造，一體成型、快速制樣以及小批量生產(chǎn)上，優(yōu)勢特別明顯。
1.精密制造，一體成型
模具作為現(xiàn)代制造技術(shù)的一種重要手段，廣泛應(yīng)用于汽車、電子、家電等批量生產(chǎn)化生產(chǎn)領(lǐng)域。但高端精密模具（尤其是注塑模具和壓鑄模具）其復(fù)雜的工藝要求，給傳統(tǒng)工藝技術(shù)帶來了難題。采用3D打印技術(shù)則可以比較輕松解決這個問題。如筆者手中采用鋁合金3D打印成型制件，傳統(tǒng)工藝對于制件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，比較難以處理，但通過3D打印，一體成型，可以非常簡單的解決這個結(jié)構(gòu)問題。
圖3 3打印鋁合金制造，一體成型
2.快速制樣
據(jù)了解到，在新產(chǎn)品研發(fā)階段，3D打印技術(shù)可以在一兩天甚至幾個小時即可完成一套或者幾套快速原型樣件。此外，塑料制件的精度可達(dá)到±0.1um；產(chǎn)品原型無需機(jī)加工，翻模或開模具，可根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計圖直接打印原型樣件，并可隨時對數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，極大地避免了浪費，從而降低成本。
圖4 一體成型，之間的連接結(jié)構(gòu)都是一體成型
3.小批量生產(chǎn)
小批量生產(chǎn)是指生產(chǎn)單件產(chǎn)品基本上是小批量需求的專用產(chǎn)品的生產(chǎn)。針對千件，白件甚至更少的制造需求，傳統(tǒng)的制造手段，如CNC、注塑、鑄造等難以克服成本高、效率低、產(chǎn)品質(zhì)量不易保證等缺陷。相反，工業(yè)級3D打印卻能有效解決小批量生產(chǎn)的成本、效率和品質(zhì)等問題，并且可根據(jù)需求，柔性化生產(chǎn)，個性化生產(chǎn)，同時多款產(chǎn)品，不同批量。
圖5 3D打印陶瓷餐具
四應(yīng)用領(lǐng)域及實際案例
1.模具領(lǐng)域
模具加工工藝包括：裁模、沖坯模、復(fù)合模、擠壓模、四滑軌模、級進(jìn)模、沖壓模、模切模具等，長期以來一直被廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)的制造業(yè)中。然而，隨著產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，傳統(tǒng)制造工藝越來越難以滿足高端精密模具（尤其是注塑模具和壓鑄模具）復(fù)雜的工藝要求。采用工業(yè)3D打印技術(shù)能不受產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)及復(fù)雜形狀的約束，在模具內(nèi)部進(jìn)行復(fù)雜的隨形冷卻水路設(shè)計與加工，輕松實現(xiàn)高端模具的生產(chǎn)制造，給最終產(chǎn)品的量產(chǎn)帶來極大的好處。
圖6 扇葉輪模具3D打印金屬
如圖5，這款扇葉輪模具，是采用模具鋼MS1.2709打印，便于拋光處理，能確保注塑產(chǎn)品表面光潔。傳統(tǒng)工藝制造的模具，只能采用環(huán)形水路圍繞澆位，與每個葉片均存在距離，無法做到較好的冷卻，故葉片成型時出現(xiàn)翹曲的幾率比較大。
采用3D打印技術(shù)可以確保模具葉片澆面均有冷卻水道，有效地提升了冷卻效果，大大降低了模具因受熱不均，導(dǎo)致產(chǎn)品翹曲變形的問題，并且提高了注塑的效率。
2.汽車領(lǐng)域
如圖8,這款汽車進(jìn)氣歧管，選用PA+GF材料，使用SLS技術(shù)打印，可以保證較好的強(qiáng)度、韌性及尺寸精度，還可實現(xiàn)性能測試功能；使用的是德國進(jìn)口EOS P396設(shè)備打印，據(jù)光韻達(dá)的朋友介紹，這款產(chǎn)品還可以根據(jù)打印實際尺寸而定，24小時就可以加工完成。此外，不久前，該公司為奇瑞運(yùn)用3D打印技術(shù)，打印了一臺概念車，汽車大部分零部件，都是采用3D打印一體成型。
圖7 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣歧管
圖8 汽車空調(diào)系統(tǒng)外殼
圖9 3D打印賽車總重量由原先的440kg減少至306kg（與同濟(jì)大學(xué)合作）
3.文化創(chuàng)意領(lǐng)域
不久之前，深圳一家3D打印咖啡館開業(yè)，里面的椅子、杯子、餐具、燈具等等，都是采用3D打印技術(shù)，制作的文化創(chuàng)意藝術(shù)品，而這些產(chǎn)品，就來自光韻達(dá)公司。據(jù)該公司的朋友介紹，3D打印技術(shù)在文創(chuàng)領(lǐng)域，應(yīng)用性非常高。這源于3D打印技術(shù)，可以提供極大的個性化、差異化、可以根據(jù)設(shè)計師的理念，讓設(shè)計成為現(xiàn)實，從而創(chuàng)造出有藝術(shù)價值性的產(chǎn)品。
圖10 文創(chuàng)藝術(shù)品（由極致盛放設(shè)計）
圖11 文創(chuàng)藝術(shù)品（由極致盛放設(shè)計）
圖12 文創(chuàng)藝術(shù)品（由極致盛放設(shè)計）
圖13 3D打印的餐具（由極致盛放設(shè)計）
4.醫(yī)療領(lǐng)域
工業(yè)3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域，與醫(yī)院建立戰(zhàn)略合作關(guān)系，可以為之提供包括手術(shù)規(guī)劃和訓(xùn)練模型、精準(zhǔn)手術(shù)導(dǎo)板、金屬植入物、贗復(fù)耳鼻、燒傷面具和康復(fù)支具等多項3D打印醫(yī)療技術(shù)，并能為設(shè)計加工、計算和測試等研發(fā)項目為傳統(tǒng)醫(yī)療器械廠商提供更多的創(chuàng)新理念。
圖14 3D打印助力全國首例“母子拼肝”手術(shù)
這是用精確的3D打印技術(shù)規(guī)劃肝臟切割部位，可以在盡量減少對母親肝部損傷的情況下，在3D打印指導(dǎo)下的全國首例“母子拼肝”手術(shù)。
圖15 鈦合金下頜骨植入體
這是中國首例3D打印個性化人工顳下頜關(guān)節(jié)假體，成功應(yīng)用于一位關(guān)節(jié)強(qiáng)直多次復(fù)發(fā)、30余年張不開嘴的44歲女性患者，幫助該患者恢復(fù)正常張口度和口腔功能，實現(xiàn)開口夢。
圖16 3D打印技術(shù)完成了肺部導(dǎo)管制作
5.建筑領(lǐng)域
如圖16，為室內(nèi)建筑模型，選用材質(zhì)輕、強(qiáng)度高的尼龍高分子工程塑料進(jìn)行打印，使用EOS P396塑料打印燒結(jié)設(shè)備打印；該模型一次性成型整個樣板房，無需裝配環(huán)節(jié)；生產(chǎn)周期8小時。相對于傳統(tǒng)工藝，產(chǎn)品需要拆件，再通過CNC加工完成組件加工；各個組件需要通過高溫膠水粘結(jié)起來形成樣板房結(jié)構(gòu)整體，工序較多，耗時較長。這就體現(xiàn)了3D打印的快速成型性。
圖17 室內(nèi)建筑模型
圖18 埃菲爾鐵塔模型
6.其他領(lǐng)域
其他領(lǐng)域，包括無人機(jī)、家電、電動工具、航空航空等，工業(yè)級3D技術(shù)都逐漸都向成熟化。
圖 19 電機(jī)風(fēng)輪
圖 20 水處理閥門
圖21 無人機(jī)外殼結(jié)構(gòu)件
圖 22 家電外殼一體化
圖 23 航空零部件（鈦合金為原料）
圖 24 飛機(jī)內(nèi)部支架結(jié)構(gòu)
圖25 金屬輕量化結(jié)構(gòu)
圖 26 金屬輕量化結(jié)構(gòu)
圖27 金屬結(jié)構(gòu)件鋼鐵俠
通過本次拜訪，讓筆者對于3D打印技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域，又有了更進(jìn)一步的理解。之前一些朋友就提及過，如果降低金屬結(jié)構(gòu)件的重量，筆者認(rèn)為，3D打印技術(shù)在一定程度上是可以做到金屬輕量化。
隨著日趨成熟的3D打印技術(shù)，以后在模具制造行業(yè)、汽車、家電、電子電氣等行業(yè)產(chǎn)品開發(fā)研發(fā)階段，利用該技術(shù)可大大提高研發(fā)效率，也可提高注塑效率。筆者認(rèn)為，隨著行業(yè)越來越精細(xì)化的需求，產(chǎn)品越來越個性化，隨著產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)升級，3D打印行業(yè)在未來發(fā)展前景非常值得期待！
光韻達(dá)簡介
如果對于3D打印技術(shù)感興趣或者有問題想要交流，也可以聯(lián)系光韻達(dá)3D打印事業(yè)部 朱經(jīng)理：15986664313，QQ：1518935782
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