浅谈3D打印的优势与应用
发布时间：2019-05-17 14:18:14 阅读量：115
基于3D打印技术，设计人员已经可以对产品的内部结构进行精细控制以获得最佳效果。例如，用晶格或蜂窝状内部结构取代一个整块，可以在减轻产品重量的同时又不牺牲强度。
此外，研究人员正在研究一系列技术来控制打印件的性能，甚至能对金属的微观晶体结构精细控制，这将在本质上改变材料的底层原子和分子排列。例如，传统的金属铸锻技术(即受压成型)需要金属从外至内冷却，而金属3D打印采用快速凝固，从而导致更均匀的微观结构。因此，工程师可以控制成品的强度、硬度、弹性、灵活性和耐压力。
就某些材料而言，3D打印不只是较好的选择，更是理想的生产方式。钛就是一个例子──重量轻、强度(密度)比钢强、比不锈钢更耐腐蚀。事实上，在许多应用场合，钛都是近乎完美的金属选择。然而，除了成本较高外，钛的主要缺点是：在切割过程中容易硬化，这导致刀具磨损严重;在焊接过程中，又容易受到污染，这导致焊接点容易脱落。而3D打印技术却可以很好地对钛进行驾驭──因为此时的钛已成为了一堆很细的粉末，只需不断地添加烧结即可，不存在任何加工问题，既不需要切割也不需要焊接。
成本优势
以前你要找个工厂，让它为你生产一把你自己设计的锤子，首先你至少要为此支付5~10万元的开模费用。如果产量低于一百，则单件的价格高达几百元。因此，如果仅做一把或几把锤子，成本将是无比高昂的。但是，对3D打印机而言，无论是生产一件产品还是一千件产品，设备成本都是一样的。
此外，3D打印和传统制造业的另一个区别在于产品的形成过程。传统制造过程通常使用消减的做法，包括研磨、锻造、弯曲、成型、切割、铣削、焊接、黏接、装配等。整个过程中会浪费很多原材料，同时在金属加热和再加热的过程中产生大量的能源消耗。
与此相反，3D打印技术在小批量打印方面已经表现出了显著的价值。首先无须采购各式各样的机床，如车床、铣床、磨床等，这就省去了一大笔设备采购、维护费用。同时，因为是有控制地一层层添加材料，加工废料也大大减少，可以留下90%的原材料。以国外某个制造厂为例，通过使用3D打印(采用熔融沉积成型方法，即FDM)定制注塑模型的某个特别部件，制造成本由10 000美元降至600美元，生产时间从4周减少到24小时，且重量减轻了70%~90%。
更重要的是，3D打印技术在样件设计制造上优势明显，省去模具制造的过程，在提升研发速度的同时，降低了研发失败的成本。当然，3D打印技术也可作为大规模生产的辅助工具，比如模具和其他工具的制造，用传统加工方法一般需要为大规模生产的辅助工具，比如模具和其他工具的制造，用传统加工方法一般需要花费一个月的时间，而使用3D打印在48小时内就可以完成。
在产品直接制造方面，比如使用3D打印实现多层电路一次成型的整合制造，可具有明显的速度优势。
更重要的是，3D打印具有“即需即印”的优势，当顾客下单后，定位一个距离顾客物理位置最近的云制造节点开始制造，然后迅速送货上门，这样省去了产品库存、物流的成本。
3D打印的应用现状
前面介绍了3D打印的诸多优点，正是这些优点才点燃了全球第三次工业革命的导火索。然而，3D打印的应用刚刚开始全面普及，肯定也存有很多不完善的地方，比如制造精度相对较低、制造简单结构部件的速度较慢等。
3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术，至少包括信息技术、精密机械和材料科学三大技术。通过与数控加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段结合，在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域得到了一定的应用，在工程和教学研究等应用领域也占有独特地位。具体应用领域至少包括以下几个。
生物医疗：用于制作人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等。航空航天、国防军工：用于直接制造复杂形状、微细尺寸、特殊性能的零部件。消费品：珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造。文化创意和数码娱乐：通过设计形状和结构复杂、材料特殊的作品来进行艺术表达。3D打印的小提琴已接近手工艺的水平。工业制造：用于产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证;制作模具原型、直接打印模具，甚至直接打印产品。3D打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世。3D打印的家用器具模型，也被用于企业的宣传、营销活动中。建筑工程：建筑模型风动实验和效果展示、建筑工程的施工模拟。教育：打印模型来验证科学假设，用于不同学科的实验和教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印已经被用于教学和科研。
新产品的原型制造是目前3D打印最主要的商业应用，约占70%的3D打印市场。原型使设计师(和他们的客户)可以在设计阶段早期触摸和测试设计理念或功能实现，从而避免了后续变更造成的昂贵代价，为新产品上市节省了大量的时间和金钱。以赤石(Akaishi)──日本的一家保健鞋和按摩设备制造商为例。该公司发现，通过3D打印原型，新产品从订货至交货的时间缩短了90%，并且使设计师在产品上市前就对功能有100%的信心。原型还有利于实验和创新，例如，使用3D打印技术，贝尔直升机公司可以在数天内完成新设计的测试，而使用传统方式需要花上数周。
在某些行业中，3D打印已经从原型制造发展为直接零件生产，也称为直接数字化制造。EOIR技术公司是一家领先的防御系统设计和开发公司，使用3D打印机制造坚固耐用的坦克外置设备。自从引入3D打印技术后，该公司的制造成本从原制造坚固耐用的坦克外置设备。自从引入3D打印技术后，该公司的制造成本从原来的单件10万美元以上，下降到如今的40000美元以下。再例如，在航空航天领域，空中客车通过3D打印来制造金属机翼支架，由于3D打印可以毫不费力地制造内部任意复杂中空的形状，使得部件重量较轻，飞机的重量也随之减轻，从而节省了燃料。
