1、3D 打印使制造的自由度大幅提高

   3D 打印源于制造思路的革新。根據(jù)美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）的定義：3D 打印是借助三維數(shù)字模型設(shè)計(jì)，使用激光燒結(jié)、材料噴射等各種立體打印技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)原料層層沉積疊加，并最終形成成型物體的一種制造方式。在概念上，它同義于工業(yè)專業(yè)術(shù)語中的“增材制造”（Additive Manufacturing）。之所以稱之為“增材制造”，是因?yàn)樗鼌^(qū)別于傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式：通過多種工具加工手段（切割、鉆孔、蝕刻等）剔除原材料中多余的部分，得到需要的成型件，這種制造方式像是在數(shù)學(xué)中的“減法”運(yùn)算。而“增材制造”逆其道行之；通過特定方式的材料添加來制造產(chǎn)品，更像是在做“加法”復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可實(shí)現(xiàn)性，以及復(fù)雜度與制造成本之間的獨(dú)立性成為提高制造自由度的基礎(chǔ)。制造過程中，打印頭和激光燒結(jié)處理的材料一般都是半液態(tài)或粉末狀的物體。制造流程相當(dāng)于材料在三維空間上進(jìn)行排列組合。這種成型原理，使得產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)幾乎不受加工工藝的限制。同時(shí)，對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械加工而言，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的提升，意味著制造工序的增加，和成本的上升。而3D 打印制造的直接成本主要來源于原材料和設(shè)備折舊；這兩部分成本的大小幾乎不受產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度的影響。

   下圖為使用3D 打印技術(shù)制造的外飾品，使用傳統(tǒng)的機(jī)加工，實(shí)現(xiàn)這種復(fù)雜的鏤空結(jié)構(gòu)幾乎是不可能的。而使用3D 技術(shù)制造這種復(fù)雜程度較高的產(chǎn)品，相比簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)件，并不會(huì)增加額外成本。這一點(diǎn)對(duì)于功能部件的生產(chǎn)制造來說更具有實(shí)質(zhì)意義。擺脫了制造技術(shù)的限制，工程人員完全可以從使用性能的角度追求最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。

    下圖為空中客車（Airbus）飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)外殼使用的金屬鉸鏈，圖形上部為傳統(tǒng)機(jī)加工的外形設(shè)計(jì)，下部是使用3D 打印制造的外形設(shè)計(jì)�？梢钥闯龊笳咻^前者形狀更為復(fù)雜，但原料使用更為節(jié)約，重量更輕。就性能而言，并不遜于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，甚至?xí)�更好�?/P>

   2、3D打印簡(jiǎn)化作業(yè)流程，提高制造的數(shù)字化程度

   3D打印的作業(yè)流程一般可分為前處理（pre-processing）、成型加工（processing）和后處理（post-processing）三個(gè)階段，如下圖所示。

圖表 5  ZCorp公司3D打印設(shè)備作業(yè)流程圖

    在前處理階段，使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維立體模型的設(shè)計(jì)（CAD modeling），并將3D模型轉(zhuǎn)化為打印設(shè)備可以識(shí)別的STL、OBJ、VRML、DXF、PLY等文件格式。一般3D打印設(shè)備使用的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)都具有逆向工程運(yùn)算功能，軟件以產(chǎn)品設(shè)計(jì)的相應(yīng)參數(shù)，自動(dòng)生成制造程序。在成型加工階段，打印設(shè)備根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序進(jìn)行層級(jí)制造，得到坯件。在后處理階段，根據(jù)產(chǎn)品需要，進(jìn)行拋光、浸滲等工藝處理后，得到最終產(chǎn)品。

   這種作業(yè)流程相對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)加工，具有流程簡(jiǎn)化、數(shù)字化程度和設(shè)備通用水平提升三大優(yōu)勢(shì)：

   1）3D對(duì)作業(yè)流程的簡(jiǎn)化主要體現(xiàn)在成型加工階段。機(jī)械加工同樣可以借助CAD模型來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品原型的設(shè)計(jì)，但之后還需要工程人員來進(jìn)行制造流程的設(shè)計(jì)，包括工具選擇和工序安排。然后按照既定工序來完成產(chǎn)品制造。每個(gè)工序階段，使用的操作工具和設(shè)備類型一般都不相同，主要根據(jù)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)而定。3D打印相當(dāng)于將機(jī)加工的工具作業(yè)流程轉(zhuǎn)換為一臺(tái)設(shè)備的內(nèi)部操作，從而簡(jiǎn)化了制造流程。

   2）3D打印的成型原理相對(duì)簡(jiǎn)化，易于轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的程序語言。制造程序的生成相當(dāng)于以最終產(chǎn)品所要達(dá)到性能參數(shù)作為約束條件，通過逆向工程原理計(jì)算得到最優(yōu)化（一般指制造時(shí)間最短）的加工方案。這一步驟可以完全通過特定的軟件來實(shí)現(xiàn)，代替了加工流程設(shè)計(jì)中的人工成分，減少了制造過程中人工參與，從而提高了制造的數(shù)字化程度。

   3）傳統(tǒng)的機(jī)械加工的作業(yè)流程一旦完成，一般只能加工一種或幾種產(chǎn)品。有些工序環(huán)節(jié)的工具裝備僅僅是針對(duì)一種產(chǎn)品的加工需要而設(shè)計(jì)。如果需要生產(chǎn)新的產(chǎn)品，往往需要更換工具設(shè)備，對(duì)工序流程也需要重新設(shè)計(jì)。整個(gè)流水線的產(chǎn)品專屬性較強(qiáng)。3D打印基于其特殊的成型原理，只要通過更改產(chǎn)品的制造程序，同一臺(tái)設(shè)備即可以生產(chǎn)不同形狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。從而提高設(shè)備的通用性水平。

   3、3D打印提高原料利用率，減少生產(chǎn)廢料

   3D打印制造方式對(duì)材料利用率的提高來源于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝兩個(gè)方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

由于3D打印給予產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)充分的設(shè)計(jì)自由度，設(shè)計(jì)者可以使用傳統(tǒng)加工工藝無法實(shí)現(xiàn)的幾何結(jié)構(gòu)（如晶格、支架、蜂巢等幾何結(jié)構(gòu)）來減少原材料的使用。下圖是使用ExOne公司的3D打印設(shè)備加工成型的門把手，它是基于傳統(tǒng)制造工藝設(shè)計(jì)，引入了新的結(jié)構(gòu)形狀；在不影響產(chǎn)品性能的條件下，減少了原料的用量。此項(xiàng)設(shè)計(jì)曾經(jīng)參與米蘭家具展，相比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)，原料消耗量大約減少30%。而如果將這種設(shè)計(jì)理念延伸至其他工業(yè)領(lǐng)域，那么意味著整個(gè)制造業(yè)對(duì)原料的消耗量可能發(fā)生明顯的下降。

圖表 6  使用3D打印加工成型的手柄

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圖表 7  3D打印制造的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件

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   就制造工藝而言，由于3D打印采用“增材制造”的技術(shù)路徑，因此在理論上這種生產(chǎn)方式幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何廢料。但由于制造工藝的精度誤差，和部分產(chǎn)品加工過程所需要的支撐結(jié)構(gòu)，仍然會(huì)有原料損耗。而相比機(jī)械加工，這種原料損耗已經(jīng)顯得微乎其微。在傳統(tǒng)機(jī)加工工藝條件下，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度越高，通常意味著需要從最初材料原型中剔除的部分也會(huì)越多，原料的利用率就越低。

   4、3D打印提高了產(chǎn)品創(chuàng)新速度，降低了創(chuàng)新成本

   由于3D打印設(shè)備較高的通用化水平和數(shù)字化程度，只需修改設(shè)計(jì)，改變制造程序，而無需額外添加設(shè)備就可以新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品或者零部件的制造。此外，從創(chuàng)新設(shè)計(jì)到推向市場(chǎng)，時(shí)間價(jià)值無疑是一個(gè)十分重要的因素，3D打印技術(shù)以數(shù)字化制造，快速成型的工藝特點(diǎn)，可以大量節(jié)省研發(fā)者制造的時(shí)間，加速設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)的速度。

圖表 8  三種生產(chǎn)方式的比較