從快速成形走向直接產品制造——3D打印技術在家電產品設計制造中的應用（上）

文/劉永輝 張玉強 張渠

雖然我國已經成為世界第一家電生產大國，但還不是家電強國。我國家電行業(yè)面臨資源壓力大、市場增長放緩、原材料價格上漲和勞動力優(yōu)勢喪失等諸多挑戰(zhàn)，其轉型升級和邁向產業(yè)價值鏈高端的需求非常迫切。3D打印技術作為新生事物，被譽為“第三次工業(yè)革命的重要標志之一”，該技術是一項具有工業(yè)革命意義的高新制造技術，代表了世界制造業(yè)發(fā)展的新趨勢。本文介紹了3D打印技術在家電家居產品設計制造中的應用。3D打印技術在家電家居領域，特別是促進傳統(tǒng)產業(yè)轉型升級、提升核心競爭力、實現產品個性化定制方面日益發(fā)揮巨大的推動作用。

3D打印技術在家電家居產品設計制造中的應用主要分為兩方面：(1)快速原型制作和新產品開發(fā)過程中的設計驗證與功能驗證，經過二十多年的發(fā)展，這一方面的技術和應用已經比較成熟；(2)終端產品直接制造，包括基于性能最優(yōu)的高級模具設計制造和高端家電家居產品個性化定制，這是近幾年來剛剛涌現出來的新技術和新應用。

本文分為上下兩篇，上篇主要介紹3D打印技術及其在產品原型制作和支持新產品研發(fā)方面的應用；下篇側重于闡述3D打印技術在提升模具設計與制造能力和實現產品高端化、個性化方面的新技術和新應用。

3 D打印技術及其特點

3D打印技術最早稱為快速成形技術或快速原型制造技術，誕生于20世紀80年代后期，是在現代CAD/CAM技術、機械工程、分層制造技術、激光技術、計算機數控技術、精密伺服驅動技術以及新材料技術的基礎上集成發(fā)展起來的一種先進制造技術?？梢宰詣?、直接、快速、精確地將設計思想轉變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現手段。快速成形技術就是利用三維CAD數據，通過快速成形機，將一層層的材料堆積成實體原型。

不同種類的快速成形系統(tǒng)因所用成形材料的不同，成形原理和系統(tǒng)特點也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是“分層制造，逐層疊加”，類似于數學上的積分過程。形象地講，快速成形系統(tǒng)就像是一臺“立體打印機”。3D打印機、3D打印技術或增材制造技術因此得名。

目前市場上的3D打印技術主要分為選擇性激光燒結技術(SLS)、熔融沉積制造技術(FDM)、立體光固化成型技術(SLA)、噴墨打印技術(PolyJet)、數字化光處理技術(DLP)、三維噴繪打印技術(3DP)等。對于3D打印制造工藝的研究，一方面是在原有技術基礎上進行改進；另一方面是研究新的成型技術新的成型方法。如三維微結構制造、生物活性組織的工程化制造、激光三維內割技術、層片曝光方式等。圖1為3D打印技術典型生產過程（以選擇性激光燒結技術SLS為例）。

由圖1可以看出，與傳統(tǒng)的“去除型”制造技術不同，3D打印技術采用材料逐漸累加的方法來制造實體零件。這一技術不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，在一臺設備上可快速而精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現“自由制造”；解決許多過去難以制造的復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且越是復雜結構的產品，其制造優(yōu)勢越顯著。表1為3D打印技術與傳統(tǒng)“去除型”制造技術工藝特點的對比分析。

表1 3D打印技術與傳統(tǒng)“去除型”制造技術工藝特點對比分析

3 D打印技術支持新產品研發(fā)

當前，市場競爭愈演愈烈，產品更新換代加速。要保持家電產品在國內外市場的競爭力，迫切需要在加大新產品開發(fā)投入力度、增強創(chuàng)新意識的同時，積極采用先進的創(chuàng)新手段。產品原型制作由于能夠優(yōu)化新產品的設計和開發(fā)，可以有效地縮短新產品研發(fā)周期，提升研發(fā)的成功率，因而在新產品研發(fā)中得到了廣泛的應用。家電產品原型主要分為外觀樣機（設計驗證）、結構樣機（裝配驗證）和性能樣機（功能驗證）。目前制作產品原型主要有兩種手段：數控機床和3D打印機。

傳統(tǒng)的數控機床加工直接使用ABS、PP等真實材料，材料成本較低；但其缺點是需要根據零件數據進行編程加工，對于復雜結構的零件，需要進行零件拆分加工，加工完畢后再進行粘接拼合。零件越復雜，需要編程和拆分的工作量越大，后處理的拼接工序越復雜，所需人工工時就越多，加工成本越高。

3D打印技術加工速度快、工藝柔性高，能一次性完成結構非常復雜的零件制作，且其制作成本和制作速度與零件的復雜程度基本無關。根據3D打印成型工藝的不同，使用材料可以為光敏樹脂、尼龍、類ABS等，材料成本較高。

因此，在實際家電產品原型制造過程中二者各有優(yōu)勢、互為補充。數控機床比較適合制作結構較為簡單的普通實心零件，例如空調外殼、頂蓋等。而3D打印機主要用來制作各種結構復雜或者工期要求短的零件，例如貫流風扇（圖2）、異形風道等。從未來發(fā)展趨勢來看，隨著3D打印技術的不斷發(fā)展成熟，特別是材料成本的逐漸降低，3D打印技術將會逐漸超過甚至取代數控加工技術。

目前3D打印技術在國內的家電行業(yè)上得到了很大程度的普及與應用，應用領域主要在于新產品開發(fā)。將3D打印技術引入到產品設計開發(fā)環(huán)節(jié)，提高了企業(yè)對市場的快速響應能力，提升了企業(yè)的競爭力，使我們許多家電企業(yè)在產品創(chuàng)新方面也走在了世界前列，如青島的海爾、海信，廣東的美的和格力等，都先后采用3D打印技術來開發(fā)新產品，收到了很好的市場效果。