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技术与创新 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料1083D 打印技术在工业设计制造中的应用分析雷作环厦门汉印电子技术有限公司，福建 厦门 361006摘要：文章分析了 3D 打印技术在工业设计制造中的应用。首先，介绍了 3D 打印技术的基本原理和发展历程。其次，探讨了其在工业设计制造中的优势，如加速产品开发周期、促进创意发散和复杂结构实现、减少材料浪费和环境影响。再次，讨论了其局限性，包括材料选择和性能限制、制造精度和表面质量、生产效率和成本考量，以及知识产权和安全问题。最后，探讨3D 打印技术在产品设计和生产优化中的应用，以供参考。关键词：工业设计制造；3D 打印技术；产品开发；个性化定制分类号：TP391.7；TB4721 3D 打印技术概述1.1 3D 打印技术的基本原理和工作过程3D 打印技术是一种以数字模型为基础，通过逐层添加材料构建三维实物的制造方法。其基本原理是将数字化的 3D 模型分解成多个薄层，然后由 3D 打印机逐层打印，逐渐堆积和固化材料，最终形成一个完整的物体1。3D 打印技术的工作过程如下：首先，使用计算机辅助设计软件创建或获取待打印的 3D 模型；其次，将模型导入至 3D 打印机；再次，3D 打印机按照设定参数进行打印，将材料逐层叠加并固化；最后，打印完成后，取出物体，进行后续处理2。1.2 3D 打印技术的发展历程20 世纪 80 年代，Charles Hull 发明了激光光固化技术，成为首个商用的 3D 打印技术。20 世纪 90 年代，熔融沉积建模（FDM）技术由 Stratasys 公司引入，降低了打印成本。21 世纪初，3D 打印技术开始在医疗领域应用，成功打印出人体组织和器官。21 世纪初，光固化层析（SLA）技术和选择性激光烧结（SLS）技术得到改进，广泛应用于工业制造和航空航天领域。随着材料和技术不断创新，3D 打印技术在工业设计制造中的应用不断拓展，展现了巨大潜力3。2 3D 打印技术在工业设计制造中的优势2.1 加速产品开发周期传统的制造方法需要设计、生产和测试多个阶段，而 3D 打印技术可以通过快速原型制作，大幅缩短产品开发的时间。设计师可以在计算机上迅速创建 3D 模型，并直接将其打印成物理原型，从而快速验证设计理念和功能。在产品开发的早期阶段，这种高效的原型制作能够帮助发现潜在的设计问题并进行快速改进，从而节约了宝贵的时间和资源4。这种快速迭代的能力有助于工业设计制造师更加灵活地响应市场需求，提高产品开发的效率和产品竞争力。2.2 促进创意发散和复杂结构实现传统制造方法通常受到成本和制造复杂性的限制，难以实现复杂的几何结构和创意设计。而 3D 打印技术允许设计师更加自由地表现创意，创造出更加复杂和独特的产品形态。通过逐层堆积材料的方式，3D 打印技术能够制造出其他方法难以实现的复杂结构和空间形态，为工业设计制造师提供了更多的创作空间。这种创意发散和复杂结构的实现能够为产品增色，提升产品的审美价值和功能性，满足消费者对独特性和个性化的需求5。2.3 减少材料浪费和环境影响传统制造方法通常需要从原材料中削减和加工，导致大量材料浪费。相比之下，3D 打印技术是一种“增材制造”过程，只使用所需材料来构建物体，几乎没有浪费。这有助于降低资源消耗，减少对环境的负面影响6。此外，3D 打印技术还能够使用可再生材料和生物降解材料，进一步降低环境负荷。通过减少材料浪费和优化材料选择，产品制造变得更加环保和可持续，与可持续发展目标保持一致。作者简介：雷作环，男，本科，工程师，研究方向为 3D 打印机、激光打印机、热敏打印机、电子秤。文章编号：2096-3092（2023）08-0108-03造纸装备及材料 第 52 卷 总第 221 期 2023 年 8 月 技术与创新1093 3D 打印技术的局限及其解决方法3.1 材料选择和性能限制虽然随着技术的发展，3D 打印材料的种类不断增加，但仍然存在材料的选择受限问题。不同的打印技术对材料有特定的要求，因此某些特殊材料可能无法适用于特定的打印方法。此外，现有的 3D 打印材料可能不具备传统制造材料的全部性能，如强度、耐磨性、耐高温性等。因此，在某些高性能要求的应用场景下，3D 打印技术可能无法完全替代传统制造方法。此外，不同材料之间的黏附和兼容性问题也需要充分考虑，从而限制了该技术的发挥7。为克服这些问题，研究人员正不断努力开发新型3D 打印材料，包括高性能复合材料和金属粉末。此外，定制化材料的研发也可以根据特定应用需求来提高性能。未来，材料科学的进步将为 3D 打印技术的广泛应用提供更多可能性，推动其在工业设计制造中的发展。3.2 制造精度和表面质量与传统制造方法相比，3D 打印技术在一些应用场景下可能无法达到高精度要求。打印过程中，由于层与层之间的叠加，可能导致细节部分不够精确或出现表面不光滑的问题。这对于某些精密零部件和高精度产品可能产生影响。此外，一些 3D 打印材料在打印过程中会出现收缩或变形现象，进一步影响制造精度。对于某些需要紧密配合的零部件，可能需要进行后续加工以满足精度要求8。要克服制造精度和表面质量的局限性，需要不断改进 3D 打印技术和工艺流程。通过优化打印参数、改进材料性能以及引入先进的 3D 打印设备，可以提高制造精度和表面质量。同时，结合传统制造方法，如后处理、精密加工等，也可在一定程度上改善打印品质，使 3D 打印技术能够更广泛地应用于工业设计制造中。3.3 生产效率和成本考量虽然 3D 打印技术能够实现快速原型制作和个性化生产，但在大规模生产方面，其生产效率相对较低。由于逐层叠加的特性，生产速度较慢，导致大批量生产的成本较高，不如传统制造方法的批量生产更经济高效。3D 打印材料的成本也相对较高，尤其对于高性能、特殊材料或大规模生产而言，成本将是一个限制因素9。要解决生产效率和成本的问题，需要持续改进 3D打印技术和设备，提高打印速度和效率。同时，材料选择和优化设计也可以在一定程度上降低成本，增强3D 打印技术在工业设计制造中的竞争力和应用前景。3.4 知识产权和安全问题由于 3D 打印技术的便利性和灵活性，可能存在知识产权侵权问题。未经授权的个人或企业可能使用3D 打印技术复制和制造受保护的产品设计，导致知识产权纠纷。此外，3D 打印技术也可能被用于制造非法或危险品，如武器等，带来安全隐患。解决这些问题的关键在于加强知识产权保护和监管措施。制定严格的法律法规，保护知识产权，打击侵权行为。同时，加强对 3D 打印技术的监管，确保其合法使用，防止非法和危险品的生产和传播。教育用户关于知识产权和安全意识也是至关重要的，让人们充分认识到 3D 打印技术的潜在风险，并遵守相关法律法规，确保技术的安全和合规应用10。4 3D 打印技术在工业设计制造中的应用4.1 产品设计由于 3D 打印技术的增材制造特性，设计师可以针对不同部件进行结构优化，去除多余材料，从而降低产品的质量。轻量化设计不仅有助于提高产品的运载能力和节能效率，还可以减少材料消耗和成本。3D打印技术还能实现复杂的内部结构和形状，增强产品的性能。通过优化内部结构和增加功能部件，可以提高产品的强度、刚性、耐磨性等性能指标11。例如，在航空航天领域，利用 3D 打印技术可以制造出复杂的空心结构零件，减轻质量的同时提高零件的强度和耐用性。因此，3D 打印技术为产品设计师提供了更多创新的可能性，使产品在轻量化和性能优化方面取得显著的进展，推动了产品设计的发展和创新。4.2 产品制造4.2.1 零部件快速替换和供应链优化在传统制造中，当零部件出现故障或需要更新时，可能需要重新设计和生产模具，耗费大量时间和资源。而通过 3D 打印技术，企业可以在需要时快速制造替代零部件，减少生产停机时间。这有助于提高生产线的运行效率和灵活性12。3D 打印技术还能优化供应链管理。通过在需要时及时生产零部件，企业可以减少库存量，节约仓储成本，并降低因库存过多而造成的资源浪费。同时，3D 打印技术可以促使生产地点更靠近市场，实现本地化生产，缩短供应链，提高响应速度。4.2.2 个性化定制和小批量生产由于生产线和模具制造成本昂贵，因此传统制造方法通常只能采取大规模生产。而 3D 打印技术能够根 技术与创新 2023 年 第 8 期 总第 221 期 造纸装备及材料110据个体客户的需求，快速定制生产独特的产品，满足个性化需求。设计师可以根据客户的要求，快速进行修改和调整，无须更换模具或设备13。3D 打印技术也适用于小批量生产，因为其生产成本相对较低，不需要大规模生产线。对于小规模生产或特殊需求，3D 打印技术具有灵活性和高效性，为企业提供了更灵活的生产方式。（1）建筑构件定制化生产。在建筑领域，传统的构件生产通常需要使用模板、模具等，工期较长。然而，通过 3D 打印技术，可以实现建筑构件的个性化定制，根据设计需求进行快速生产，加快建筑施工进程。3D打印技术能够在现场或离场制造建筑构件，减少对人力和时间的依赖，提高施工效率和精确度。这为建筑行业带来了更灵活、高效和创新的构件生产方式，推动着建筑行业向数字化和智能化方向的发展。3D 打印的建筑构件如图 1 所示。图 1 3D 打印的建筑构件（2）个性化医疗器械定制。医疗器械通常需要与患者的个体特征相匹配，以提供更有效的治疗和康复效果。传统制造方法难以满足这种个性化需求，而 3D打印技术却能够根据医学图像数据，定制医疗器械，如义肢、矫形器、假体等。3D 打印技术能够精确重现患者的解剖结构，提供合适的器械尺寸和形状，增加患者的舒适度和适应性。通过个性化定制，医疗器械能够更好地融入患者的生活，提高疗效和治疗效果。3D 打印技术能够快速制造器械，加快患者得到治疗的时间，减少等待时间。虽然个性化医疗器械定制在医疗领域具有广阔前景，但也面临一些挑战，如材料安全性、精度要求等。随着技术的进一步发展和材料的改进，3D 打印技术将在个性化医疗器械定制中扮演越来越重要的角色，为患者提供更优质的医疗服务。（3）定制化维护零部件制造。随着设备和机器的长期使用，其零部件可能因磨损或老化而需要更换。通过 3D 打印技术，企业可以根据具体需求，定制制造所需的维护零部件，而无须依赖原始生产厂商。这能够节省时间和资源，快速解决维护需求，保障生产的持续性。另外，对于一些老旧设备或生产线，原始零部件可能已经停产或难以获取。在这种情况下，3D 打印技术提供了一种可行的解决方案。企业可以通过 3D打印技术重新制造已经停产的零部件，延长设备的使用寿命，降低维护成本，并且无须改变整体生产流程。5 结束语综上所述，3D 打印技术作为一项革命性的创新，为工业设计制造带来了巨大的影响。通过加速产品开发周期、促进创意发散、实现复杂结构和个性化需求，3D 打印技术为工业设计制造带来了新的可能性。然而，仍需解决材料选择、制造精度和成本等局限性，以及应对知识产权和安全问题。尽管面临挑战，3D 打印技术在产品设计和制造方面的应用显示出难以替代的优越性，为工业设计制造的发展提供了技术驱动力。参考文献1 刘宸希,康红军,吴金珠,等.3D打印技术及其在医疗领域的应用J.材料工程,2021,49(6):66-76.2 王世崇,朱雨薇,吴瑶,等.光固化3D打印技术及光敏树脂的开发与应用J.功能高分子学报,2022,35(1):19-35.3 王春香,尹金林,潘杙成,等.3D打印技术在复杂曲面塑料产品设计与制造中的应用J.工程塑料应用,2021,49(12):72-76,80.4 宋杰,陈起明,陈力,等.基于参数化与增材制造技术的家具设计研究J.林产工业,2022,59(6):52-56.5 李渤渤,田永武,温方明,等.3D打印技术在钛合金构件生产中的应用J.特种铸造及有色合金,2021,41(9):1144-1147.6 赵圆圆,罗海超,梁紫鑫,等.光聚合微纳3D打印技术的发展现状与趋势J.中国激光,2022,49(10):330-359.7 刘宇飞.新型挤出式金属3D打印技术研究D.北京:北京工业大学,2021.8 汪孟前.面向3D打印技术的转向节优化设计研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2021.9 鲁中良,李坚,李赛,等.基于3D打印技术的石墨烯基三维电极设计制造研究进展J.机械工程学报,2021,57(23):169-181.10 张世成.混凝土模块机器人3D打印技术研究D.北京:北京石油化工学院,2022.11 朱元杰.多自由度切片无支撑微光刻3D打印技术研究D.广州:华南理工大学,2022.12 裴梦凡.3D打印技术在锂金属电池负极方面的应用探索D.天津:天津工业大学,2022.13 高汝华.3D打印技术在机械制造中的应用J.造纸装备及材料,2021,50(3):97-99.