3D打印特点分析

      作为一种全新的制造方式，3D打印的确正在给传统的制造工业带来深远的影响，3D打印被业界誉为“第三次工业革命”的引领技术。

      相对于传统的机械加工，3D打印具有以下突出特点：1）原材料利用率提高，生产废料减少；2）产品形状结构的设计自由度大幅提高，并且形状复杂度的提高几乎不会带来额外制造成本；3）制造流程简化，制造的数字化程度和设备的通用性水平进一步上升。

      基于这一技术的特点和延伸性优势。3D打印已经逐渐被航天航空、汽车、工业模具制造、医学等众多领域所接受；此外，3D打印设备在个人消费市场的增长也日渐强劲。近三年来，全球3D打印行业的市场规模保持在25%-30%的平均增速，并有不断加速的趋势。

      一、3D打印提高原料利用率，减少生产废料

      3D打印制造方式对材料利用率的提高来源于产品设计和制造工艺两个方面的技术优势。

      由于3D打印给予产品形状结构充分的设计自由度，设计者可以使用传统加工工艺无法实现的几何结构（如晶格、支架、蜂巢等几何结构）来减少原材料的使用。

      就制造工艺而言，由于3D打印采用“增材制造”的技术路径，因此在理论上这种生产方式几乎不会产生任何废料。但由于制造工艺的精度误差，和部分产品加工过程所需要的支撑结构，仍然会有原料损耗。而相比机械加工，这种原料损耗已经显得微乎其微。在传统机加工工艺条件下，产品结构的复杂程度越高，通常意味着需要从最初材料原型中剔除的部分也会越多，原料的利用率就越低。

      二、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。根据美国材料与试验协会（ASTM）的定义：3D打印是借助三维数字模型设计，使用激光烧结、材料喷射等各种立体打印技术，来实现原料层层沉积叠加，并最终形成成型物体的一种制造方式。在概念上，它同义于工业专业术语中的“增材制造”（AdditiveManufacturing）。之所以称之为“增材制造”，是因为它区别于传统的机械加工方式：通过多种工具加工手段（切割、钻孔、蚀刻等）剔除原材料中多余的部分，得到需要的成型件，这种制造方式像是在数学中的“减法”运算。而“增材制造”逆其道行之；通过特定方式的材料添加来制造产品，更像是在做“加法”

      复杂结构的可实现性，以及复杂度与制造成本之间的独立性成为提高制造自由度的基础。制造过程中，打印头和激光烧结处理的材料一般都是半液态或粉末状的物体。制造流程相当于材料在三维空间上进行排列组合。这种成型原理，使得产品形状结构的实现几乎不受加工工艺的限制。同时，对于传统的机械加工而言，产品结构复杂度的提升，意味着制造工序的增加，和成本的上升。而3D打印制造的直接成本主要来源于原材料和设备折旧；这两部分成本的大小几乎不受产品结构的复杂程度的影响。

      三、3D打印简化作业流程，提高制造的数字化程度

      3D打印的作业流程一般可分为前处理（pre-processing）、成型加工（processing）和后处理（post-processing）三个阶段。

      在前处理阶段，使用计算机进行三维立体模型的设计（CADmodeling），并将3D模型转化为打印设备可以识别的STL、OBJ、VRML、DXF、PLY等文件格式。一般3D打印设备使用的计算机软件系统都具有逆向工程运算功能，软件以产品设计的相应参数，自动生成制造程序。在成型加工阶段，打印设备根据预先设定好的程序进行层级制造，得到坯件。在后处理阶段，根据产品需要，进行抛光、浸渗等工艺处理后，得到最终产品。

      这种作业流程相对传统的机加工，具有流程简化、数字化程度和设备通用水平提升三大优势：

      1）3D对作业流程的简化主要体现在成型加工阶段。机械加工同样可以借助CAD模型来实现产品原型的设计，但之后还需要工程人员来进行制造流程的设计，包括工具选择和工序安排。然后按照既定工序来完成产品制造。每个工序阶段，使用的操作工具和设备类型一般都不相同，主要根据设计人员的经验而定。3D打印相当于将机加工的工具作业流程转换为一台设备的内部操作，从而简化了制造流程。

      2）3D打印的成型原理相对简化，易于转化为计算机可以识别的程序语言。制造程序的生成相当于以最终产品所要达到性能参数作为约束条件，通过逆向工程原理计算得到最优化（一般指制造时间最短）的加工方案。这一步骤可以完全通过特定的软件来实现，代替了加工流程设计中的人工成分，减少了制造过程中人工参与，从而提高了制造的数字化程度。

      3）传统的机械加工的作业流程一旦完成，一般只能加工一种或几种产品。有些工序环节的工具装备仅仅是针对一种产品的加工需要而设计。如果需要生产新的产品，往往需要更换工具设备，对工序流程也需要重新设计。整个流水线的产品专属性较强。3D打印基于其特殊的成型原理，只要通过更改产品的制造程序，同一台设备即可以生产不同形状结构的产品。从而提高设备的