4月15號，承蒙深圳光韻達光電科技有限公司的朋友邀請，得以到目前國內工業級3D打印領航者光韻達參觀學習。
3D打印技術近兩年來發展很快，不管是在汽車、家電、模具制造、文藝、醫療、手機、無人機、航空航天等越來越備受關注，工藝成熟度越來越高。
下面我們先來看一張圖，光韻達的朋友介紹，這是用3D打印技術一體化成型的麒麟。
圖 1 3D打印技術一體化成型的麒麟
在《西游記》中，有這么一段關于麒麟的介紹：“如來說，當初，混沌初開，萬物始生，世間開始有飛禽和走獸，走獸以麒麟為首，飛禽以鳳凰為首”，可見麒麟在歷史神話中的地位之高。但這并不是神話中的麒麟，而是用SLS技術，采用工程塑料PA粉，利用激光有選擇地分層燒結固體粉末，并使燒結成型的固化層層層疊加生成所需形狀的零件。
其技術采用鋪粉棍將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，并加熱至恰好低于該粉末燒結點的某一溫度，控制系統控制激光束按照該層的截面輪廓在粉末上掃描，使粉末的溫度升至熔化點，進行燒結，并與下面已成型的部分實現粘結。當一層截面燒結完成后，工作臺下降一個層的厚度，鋪料輥又在上面鋪上一層均勻密實的粉末，進行新一層截面的燒結，周而復始，直至完成整個制作過程。通俗來講，就把這個麒麟，劃分成無數個二維平面，只有長寬，通過疊加一點一點成型三維立體。
圖 2 3D打印技術一體化成型的麒麟
為什么選擇尼龍粉末呢？尼龍材料特性強度高、柔韌性強，可以使得麒麟整體部件并不脆弱，并且在細節上，尼龍純白的色澤、極高的柔韌性更是能完美模擬出麒麟柔軟的鬃毛，遠遠看去，麒麟的一根根鬃毛似乎在隨著麒麟的嘶吼顫動飄揚，整個形象瞬間就鮮活起來了。
此外，在打印精度上，該制件的打印精度在±0.1mm，整套麒麟模型全身上下820個大部件、4000多個細小的部件均實現一體化打印，最后無偏差組裝完成此次麒麟模型。其整個工藝過程包括CAD模型的建立及數據處理、鋪粉、燒結以及后處理等。
一什么是3D打印技術呢？
據光韻達的朋友介紹：所謂的3D打印技術，是指由數字模型（CAD）直接驅動，運用金屬、塑料、陶瓷、樹脂、蠟、紙、砂等可粘合材料，在快速成型設備里通過逐層疊加的方式來構造物理實體的技術。目前，主要有SLS、SLM、SLA和Polyjet技術。
1.SLS技術
即選擇性激光燒結，采用激光有選擇地分層燒結非金屬固體粉末，使燒結成型的固化層層層疊加生產所需形狀的零件。
2.SLM技術
同樣采用激光燒結技術，適用于金屬材料，利用激光對金屬粉末進行高溫熔融，層層疊加，最終形成三維零件。
3.SLA技術
即立體光固化成型，基于液態光敏樹脂的光聚合原理工作。這種液態材料在一定波長和強度的紫外光的照射下迅速發生光聚合反應，材料也就從液態轉變成固態。
4.Polyjet技術
以超薄層的狀態將感光聚合材料一層一層地噴射到構建托盤上，每層感光聚合材料被噴射后用紫外光進行凝固，直至完成模型，最后采用非接觸樹脂處理與噴水清除支持材料。
二3D打印的原材料
3D打印的耗材可選擇金屬、非金屬材料、SLA-光敏樹脂、Polyyet-光敏樹脂等。
1.金屬材料
CL 20ES（不銹鋼1.4404 | CL50WS（熱作鋼1.2709） | CL91RW（不銹鋼熱作鋼） | CL100NB（鎳基高溫合金） |
CL100CoCr（鈷鉻合金） | CL40Ti（鈦合金） | CoCr（鈷鉻合金） | AIsi12（鋁合金） |
AlSi10Mg | CL42TI（純鈦） |
2.非金屬材料
PA2200(純尼龍粉末） | PA3200GF（尼龍玻纖粉末材料） | Alumide（尼龍混合鋁粉） |
PA2210FR（防火精細尼龍粉末） | Carbonmide（碳纖維尼龍材料） | Pa22029(黑色純尼龍粉末） |
3.SLA-光敏樹脂
SOMOS NEXT /白色光敏樹脂 | Somos nano tool /填充陶瓷顆粒光敏樹脂 |
Somos GP plus /類ABS/PBT光敏樹脂 | Watershed XC 11122 /透明光敏樹脂 |
4.Polyyet-光敏樹脂
透明材料 | 剛性不透明材料 | 類聚丙烯材料 | 類橡膠材料 | 耐高溫材料 |
三3D打印的技術特點
隨著技術的發展，3D打印的技術特點愈發明顯。特別是在精密制造，一體成型、快速制樣以及小批量生產上，優勢特別明顯。
1.精密制造，一體成型
模具作為現代制造技術的一種重要手段，廣泛應用于汽車、電子、家電等批量生產化生產領域。但高端精密模具（尤其是注塑模具和壓鑄模具）其復雜的工藝要求，給傳統工藝技術帶來了難題。采用3D打印技術則可以比較輕松解決這個問題。如筆者手中采用鋁合金3D打印成型制件，傳統工藝對于制件內部的結構，比較難以處理，但通過3D打印，一體成型，可以非常簡單的解決這個結構問題。
圖3 3打印鋁合金制造，一體成型
2.快速制樣
據了解到，在新產品研發階段，3D打印技術可以在一兩天甚至幾個小時即可完成一套或者幾套快速原型樣件。此外，塑料制件的精度可達到±0.1um；產品原型無需機加工，翻模或開模具，可根據產品設計圖直接打印原型樣件，并可隨時對數據進行修改，極大地避免了浪費，從而降低成本。
圖4 一體成型，之間的連接結構都是一體成型
3.小批量生產
小批量生產是指生產單件產品基本上是小批量需求的專用產品的生產。針對千件，白件甚至更少的制造需求，傳統的制造手段，如CNC、注塑、鑄造等難以克服成本高、效率低、產品質量不易保證等缺陷。相反，工業級3D打印卻能有效解決小批量生產的成本、效率和品質等問題，并且可根據需求，柔性化生產，個性化生產，同時多款產品，不同批量。
圖5 3D打印陶瓷餐具
四應用領域及實際案例
1.模具領域
模具加工工藝包括：裁模、沖坯模、復合模、擠壓模、四滑軌模、級進模、沖壓模、模切模具等，長期以來一直被廣泛應用于傳統的制造業中。然而，隨著產品質量要求的不斷提高，傳統制造工藝越來越難以滿足高端精密模具（尤其是注塑模具和壓鑄模具）復雜的工藝要求。采用工業3D打印技術能不受產品內部結構及復雜形狀的約束，在模具內部進行復雜的隨形冷卻水路設計與加工，輕松實現高端模具的生產制造，給最終產品的量產帶來極大的好處。
圖6 扇葉輪模具3D打印金屬
如圖5，這款扇葉輪模具，是采用模具鋼MS1.2709打印，便于拋光處理，能確保注塑產品表面光潔。傳統工藝制造的模具，只能采用環形水路圍繞澆位，與每個葉片均存在距離，無法做到較好的冷卻，故葉片成型時出現翹曲的幾率比較大。
采用3D打印技術可以確保模具葉片澆面均有冷卻水道，有效地提升了冷卻效果，大大降低了模具因受熱不均，導致產品翹曲變形的問題，并且提高了注塑的效率。
2.汽車領域
如圖8,這款汽車進氣歧管，選用PA+GF材料，使用SLS技術打印，可以保證較好的強度、韌性及尺寸精度，還可實現性能測試功能；使用的是德國進口EOS P396設備打印，據光韻達的朋友介紹，這款產品還可以根據打印實際尺寸而定，24小時就可以加工完成。此外，不久前，該公司為奇瑞運用3D打印技術，打印了一臺概念車，汽車大部分零部件，都是采用3D打印一體成型。
圖7 發動機進氣歧管
圖8 汽車空調系統外殼
圖9 3D打印賽車總重量由原先的440kg減少至306kg（與同濟大學合作）
3.文化創意領域
不久之前，深圳一家3D打印咖啡館開業，里面的椅子、杯子、餐具、燈具等等，都是采用3D打印技術，制作的文化創意藝術品，而這些產品，就來自光韻達公司。據該公司的朋友介紹，3D打印技術在文創領域，應用性非常高。這源于3D打印技術，可以提供極大的個性化、差異化、可以根據設計師的理念，讓設計成為現實，從而創造出有藝術價值性的產品。
圖10 文創藝術品（由極致盛放設計）
圖11 文創藝術品（由極致盛放設計）
圖12 文創藝術品（由極致盛放設計）
圖13 3D打印的餐具（由極致盛放設計）
4.醫療領域
工業3D打印在醫療領域，與醫院建立戰略合作關系，可以為之提供包括手術規劃和訓練模型、精準手術導板、金屬植入物、贗復耳鼻、燒傷面具和康復支具等多項3D打印醫療技術，并能為設計加工、計算和測試等研發項目為傳統醫療器械廠商提供更多的創新理念。
圖14 3D打印助力全國首例“母子拼肝”手術
這是用精確的3D打印技術規劃肝臟切割部位，可以在盡量減少對母親肝部損傷的情況下，在3D打印指導下的全國首例“母子拼肝”手術。
圖15 鈦合金下頜骨植入體
這是中國首例3D打印個性化人工顳下頜關節假體，成功應用于一位關節強直多次復發、30余年張不開嘴的44歲女性患者，幫助該患者恢復正常張口度和口腔功能，實現開口夢。
圖16 3D打印技術完成了肺部導管制作
5.建筑領域
如圖16，為室內建筑模型，選用材質輕、強度高的尼龍高分子工程塑料進行打印，使用EOS P396塑料打印燒結設備打印；該模型一次性成型整個樣板房，無需裝配環節；生產周期8小時。相對于傳統工藝，產品需要拆件，再通過CNC加工完成組件加工；各個組件需要通過高溫膠水粘結起來形成樣板房結構整體，工序較多，耗時較長。這就體現了3D打印的快速成型性。
圖17 室內建筑模型
圖18 埃菲爾鐵塔模型
6.其他領域
其他領域，包括無人機、家電、電動工具、航空航空等，工業級3D技術都逐漸都向成熟化。
圖 19 電機風輪
圖 20 水處理閥門
圖21 無人機外殼結構件
圖 22 家電外殼一體化
圖 23 航空零部件（鈦合金為原料）
圖 24 飛機內部支架結構
圖25 金屬輕量化結構
圖 26 金屬輕量化結構
圖27 金屬結構件鋼鐵俠
通過本次拜訪，讓筆者對于3D打印技術及其應用領域，又有了更進一步的理解。之前一些朋友就提及過，如果降低金屬結構件的重量，筆者認為，3D打印技術在一定程度上是可以做到金屬輕量化。
隨著日趨成熟的3D打印技術，以后在模具制造行業、汽車、家電、電子電氣等行業產品開發研發階段，利用該技術可大大提高研發效率，也可提高注塑效率。筆者認為，隨著行業越來越精細化的需求，產品越來越個性化，隨著產業鏈結構升級，3D打印行業在未來發展前景非常值得期待！
光韻達簡介
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