面向3D打印的设计优化策略

1.3D打印技术概述^[79]

3D打印（3D Printing），又称增量制造（Additive Manufacturing，AM）、增材制造，快速原型制造（Rapid Prototyping）和实体自由制造（Solid Freeforming Fabrication），是采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术。相对于传统的材料去除方法——切削加工技术，该方法是一种“自下而上”（Bottom-up）的制造方法。该技术不需要传统的刀具、夹具和多道加工工序，只在一台设备上就可以快速而精密地直接制造出任意复杂形状的零件，从而实现“自由制造”，解决了许多过去难以制造的复杂结构零件的成形问题，并且大大减少了加工工序，缩短了加工周期。而且越是复杂结构的产品，其优越性越显著。

3D打印原理与不同的材料和工艺结合形成了许多不同种类的3D打印设备，目前已经达到20多种。

离散-堆积是3D打印的基本原理。在3D打印过程中，首先需要将产品在计算机中离散为成千上万个微单元，然后设备再在计算机控制下将微单元堆积起来，最终完成实物产品。目前最常见的离散方式是分层，即将三维的产品分成很多个薄层，然后再逐层制造直到完成产品。分层越细，制造精度越高。3D打印“从无到有”的制造方式使材料得到最大程度的利用。

离散-堆积原理使得复杂三维结构的制造变得更加简化和精确，也使制造方法不再与结构的几何特征密切联系，人们制作产品不再受到加工手段的限制。

上述这些特征使得3D打印有着更加广阔的应用前景，并将深刻改变未来人类的生产生活。

由于目前3D打印受制于材料，因此能够制造的零件和产品有限，并且制造成本大多比较高，这意味着其生命周期的资源消耗还比较高。随着材料技术和3D打印技术的发展，3D打印适用的范围将越来越宽。

2.面向3D打印的设计

目前的产品设计方法还是面向传统的减量制造方法，而3D打印技术的出现，对产品设计方法提出了新的要求。3D打印技术对产品设计的主要影响如下。^[80]

（1）支持产品创新

3D打印技术受到的限制少，制造快速，可以激发用户的创新能力。同时，3D打印支持协同创新，尤其是用户参与创新，提高创新效率。

（2）支持大批量定制

3D打印最适用于单件定制产品的制造。因为不需要制造模具和工装等，其在制造速度方面已经具有明显优势，但是目前在成本方面还没有优势。

（3）节约资源[81](www.xing528.com)

美国的一些环保人士对3D打印技术和传统制造行业的碳足迹进行了深入的分析和对比，研究表明：

1）制造过程能耗。与传统制造工艺相比，制造相同重量的汽车零部件，目前的3D打印技术耗电量是传统机械加工耗电量的10倍以上。

2）产品使用过程的能耗。例如，一些产品内部管道的转弯处，用传统加工方法无法得到光滑的圆弧，3D打印技术则可以解决这一问题，从而提高了流体通过管道转弯处的效率，节约了能源。又如，3D打印技术可以制造出结构紧凑、整体性好的零部件，实现产品的轻量化，减少产品在运动中的能耗。

3）运输过程的能耗。3D打印制造可以使生产本地化，就近取材并生产，减少在运输过程中化石燃料能源的污染和浪费。

4）减少零部件数量。3D打印技术可以大幅度减少零部件数量，降低了零部件在制造中运输、管理等的能耗。

5）节约材料。激光型3D打印机相比于注塑机节约65%的原材料。使用金属材料进行3D打印比传统金属加工工艺更加有优势，几乎所有过程剩余的金属粉末都可以回收再利用。例如，使用传统工艺制造一个1kg的汽车零件有可能消耗15kg以上的金属原材料，这是3D打印技术耗材的数十倍。

6）材料的局限性较大。目前3D打印还主要限于塑料，由于塑料不容易分解，这对环境保护不利。因此，研发可替代塑料材质的新型可降解环保材料成为3D打印技术可持续发展的一个重要任务。生产3D打印所需原材料的最关键的技术环节是如何将原始材料打磨成符合产品精度和质地要求的颗粒状物质，同时，配合与之相适应的黏合剂，两者共同作用下通过物理激光或化学等工艺方法生产所需材质的产品。未来3D打印技术可以通过两条途径增强自身的环保竞争优势：①通过研制新型可再生材料替代非环保材料——“石油基”塑料。目前较成功的新材料是一种名为“植物基”的绿色环保打印塑料，其中大豆塑料或生物降解塑料（PLA）都是不错的选择，这些新材料不但具有传统“石油基”塑料的优质特性，而且由于它们自身均属于水溶性的材质，使其具有可以反复用水擦洗的特殊性能；②研发可以将现有塑料拆解重组为全新的可再生的绿色环保塑料。目前科学家研制出一种可用于3D打印的可再生塑料纤维，它的原材料便来源于人们日常生活中的废旧家用塑料制品。

总之，目前的3D打印技术虽然能够节约材料，但是还不能够节约能源，因此在节约能源这方面需要继续深入研究和完善。

3.3D打印的案例：

案例1：3D打印汽车。2013年，世界首辆“3D打印汽车”原型机Ur_- bee问世。新版本的Urbee2只需要50个3D打印的零部件即可，而传统标准汽车则是由上千个零部件组装而成。虽然它的单航发动机制动功率只有8马力，但是由于其采用了熔融沉积的技术，使汽车结构轻盈并且坚固，体积小巧并且稳定，因此最高巡航速度可达112km/h。另一个最大的优点是节能环保性。Urbee的制造宗旨是用最少的能耗完成最长的行车距离，同时尽可能减少制造过程中对原材料的浪费。Urbee2利用3D打印技术实现的资源节约主要体现在：①前保险杠设计：为了增加其安全性能，需要在其内部填充支撑结构，3D打印材料多样性的特质使设计师可以选择一种坚硬但是却很脆的材料和一种不是很坚硬但是却很有弹性的材料进行融合、交织，生成一种类似人体骨骼的全新材料，既十分坚硬又有良好的韧性。②部分内部支撑材料为可回收性环保塑料，在节能环保方面有了新的尝试和探索。

——赵婧.3D打印技术在汽车设计中的应用研究与前景展望[D].太原理工大学，2014.

案例2：3D打印赛车。这辆赛车是由比利时的16名工程师在2012年制造出来的世界第一辆全尺寸3D打印赛车，并且已经在德国的霍根海姆赛道成功完成测试。从车体外壳设计到打印出整个车身部分，只花费了短短3周时间。该赛车仅需短短4秒钟就可以将时速从零提升至96公里，并且最高时速可以达到141公里。资源节约主要体现在：①打印出车身左右两个侧箱内部结构复杂的冷却通道系统，并在汽车左侧打印出一个位于散热片和扩散器之后的喷嘴，使气流穿过散热片，从而使赛车的冷却效果和空气流动性达到最佳状态，同时也有效地阻止了灰尘和水进入发动机内部。②改良了电动驱动设备，有效减少了碳排放量。③在打印过程中运用了生物合成的环保材料等。

——赵婧.3D打印技术在汽车设计中的应用研究与前景展望[D].太原理工大学，2014.