3D打印技術(shù)能立即運(yùn)用到汽車行業(yè)中替代傳統(tǒng)工藝嗎？

在疫情施虐期間，時(shí)間是保障生命的最寶貴源泉，醫(yī)療器械是保證安全的最有效措施。怎么能在最短時(shí)間內(nèi)提供最大數(shù)量的醫(yī)療器械成了舉國(guó)上下最嚴(yán)峻的課題，我們看到各行各業(yè)都采用了最先進(jìn)的技術(shù)來(lái)保障醫(yī)療器械的生產(chǎn)。其中3D打印就是最近受到大家熱捧的一個(gè)話題，央視網(wǎng)，央視財(cái)經(jīng)頻道都在最近都給予了大量的報(bào)道。包括國(guó)外這兩天也有福特和大眾這些大公司也在使用3D技術(shù)緊急生產(chǎn)防護(hù)面罩，計(jì)劃通過(guò)這一次嘗試，未來(lái)推廣到其他汽車零部件生產(chǎn)中去。很多人驚呼“狼來(lái)了”，感覺(jué)到了危機(jī)感，因?yàn)檫@些產(chǎn)品之前都是通過(guò)常規(guī)的注塑工藝來(lái)完成的。如果3D打印技術(shù)風(fēng)靡盛行，是不是所有的傳統(tǒng)注塑行業(yè)的人都要失業(yè)？是不是意味著所有的汽車零部件都可以用3D打印來(lái)生產(chǎn)？

其實(shí)3D打印技術(shù)早在20世紀(jì)90年代中期就已經(jīng)問(wèn)世，早在1986年人類就已經(jīng)開發(fā)出了世界上第一臺(tái)3D打印機(jī)，第一個(gè)獲得3D打印技術(shù)專利的是麻省理工學(xué)院。按照大家理解的3D打印知識(shí)來(lái)講，這項(xiàng)技術(shù)不需要昂貴的機(jī)械設(shè)備和模具，能直接通過(guò)三維數(shù)據(jù)變現(xiàn)成實(shí)物，節(jié)省了模具開發(fā)和驗(yàn)證時(shí)間，它所能加工的產(chǎn)品，可以覆蓋我們所有的工業(yè)制品。按照理論上來(lái)講，早就應(yīng)該風(fēng)靡全球，替代掉所有的傳統(tǒng)加工工藝了。但事實(shí)上，最近20年我們偶爾能在媒體上聽(tīng)見(jiàn)通過(guò)3D打印技術(shù)打印出了某一個(gè)飛機(jī)、某一個(gè)汽車、某一個(gè)手槍、某一個(gè)人造肝臟外，并沒(méi)有看見(jiàn)波音和空客把這個(gè)技術(shù)拿來(lái)量產(chǎn)飛機(jī)，也沒(méi)有看見(jiàn)熱衷高科技的特斯拉用來(lái)打印電池和火箭，這中間究竟還有什么難度沒(méi)有攻克嗎？

假如現(xiàn)在OEM要求我們開發(fā)一個(gè)塑料材質(zhì)的保險(xiǎn)杠，我們有哪幾種途徑可以實(shí)現(xiàn)呢：

第一種常見(jiàn)辦法，當(dāng)然是機(jī)械加工。先買來(lái)一整塊比保險(xiǎn)杠體積還要大的塑料原材料，通過(guò)編程，將不需要的區(qū)域通過(guò)設(shè)備銑削、鉆孔等方法去除掉，頗有點(diǎn)設(shè)計(jì)階段做快速成型件的意思。這種方法的弊端也很明顯，大量的材料被白白浪費(fèi)，一些結(jié)構(gòu)還不能一次直接成型，比如讓直接在保險(xiǎn)杠背面加工一個(gè)直徑3mm高6mm的BOSS柱，還需要單獨(dú)找一臺(tái)設(shè)備加工好，用膠水黏上去，使用時(shí)保證不了強(qiáng)度。整個(gè)過(guò)程大概一周時(shí)間就可以完成，但是一次還只能做一個(gè)，產(chǎn)能和效率已經(jīng)被固定了。

第二種方法，先根據(jù)我們的三維數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)加工出對(duì)應(yīng)的模具，再借用注塑設(shè)備，將塑料熔融后注射進(jìn)模腔，冷卻定型后修整完即可。但在這個(gè)過(guò)程中，像保險(xiǎn)杠這樣大一個(gè)模具，從設(shè)計(jì)到最后認(rèn)可，一個(gè)專業(yè)的團(tuán)隊(duì)至少需要3個(gè)月時(shí)間，還不能保證尺寸100%合格，模具開發(fā)成本高達(dá)上百萬(wàn)。這種方法適合大批量加工，只要前期驗(yàn)證合格了，后期量產(chǎn)后，每天至少可以產(chǎn)幾百件。

也許你覺(jué)得前面兩種方法都太麻煩了，腦洞大開的你，突發(fā)奇想，可不可以將這個(gè)產(chǎn)品的原材料制作成像積木或樂(lè)高玩具一樣的造型，再根據(jù)圖紙，我們把每一個(gè)小的造型根據(jù)保險(xiǎn)杠的長(zhǎng)寬高尺寸堆積固定在一起呢。當(dāng)然可以，但是這種產(chǎn)品堆積出來(lái)后外表粗糙，每塊材料之間肯定會(huì)存在縫隙，既不牢靠，也不能直接投入使用。那我們能不能用更先進(jìn)的設(shè)備來(lái)幫我們完成這個(gè)手工活呢，先將保險(xiǎn)杠根據(jù)3維數(shù)據(jù)均分成X份，再利用計(jì)算機(jī)編程，將材料通過(guò)設(shè)備一點(diǎn)一點(diǎn)、一層一層地按照數(shù)據(jù)輪廓堆積起來(lái)，堆積后完全看不見(jiàn)間隙，想要的保險(xiǎn)杠就制造出來(lái)了。那這個(gè)設(shè)備是不是有點(diǎn)類似我們辦公用的打印機(jī)，將碳粉或油墨一層一層的堆積在紙上，最后顯現(xiàn)出圖像，完全看不出圖層與圖層之間的瑕疵。因此3D打印機(jī)就在這樣的創(chuàng)意中實(shí)現(xiàn)了，只不過(guò)與傳統(tǒng)辦公用打印機(jī)相比，他們是在二維空間工作，3D打印機(jī)是需要在三維空間來(lái)工作。由于3D打印是用逐步逐層疊加的方法來(lái)加工，所以他真正的名字叫增材制造技術(shù)（additive manfacturing ,AM）,3D打印只是他的別稱。

有了3D打印機(jī)是不是就一定能很容易打印出產(chǎn)品呢，關(guān)鍵還在于材料。從上面的描述，我們可以看出，打印一個(gè)保險(xiǎn)杠，他不能直接使用傳統(tǒng)的PP料去打印，因?yàn)閷优c層直接沒(méi)有辦法粘合在一起呀。所以凡是能被3D打印的材料，必須像辦公室打印機(jī)使用的墨水一樣具備以下特點(diǎn)：

A.能非常方便地被3D打印機(jī)輸送到指定區(qū)域；

B.到了指定區(qū)域，必須能夠保持他原有的形狀；

C.層與層直接必須能牢靠地連接在一起；

制作保險(xiǎn)杠的原有PP料顆粒他是不能牢靠地連接在一起，就算像注塑一樣去加熱到熔融狀態(tài)，他也沒(méi)有辦法一直維持他原有的形狀。他必須轉(zhuǎn)換成液體的形式儲(chǔ)存和傳輸，然后能在很短的時(shí)間內(nèi)固化。這個(gè)轉(zhuǎn)化考慮到實(shí)用性，又不能有太高的成本，太高的環(huán)境條件。

于是科學(xué)家們根據(jù)這一特點(diǎn)開發(fā)出了感光性樹脂這種材料。在打印時(shí)，先準(zhǔn)備一個(gè)器具儲(chǔ)存滿感光性樹脂，在器具中央設(shè)置一個(gè)升降平臺(tái)，平臺(tái)淹沒(méi)在液體下面，與空氣和液面的交界位置保留一個(gè)距離，這個(gè)距離就是你將要打印的這個(gè)產(chǎn)品的每一層的厚度，一般以微米作為單位。在平臺(tái)的上方設(shè)置一束紫外線從液面上方照射下來(lái)，由于平臺(tái)的阻擋，光線只能穿過(guò)平臺(tái)與液面留有距離的這一片液體，接受過(guò)照射的感光性樹脂發(fā)生反應(yīng)后硬化變成固體，就相當(dāng)于打印了一層材料。再通過(guò)將要打印產(chǎn)品的形狀控制紫外線照射的區(qū)域，就能打印出這一層的平面輪廓。最后通過(guò)平臺(tái)的不斷移動(dòng)，打印出每一層的材料堆積出立體輪廓。這就是最早的自上而下的立體3D打?。⊿tereolithography）。

但是這種模式只能打印很小的普通部件，如果要打印一個(gè)很大的部件，就需要擴(kuò)大容器的體積，如果要大到飛機(jī)、汽車這樣的部件，從上而下的打印方法可能就不太可取?？茖W(xué)家們又想出了另外一種方法，將之前的容器底部換成透明材料，讓紫外線從下而上照射，平臺(tái)從上方懸掛在容器內(nèi)，加工開始后，通過(guò)平臺(tái)的懸掛裝置不斷地從下往上移動(dòng)來(lái)打印每一層。這種方法完全與前面的方法相反，但是實(shí)際加工完第一層后，平臺(tái)與凝固的部分發(fā)生了粘結(jié)，會(huì)阻止平臺(tái)繼續(xù)上升，使用起來(lái)非常麻煩。

當(dāng)然這也難不倒科學(xué)家，他們發(fā)現(xiàn)感光性樹脂一旦遇到氧氣就會(huì)迅速固化，因此感光性樹脂里面不能含有氧氣，一旦溶解有一丁點(diǎn)氧氣，就會(huì)導(dǎo)致固化過(guò)程終止。按常理來(lái)說(shuō)氧氣就是3D打印的天敵，科學(xué)家們正是利用這一點(diǎn)，讓氧分子充斥在加工層與平臺(tái)之間，就會(huì)阻止平臺(tái)與打印層的粘結(jié)，順利地讓平臺(tái)可以自由的上下移動(dòng)。

從上面的描述，不難看出，阻礙3D打印能不能順利實(shí)現(xiàn)的，一是零件的體積大小，二是能不能找到對(duì)應(yīng)的材料。因?yàn)樵谑袌?chǎng)上，每種產(chǎn)品使用的原材料性能都不一樣，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的感光性樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)也不一樣，需要專門的合成過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以目前市場(chǎng)上的價(jià)格不菲，這常常讓需要對(duì)3D打印感興趣的客戶望而卻步，如果找不到對(duì)應(yīng)的材料，3D打印的價(jià)格就不是大家傳說(shuō)中的那么便宜，反而成為了推廣的累贅。

當(dāng)然，目前科學(xué)家也發(fā)明了其他的3D打印技術(shù)，比如根據(jù)擠出成型原理而發(fā)明的熔融沉積成型（Fused Deposition Moldeling ,FDM）,也是我們新聞中提到的這家公司正在應(yīng)用的技術(shù)。這種技術(shù)的原理是將要使用的原材料先加工成非常細(xì)的絲，絲的一端與馬達(dá)相連，另一端通過(guò)加熱后與噴嘴相連，轉(zhuǎn)動(dòng)的馬達(dá)不斷將絲推向噴嘴，噴嘴在程序下控制移動(dòng)，就堆積在指定位置，凝固后就相當(dāng)于打印出了這一層。再通過(guò)工作臺(tái)的上下移動(dòng)，就可以堆積出每一層，最終實(shí)現(xiàn)我們的成品。這種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以讓傳統(tǒng)的熱塑性材料都能通過(guò)3D打印來(lái)實(shí)現(xiàn)，豐富了原材料的選擇，不再需要昂貴的感光性樹脂。最難能可貴的是，他還可以像雙射注塑一樣，實(shí)現(xiàn)兩種材料的同時(shí)打印。除此之外，F(xiàn)DM還可以打印金屬和陶瓷等高溫很難融化的材料。

既然FDM這么便宜，又這么方便，是不是也可以大力推廣了呢？事實(shí)并非如此，因?yàn)镕DM相鄰的層與層之間融合度并不好，在一定的條件下，你甚至可以看見(jiàn)層與層之間的結(jié)合界限，因此成品的尺寸和外觀精度并不高。所以很多時(shí)候，想用這種技術(shù)去替代立體3D打印一些外觀和尺寸要求非常高的零件，還不是很現(xiàn)實(shí)。另外，如果待加工的物體有一些凸出或者懸空部位比較長(zhǎng)，在打印時(shí)要真正實(shí)現(xiàn)非常困難，因?yàn)椴牧线€沒(méi)有完全固化時(shí)就因?yàn)闊o(wú)法承受自身重力而塌陷。所以我們?cè)谛侣勚校皇强吹搅藦S商利用這種技術(shù)生產(chǎn)護(hù)目鏡或防護(hù)面罩這種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、體積又比較小的零件。

我們不否認(rèn)3D打印這種技術(shù)已經(jīng)投入使用，未來(lái)還會(huì)大規(guī)模創(chuàng)新和發(fā)展。但是在當(dāng)前，要大規(guī)模應(yīng)用在汽車上，如果去生產(chǎn)外觀要求比較高，輪廓體積比較大的保險(xiǎn)杠、門板、儀表臺(tái)還不太現(xiàn)實(shí)，或者去生產(chǎn)外觀要求不高，尺寸比較精密，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的連接件、緊固件、軸承等也還不太成熟，所以他還暫時(shí)不能取代傳統(tǒng)工藝去生產(chǎn)對(duì)應(yīng)的汽車零部件。