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《電子機械工程雜志》2014年第三期

13d打印技術

3D打印的專業名稱應該是“快速成型技術”或“增材制造技術”，是依托信息技術、材料科學和精密機械等多種學科的一種尖端技術。增材制造是指不經過車、銑、鉆等傳統“減材”切削加工，而是通過堆疊材料來直接形成最終產品的一種制造理念。它將多維制造變成簡單的由下至上的二維疊加，從而大大降低了設計與制造的復雜度，可以制造傳統方式無法加工的奇異結構，尤其適合動力裝備、航空航天、汽車等高端產品上關鍵零部件的制造。3D打印行業的發展始終凸顯著“創新突破”這一關鍵特質，技術發展日新月異，現在只是3D打印技術的產業化初級階段，未來3至5年將是3D打印技術最為關鍵的發展機遇期，其成長遵循的技術成熟曲線如圖1所示。

2睿創空間3D打印技術研究

2．13D打印機的組裝睿創空間遇到的第一個難題就是3D打印機的組裝，圖2為3D打印機的組裝全過程。機架組裝的難點在于要確保支撐桿是一個正方形，不能是平行四邊形，因此在裝配和調試的過程中，需要對塑料結構件的位置進行微調，并確保塑料結構件的內孔被修正到剛好能在螺桿上自由平移的程度;擠出機的安裝難點則在于安裝時，需要注意大齒輪與電機之間的墊片數量，防止二者的間隙過小而影響齒輪轉動，同時又不能太大，需確保銅桿凹槽能夠順利擠絲。圖3為3D打印機的軟件安裝圖。在軟硬件安裝到位之后，點擊“Connect”進行鏈接。

2．23D打印機的軟、硬件調試組裝完成后下一步就是調試，圖4為3D打印機的調試全過程。調試過程的難點之一是雙電機的驅動問題，Z軸電機按并聯方式連接時，雖有很好的高速性能，但其所需的電流是按串聯方式連接時的1．4倍，由于控制卡的驅動模塊的驅動能力有限，因此容易出現驅動模塊過流現象，導致死機。因此3D打印機在組裝時Z軸電機應采用串聯方式連接，如圖5所示。在調試3D打印機作單軸運動的過程中，X軸方向上的皮帶輪軸承處的螺母易脫落，用彈墊防松效果不好，需采用防松螺母;Y軸方向上的電機運動會出現卡死問題，經查是由于結構位置沒有準確校正，皮帶與運動平面存在一定的角度θ，當熱床向右移動時，∠θ不斷變大，皮帶拉力F在X軸向上的分量F1增大，F在Y軸向上的分量F2減小，當F2減小到無法克服阻力時，Y軸方向上的電機運動就被卡死。因此需盡可能地減小θ角，使皮帶與Y軸平行運動。單軸運動調試如圖6所示。在調試中發現，加熱床的實際溫度和軟件顯示溫度之間存在差異，主要原因是由于加熱電路板和鋁床之間的粘合物使用錯誤，應將硅膠換為導熱硅脂。在打印過程中發現打印不準確，經分析其原因為:運動控制精度低，缺乏有效可靠的插補控制能力;運動軸往返運動存在間隙，具體如圖7所示。

2．33D打印機的建模3D打印機的散件組裝調試完畢之后，睿創空間利用開源硬軟件技術，實現打印機成功運行。通過對3D打印軟件參數的研究，經過不斷修改調整，打印出的小黃鴨、金字塔、玫瑰花等模型已日臻精致完美。通過Pro/E、Autodesk等數字建模工具，可自主地進行正向、逆向模型設計，最終成功實現了雷達產品的3D模型打印制作。圖8和圖9是睿創空間利用建模軟件制作的飛機模型以及為參賽機器人制作的頭盔建模圖片。

33D打印技術在軍工領域的應用

睿創空間的成立為中國電科開啟了3D打印技術軍民融合的探索之路。一直以來，中國電科不斷探索3D打印技術的軍民融合之路，以期突破現有傳統模具的生產制造工藝、工序的高成本、長周期的瓶頸，將結構設計由傳統串行設計模式轉變為同步協同模式，使其在軍品的工業造型設計、風洞試驗、結構設計、可裝配性、干涉檢查等方面成為全三維結構數字樣機重要的輔助設計手段，從而可以在極大程度上縮短產品的研發周期。將3D打印和軍工生產緊密結合，搭建開放性平臺，可推動其與科研生產過程的有機結合，以手段創新提高工作效率，還可激發員工的創新思維，提升員工的崗位技能及自我解決難題的能力，從而提升人力資源的有效利用率。在3D打印機項目成功運作的基礎上，3D打印技術被陸續運用到精益保障、移動互聯網云平臺等項目中，并已取得階段性成果，在綜合保障之在場快速維修中發揮了重要作用。下面以某裝備為例，具體闡述3D打印技術在裝備綜合保障領域的應用。裝備的在場快速維修是指在合理的戰術時間段內，對受到損傷的裝備系統進行修復，從而使其恢復戰斗能力所進行的修理。戰場情形瞬息萬變，快速有效的在場搶修至關重要，能夠實現戰斗能力的成倍增長。圖10是通過對某部門一定數量裝備的戰損情況進行分析后得出的裝備戰傷搶修效果圖。戰傷率基本保持在8%。圖10中的3個曲線帶狀部分代表3種不同的戰斗損傷修理能力:最低的曲線帶表示最“不理想”的情況，即所有戰傷裝備無法投入戰斗所形成的變化曲線;中間曲線帶為假設50%的戰傷裝備能在24h內修復，它代表具備中等搶修能力的情況;最上邊的曲線帶代表具備良好的戰傷搶修能力的情況，即50%的戰傷裝備可在24h內被修復，30%的戰傷裝備可在48h內被修復，其余20%的戰傷裝備則無法進行在場修復。每一條曲線帶的下限表示2%的戰損率，上限表示提高生存性后，戰損率為1%的情況。從圖10可看出，在基線戰損率為2%的情況下，一周以后，有良好戰傷搶修的裝備的可用率是“不修理”的裝備的4倍左右。如果裝備戰損率由2%降為1%，可用率僅為沒有降低前的2倍左右。另外，裝備設計和制造技術的發展增加了裝備的復雜程度，也增加了在場戰傷搶修的難度，傳統的方式方法已無法滿足要求，需要有新的搶修技術和方法。3D打印技術的獨特優勢完美地滿足了在場快速維修的全部需求，它能夠對裝備的部件，無論復雜與否，進行快速現場“生產”，快速補充所缺部件，使裝備得到良好的搶修。且3D打印的生產效率是傳統技術的3倍，打印出的產品更加精細輕盈(重量輕60%)，且同樣堅固。可以預見，未來3D打印技術將會顛覆傳統的裝備技術保障維修手段［2］。

43D打印技術的未來發展趨勢

3D打印技術的出現顛覆了眾多行業中的設計、原型設計和制造流程，給材料科學、生物科學帶來翻天覆地的變化，它正由以往的概念性技術演變成一場全新的技術革新。雖然3D打印技術、云計算、大數據等技術的出現并不短暫，但并未形成一個互為關聯、互為加強的龐大有機整體。如果假以時日，3D打印技術終將會對全球經濟模式產生明顯的解構與建構作用，從而顛覆傳統的規模經濟運行模式，使科學技術和創新呈現爆發式的變革，主要體現在以下4個方面:(1)定制個性化的復合新型材料3D打印機可以通過新的方式將原材料加以混合，甚至可以根據需求對材料進行個性化的復合定制。在一個較小的范圍內部，它以納米級的精度嵌套多種材料，并將之編排到復雜的微觀結構中，使新材料、納米尺度以及印刷電子器件融于一體，同步制造與組裝出多元結構的部件，展示出堪稱神奇的新特性［3］。(2)實現智能制造智能制造的邏輯控制的實現有3種控制能力:控制物質的形狀、構成和行為，即實現物體在結構、材料與活性上的三者有機統一。這3種控制能力的階段性實現都會引起制造業的巨大變革。其中控制行為意為將程序寫進材料，使之具備所需的功能，也即不再打印被動的零部件和材料，而是打印能夠感知、能夠反應、能夠計算和能夠行為的綜合的主動系統，可以打印帶有數字智能內涵的實體物品。3D打印的可編程物質有自己的思想，將形成自己的實體，具備機械和觸覺能力。其數字處理能力將真正找到自己的腿，走進物質世界［4］。(3)催生新的商業模式“眾包”是近幾年出現的新的商業模式建構的一種，是一種分布式的生產模式，具有廣泛的適用性。在強大的新技術支撐背景下，社會化、開放式的分工作業模式顛覆了以往大規模生產與交易方式，重新構建社會單元和拓撲結構，更直接地以終端用戶價值的產生定義產出形態。(4)取代傳統的中國制造模式基于3D打印技術和互聯網平臺的全球云制造模式具備更廉價、更快捷、更綠色環保的優勢，極有可能取代傳統的中國制造模式。

5結束語

本文借助睿創空間這個平臺，對3D打印技術未來的發展方向進行了一些探索。同時，對3D打印技術在中國軍工企業的應用做了一定的嘗試，目前還只是起步階段，承擔輔助作用，但呈現出來的可能性令人欣喜。相信在不久的將來，傳統的軍工制造模式將不復存在，3D打印技術將充當不可替代的重要角色。3D打印，作為一種強大新穎的設計和生產工具，賦予人們專業設計師和制造業大企業所獨有的設計和制造能力。但3D打印本身并不是魔術，在通往“自由”的終極道路上，還有很長的路要走，到底能走多遠，與其他的科學技術諸如材料科學、納米技術及工藝制造等息息相關。可以說，3D打印是先進科技的集大成者，是站在“巨人肩膀上”的產業。

作者：彭為單位：南京電子技術研究所