近年來(lái)，3D打印技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，已被廣 泛地運(yùn)用于航空航天、汽車(chē)零部件、重大裝備、文 化創(chuàng)意、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域  ，根據(jù)美國(guó)添加制造技術(shù)咨詢(xún)服務(wù)協(xié)會(huì)Wohlers在2013年發(fā)布的年度  報(bào)告，3D打印產(chǎn)品在2013年全球市場(chǎng)規(guī)模約為40億美元，相比2012年市場(chǎng)年均復(fù)合增長(zhǎng)率近100%，預(yù)計(jì)到2017年3D打印市場(chǎng)份額將達(dá)到50～60億美元左右。但是在船舶行業(yè)的應(yīng)用鮮有  報(bào)道，作為一種新興的制作技術(shù)，有必要了解其原 理及其在船用柴油機(jī)中的應(yīng)用前景。

1.3D打印技術(shù)基本原理
1.1 3D打印技術(shù)原理
根據(jù)維基百科對(duì)3D打印技術(shù)的解釋 ：“它運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)一層又一層的多層打印技術(shù)，來(lái)構(gòu)造零部件。  ”通俗地說(shuō)，3D打印就是在普通二維打印的基礎(chǔ)上再加一維，之所以還稱(chēng)之為“打印”，則是因?yàn)槠浣梃b了二維打印的技術(shù)原理，分層加工的形式和噴墨打印的過(guò)程相似，只不過(guò)打印的材料是“實(shí)物”而不是“墨水”。3D打印技術(shù)的原理如圖1所示，首先通過(guò)一組平行平面去截零件，得到一系列足夠薄的切片(一般為0.01～0.1mm)或者稱(chēng)之為二維零件模型，然后按照一定規(guī)則堆積起來(lái)即可得到整個(gè)零件。

1.23D打印技術(shù)工作流程
根據(jù)3D打印技術(shù)的原理，在進(jìn)行實(shí)物打印時(shí)  需要以物體三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，輸出利用三角面模擬幾何模型的STL格式幾何文件給專(zhuān)業(yè)分層軟件，利用軟件將三維模型分層離散，根據(jù)實(shí)際層面信息進(jìn)行工藝規(guī)劃并生成供打印設(shè)備識(shí)別的驅(qū)動(dòng)代碼，根據(jù)代碼命令利用不同技術(shù)方式的打印設(shè)備，再使用激光束、熱熔噴嘴等方式，將金屬、陶瓷等粉末材料或紙、聚丙烯等固體材料以及液體樹(shù)脂、細(xì)胞組織等液態(tài)材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)成型，最后再根據(jù)打印設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行固化、燒結(jié)、拋光等后處理  。其工作流程如圖2中所示。

2.國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
近年來(lái)隨著國(guó)際和國(guó)家層面對(duì)3D打印技術(shù)的關(guān)注和支持，國(guó)內(nèi)研究持續(xù)火熱，為整合資源，形成設(shè)備、材料全產(chǎn)業(yè)鏈開(kāi)發(fā)，將整個(gè)產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)，高校和地方政府結(jié)合組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的形式逐漸興起  ，已經(jīng)成立的有中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、陜 西省3D產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺(tái)、浙江省3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等，上海、南京等地也在逐漸醞釀成立3D產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。  3D產(chǎn)業(yè)技術(shù)在20世紀(jì)90年代初由清華大學(xué)顏永年教授引入國(guó)內(nèi)，但是由于和CNC加工中心存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，往往只作為CNC的補(bǔ)充，多停留在高校研究和教育培訓(xùn)領(lǐng)域。
而國(guó)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品多以自主開(kāi)發(fā)桌面級(jí)產(chǎn)品，同時(shí)代理國(guó)外工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的模式為主，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢，自主開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品在成型精度、成型速度以及產(chǎn)品穩(wěn)定性方面和國(guó)外產(chǎn)品尚存在一定差距。高附加值的粉末等原材料開(kāi)發(fā)工藝能力不足，企業(yè)  經(jīng)營(yíng)模式也較為單一。  近年來(lái)隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)外市場(chǎng)的推動(dòng)，國(guó)內(nèi)西安交大的盧秉恒院士等團(tuán)隊(duì)、湖南華曙等企業(yè)，在解決激光成型中變形開(kāi)裂，尼龍燒結(jié)材料研制等方面均取得了一定的成果，特別是在航  天領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)技術(shù)水平 。

3.3D打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析
3.1 3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
3D打印技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：
(1)設(shè)計(jì)制造快速一體化。由設(shè)計(jì)三維模型直  接驅(qū)動(dòng)制造，通過(guò)三維模型識(shí)別、分層轉(zhuǎn)換、代碼生成、疊加成型等一系列過(guò)程，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、制造一體化。這樣就可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)換成真實(shí)的產(chǎn)品模型，從而可以對(duì)正處于設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品做出快速評(píng)價(jià)、修改及功能試驗(yàn)。
(2)高效率生產(chǎn)。可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人操控的自動(dòng)生 產(chǎn)，且無(wú)需開(kāi)發(fā)模具，產(chǎn)品周期可以縮短近4/5;零件的形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也沒(méi)有任何約束，有利于激  發(fā)設(shè)計(jì)的思維活躍度，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化和定制化，基于拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化的復(fù)雜模型的直接制造也成為可能。
(3)材料豐富。材料沒(méi)有限制，樹(shù)脂、塑料、陶瓷、紙質(zhì)、金屬亦或復(fù)合材料都可以使用，甚至 可以根據(jù)零件實(shí)際功能要求實(shí)現(xiàn)不同部位不同材料。
(4)低研發(fā)成本。與傳統(tǒng)“去材制造”有別，無(wú)需初始生產(chǎn)線和模具投入，一次打印完剩余的原材料還可重復(fù)利用，提高了材料和能源的利用效率，大幅度減少了原材料消耗浪費(fèi)以及對(duì)環(huán)境地破壞。

3.23D打印技術(shù)的缺點(diǎn)
從中長(zhǎng)期看，3D打印技術(shù)具有較為廣闊的發(fā)展前景，但目前產(chǎn)業(yè)化距離成熟階段尚有較大距離，3D打印技術(shù)還須進(jìn)一步克服以下缺點(diǎn)：
(1)尺寸限制明顯，制造成本高，金屬材料種類(lèi)偏少;大型零件打印時(shí)間太長(zhǎng)，與傳統(tǒng)加工方式相比沒(méi)有優(yōu)勢(shì);現(xiàn)有3D打印機(jī)造價(jià)普遍較為昂貴，金屬3D打印機(jī)的售價(jià)一般要400～500萬(wàn)以上，有的甚至過(guò)千萬(wàn);材料粉末價(jià)格比材料本身高10倍以上，且目前可用的金屬材料種類(lèi)較少，這都給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來(lái)了困難。
(2)精度和效率難平衡，無(wú)法滿(mǎn)足高效生產(chǎn)。目前3D打印成品的精度還不盡如人意，表明光滑度與產(chǎn)品要求仍差距明顯，打印效率與鑄造等批量生產(chǎn)方式相比，產(chǎn)能還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機(jī)工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突，制造精度與制造效率的平衡問(wèn)題還有待解決。
(3)金屬零件工作強(qiáng)度偏低。目前，3D打印技術(shù)的金屬構(gòu)件無(wú)法達(dá)到高溫、重載、沖擊等極其嚴(yán)酷的工況的要求，還須配合后續(xù)的致密性處理，如靜壓處理等;經(jīng)過(guò)加工后，堆積成型產(chǎn)品的韌性與強(qiáng)度等都有待進(jìn)一步提高。
(4)打印過(guò)程可能造****體危害，產(chǎn)業(yè)環(huán)境急須立法完善。3D打印部分設(shè)備由于原料為粉末，在成品后處理過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的粉塵，可能會(huì)對(duì)人體呼吸道和肺部帶來(lái)一定的疾病隱患。同時(shí)，由于3D打印產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)各階段都存在一定的侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)，容易  引起知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛，急須立法保護(hù)。
3.3 3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來(lái)，3D打印技術(shù)與裝備將以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)，向個(gè)性化、精密化、智能化、通用化以及便捷化等方向發(fā)展。

(1)工藝和設(shè)備開(kāi)發(fā)。提升3D打印技術(shù)的速度、效率和精度，開(kāi)拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實(shí)現(xiàn)直接面向產(chǎn)品制造，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與制造一體化的需求，可以直接打印出尺寸更大的零件。
(2)材料驗(yàn)證。開(kāi)發(fā)多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、相變零膨脹材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，在擴(kuò)展3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍的同時(shí)降低打印成本。
(3)軟件升級(jí)。軟件集成化，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)加工制造一體化，使設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無(wú)縫對(duì)接，減小數(shù)據(jù)處理誤差，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造。
(4)拓展應(yīng)用領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車(chē)輛、服裝、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用得到進(jìn)一步拓展。
4.3D打印在船用柴油機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用前景
目前，3D打印技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的是消費(fèi)品， 電子、交通設(shè)備和醫(yī)療三大領(lǐng)域，在船用柴油機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有報(bào)道，這和3D打印的技術(shù)特  點(diǎn)、技術(shù)現(xiàn)狀以及船用柴油機(jī)自身的特點(diǎn)有關(guān)。  船用柴油機(jī)屬于傳統(tǒng)制造業(yè)，零件尺寸往往較大，使用材料沒(méi)有特殊要求，而3D打印機(jī)的打印尺寸有限且打印材料成本往往遠(yuǎn)高于材料本身價(jià)格，因此船用柴油機(jī)領(lǐng)域還不具備批量的直接進(jìn)行金屬打印的條件。但是根據(jù)3D打印技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可以在樣機(jī)研發(fā)過(guò)程中作為縮短開(kāi)發(fā)周期和改進(jìn)設(shè)計(jì)的有力手段進(jìn)行多方面嘗試。
4.1快速原型
利用3D打印技術(shù)可以快速地使設(shè)計(jì)模型可視化?；诖蛴〉目焖僭涂梢詸z查實(shí)體模型的設(shè)計(jì)情況，進(jìn)行模型改進(jìn)和優(yōu)化;對(duì)于須要檢查裝配情況的模型，可以不考慮材料和強(qiáng)度，在保證精度的情況下利用廉價(jià)材料快速造型，進(jìn)行裝配檢查，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。  除了快速打印原型零件進(jìn)行設(shè)計(jì)和裝配檢查外，還可以打印特殊的試驗(yàn)件，快速響應(yīng)試驗(yàn)需求。如直接利用樹(shù)脂材料打印多方案氣道吹風(fēng)試驗(yàn)樣件(圖3)，可以有效縮短制作“木?！澳！T造原型”的時(shí)間;由于跳過(guò)了前期高額的樣件制造所需的模具費(fèi)用，且可以自由設(shè)計(jì)，省卻了多余材料，直接打印成型，可以大幅縮短開(kāi)發(fā)成本。

4.2快速鑄造
在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，模具的形狀和加工周期是制約整個(gè)產(chǎn)品生命周期的重要因素，也是目前3D打印技術(shù)與實(shí)際工業(yè)聯(lián)系最為緊密的應(yīng)用。對(duì)于尺寸較大的船用零部件，受限于金屬打印的尺寸限制，直接打印出金屬模具困難較大，但是可以應(yīng)用無(wú)?？焖勹T造。  以往船用柴油機(jī)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件鑄造工藝都是通過(guò)三維CAD模型得到三維砂芯模型，然后建立符合工藝要求的三維砂芯模具模型，制作砂芯模具，通過(guò)翻砂制作砂芯，再進(jìn)行澆鑄等。
利用3D打印技術(shù)中的無(wú)模鑄造技術(shù)直接制作出符合鑄造要求的零件砂芯，可以簡(jiǎn)化傳統(tǒng)鑄造工藝，同時(shí)保證不同模具之間帶來(lái)的容差型，提高效率、降低成本。  由于船用柴油機(jī)機(jī)體和缸蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依靠傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造方法，僅鑄造模具、修改模具等環(huán)節(jié)就需要近半年的時(shí)間，而且機(jī)體和缸蓋等內(nèi)部存在多處自由曲面，采用傳統(tǒng)方法制造很難保證曲面精度。而采用無(wú)模鑄造技術(shù)，先制作出用于鑄造的砂型，再澆鑄成機(jī)體和缸蓋，不但可以極大地保證模具精度，更為重要的是，大大節(jié)省了時(shí)間。與傳統(tǒng)方法相比，采用無(wú)模鑄造技術(shù)可以將成品時(shí)間縮短2/3。圖4為幾個(gè)無(wú)模制作實(shí)例。

同理，進(jìn)排氣管、增壓器罩殼和油泵罩殼等部件也可以利用同樣的方法進(jìn)行快速鑄造;除此之外，還可以直接打印蠟?zāi)?，用于增壓器渦輪葉片等部件的熔模精密制造，以避免薄壁熱開(kāi)裂現(xiàn)象。
4.3快速制造
近幾年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)材料的豐富和打印精度、打印尺寸的進(jìn)步，利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，越來(lái)越多的小批量、定制化和高設(shè)計(jì)附加值的產(chǎn)品開(kāi)始直接進(jìn)行成品打印。  在船用柴油機(jī)領(lǐng)域，同樣受限于金屬材料的打印尺寸，目前尚不能打印大尺寸零件，但是可以對(duì)增壓器渦輪葉片、氣門(mén)和氣門(mén)座圈等尺寸容差率和精度要求高的高溫合金材料零件進(jìn)行直接打印成型;也可以解放設(shè)計(jì)束縛，進(jìn)行快速混合制造，即對(duì)于零件好加工的部分采用傳統(tǒng)制造方式，難加工的部分直接3D打印;或者對(duì)于像ECU插板(圖5)等非金屬件進(jìn)行自由設(shè)計(jì)和打印。
另外，利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)突破以往加工 限制，設(shè)計(jì)中空零件或者復(fù)合材料零件;對(duì)于冷卻水道等受限于制造工藝的部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)帶來(lái)新思路。

4.4快速修復(fù)
近年來(lái)在航空航天領(lǐng)域，對(duì)于容易損壞且造價(jià)較高的鈦合金葉片等零件常常利用3D打印中DMD(DirectMetalDeposition金屬送粉沉積)技術(shù)靈活牢固的特點(diǎn)，進(jìn)行直接修復(fù)(圖6)，或?qū)δ湍ゲ牧线M(jìn)行金屬涂覆。

對(duì)于船用柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，曲軸主軸瓦等零部件造價(jià)較高且極易磨損，可以利用3D打印技術(shù)對(duì)該類(lèi)零件損壞處進(jìn)行修復(fù)或者添加高溫鎳基合金等材料作為涂層，以提高其耐磨性能和疲勞壽命。

3D打印技術(shù)作為一種“增材制造”技術(shù)，近年來(lái)受到了越來(lái)越多的關(guān)注，其設(shè)計(jì)制造一體化，適合小批量、定制化和個(gè)性化制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，推動(dòng)其在航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療制造業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。  船用柴油機(jī)作為傳統(tǒng)行業(yè)有其自身的特點(diǎn)，目前3D打印技術(shù)的水平還無(wú)法挑戰(zhàn)傳統(tǒng)工藝在船用柴油機(jī)領(lǐng)域中的地位，但是3D打印技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用潛力，可以作為傳統(tǒng)工藝的一種有利補(bǔ)充，應(yīng)用在小批量產(chǎn)品研發(fā)和試驗(yàn)件制造。隨著3D技術(shù)的進(jìn)步，材料的豐富和打印成本的降低，相信未來(lái)其在船用柴油機(jī)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

轉(zhuǎn)貼自南極熊

近年來(lái)，3D打印技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，已被廣 泛地運(yùn)用于航空航天、汽車(chē)零部件、重大裝備、文 化創(chuàng)意、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域  ，根據(jù)美國(guó)添加制造技術(shù)咨詢(xún)服務(wù)協(xié)會(huì)Wohlers在2013年發(fā)布的年度  報(bào)告，3D打印產(chǎn)品在2013年全球市場(chǎng)規(guī)模約為40億美元，相比2012年市場(chǎng)年均復(fù)合增長(zhǎng)率近100%，預(yù)計(jì)到2017年3D打印市場(chǎng)份額將達(dá)到50～60億美元左右。但是在船舶行業(yè)的應(yīng)用鮮有  報(bào)道，作為一種新興的制作技術(shù)，有必要了解其原 理及其在船用柴油機(jī)中的應(yīng)用前景。

1.3D打印技術(shù)基本原理
1.1 3D打印技術(shù)原理
根據(jù)維基百科對(duì)3D打印技術(shù)的解釋 ：“它運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過(guò)一層又一層的多層打印技術(shù)，來(lái)構(gòu)造零部件。  ”通俗地說(shuō)，3D打印就是在普通二維打印的基礎(chǔ)上再加一維，之所以還稱(chēng)之為“打印”，則是因?yàn)槠浣梃b了二維打印的技術(shù)原理，分層加工的形式和噴墨打印的過(guò)程相似，只不過(guò)打印的材料是“實(shí)物”而不是“墨水”。3D打印技術(shù)的原理如圖1所示，首先通過(guò)一組平行平面去截零件，得到一系列足夠薄的切片(一般為0.01～0.1mm)或者稱(chēng)之為二維零件模型，然后按照一定規(guī)則堆積起來(lái)即可得到整個(gè)零件。

1.23D打印技術(shù)工作流程
根據(jù)3D打印技術(shù)的原理，在進(jìn)行實(shí)物打印時(shí)  需要以物體三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，輸出利用三角面模擬幾何模型的STL格式幾何文件給專(zhuān)業(yè)分層軟件，利用軟件將三維模型分層離散，根據(jù)實(shí)際層面信息進(jìn)行工藝規(guī)劃并生成供打印設(shè)備識(shí)別的驅(qū)動(dòng)代碼，根據(jù)代碼命令利用不同技術(shù)方式的打印設(shè)備，再使用激光束、熱熔噴嘴等方式，將金屬、陶瓷等粉末材料或紙、聚丙烯等固體材料以及液體樹(shù)脂、細(xì)胞組織等液態(tài)材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)成型，最后再根據(jù)打印設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行固化、燒結(jié)、拋光等后處理  。其工作流程如圖2中所示。

2.國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
近年來(lái)隨著國(guó)際和國(guó)家層面對(duì)3D打印技術(shù)的關(guān)注和支持，國(guó)內(nèi)研究持續(xù)火熱，為整合資源，形成設(shè)備、材料全產(chǎn)業(yè)鏈開(kāi)發(fā)，將整個(gè)產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)，高校和地方政府結(jié)合組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的形式逐漸興起  ，已經(jīng)成立的有中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、陜 西省3D產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新平臺(tái)、浙江省3D打印產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等，上海、南京等地也在逐漸醞釀成立3D產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。  3D產(chǎn)業(yè)技術(shù)在20世紀(jì)90年代初由清華大學(xué)顏永年教授引入國(guó)內(nèi)，但是由于和CNC加工中心存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，往往只作為CNC的補(bǔ)充，多停留在高校研究和教育培訓(xùn)領(lǐng)域。
而國(guó)內(nèi)企業(yè)產(chǎn)品多以自主開(kāi)發(fā)桌面級(jí)產(chǎn)品，同時(shí)代理國(guó)外工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的模式為主，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢，自主開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品在成型精度、成型速度以及產(chǎn)品穩(wěn)定性方面和國(guó)外產(chǎn)品尚存在一定差距。高附加值的粉末等原材料開(kāi)發(fā)工藝能力不足，企業(yè)  經(jīng)營(yíng)模式也較為單一。  近年來(lái)隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步和國(guó)外市場(chǎng)的推動(dòng)，國(guó)內(nèi)西安交大的盧秉恒院士等團(tuán)隊(duì)、湖南華曙等企業(yè)，在解決激光成型中變形開(kāi)裂，尼龍燒結(jié)材料研制等方面均取得了一定的成果，特別是在航  天領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)技術(shù)水平 。

3.3D打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析
3.1 3D打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
3D打印技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：
(1)設(shè)計(jì)制造快速一體化。由設(shè)計(jì)三維模型直  接驅(qū)動(dòng)制造，通過(guò)三維模型識(shí)別、分層轉(zhuǎn)換、代碼生成、疊加成型等一系列過(guò)程，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、制造一體化。這樣就可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)換成真實(shí)的產(chǎn)品模型，從而可以對(duì)正處于設(shè)計(jì)階段的產(chǎn)品做出快速評(píng)價(jià)、修改及功能試驗(yàn)。
(2)高效率生產(chǎn)。可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人操控的自動(dòng)生 產(chǎn)，且無(wú)需開(kāi)發(fā)模具，產(chǎn)品周期可以縮短近4/5;零件的形狀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也沒(méi)有任何約束，有利于激  發(fā)設(shè)計(jì)的思維活躍度，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化和定制化，基于拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化的復(fù)雜模型的直接制造也成為可能。
(3)材料豐富。材料沒(méi)有限制，樹(shù)脂、塑料、陶瓷、紙質(zhì)、金屬亦或復(fù)合材料都可以使用，甚至 可以根據(jù)零件實(shí)際功能要求實(shí)現(xiàn)不同部位不同材料。
(4)低研發(fā)成本。與傳統(tǒng)“去材制造”有別，無(wú)需初始生產(chǎn)線和模具投入，一次打印完剩余的原材料還可重復(fù)利用，提高了材料和能源的利用效率，大幅度減少了原材料消耗浪費(fèi)以及對(duì)環(huán)境地破壞。

3.23D打印技術(shù)的缺點(diǎn)
從中長(zhǎng)期看，3D打印技術(shù)具有較為廣闊的發(fā)展前景，但目前產(chǎn)業(yè)化距離成熟階段尚有較大距離，3D打印技術(shù)還須進(jìn)一步克服以下缺點(diǎn)：
(1)尺寸限制明顯，制造成本高，金屬材料種類(lèi)偏少;大型零件打印時(shí)間太長(zhǎng)，與傳統(tǒng)加工方式相比沒(méi)有優(yōu)勢(shì);現(xiàn)有3D打印機(jī)造價(jià)普遍較為昂貴，金屬3D打印機(jī)的售價(jià)一般要400～500萬(wàn)以上，有的甚至過(guò)千萬(wàn);材料粉末價(jià)格比材料本身高10倍以上，且目前可用的金屬材料種類(lèi)較少，這都給其進(jìn)一步普及應(yīng)用帶來(lái)了困難。
(2)精度和效率難平衡，無(wú)法滿(mǎn)足高效生產(chǎn)。目前3D打印成品的精度還不盡如人意，表明光滑度與產(chǎn)品要求仍差距明顯，打印效率與鑄造等批量生產(chǎn)方式相比，產(chǎn)能還遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機(jī)工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突，制造精度與制造效率的平衡問(wèn)題還有待解決。
(3)金屬零件工作強(qiáng)度偏低。目前，3D打印技術(shù)的金屬構(gòu)件無(wú)法達(dá)到高溫、重載、沖擊等極其嚴(yán)酷的工況的要求，還須配合后續(xù)的致密性處理，如靜壓處理等;經(jīng)過(guò)加工后，堆積成型產(chǎn)品的韌性與強(qiáng)度等都有待進(jìn)一步提高。
(4)打印過(guò)程可能造****體危害，產(chǎn)業(yè)環(huán)境急須立法完善。3D打印部分設(shè)備由于原料為粉末，在成品后處理過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的粉塵，可能會(huì)對(duì)人體呼吸道和肺部帶來(lái)一定的疾病隱患。同時(shí)，由于3D打印產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)各階段都存在一定的侵權(quán)風(fēng)險(xiǎn)，容易  引起知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛，急須立法保護(hù)。
3.3 3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展成熟，新的信息技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)等不斷被應(yīng)用到制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)也將被推向更高的層面。未來(lái)，3D打印技術(shù)與裝備將以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)，向個(gè)性化、精密化、智能化、通用化以及便捷化等方向發(fā)展。

(1)工藝和設(shè)備開(kāi)發(fā)。提升3D打印技術(shù)的速度、效率和精度，開(kāi)拓并行打印、連續(xù)打印、大件打印、多材料打印的工藝方法，提高成品的表面質(zhì)量、力學(xué)和物理性能，以實(shí)現(xiàn)直接面向產(chǎn)品制造，更加適應(yīng)分布化生產(chǎn)、設(shè)計(jì)與制造一體化的需求，可以直接打印出尺寸更大的零件。
(2)材料驗(yàn)證。開(kāi)發(fā)多樣的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、納米材料、相變零膨脹材料、非均質(zhì)材料及復(fù)合材料等，在擴(kuò)展3D打印技術(shù)應(yīng)用范圍的同時(shí)降低打印成本。
(3)軟件升級(jí)。軟件集成化，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)加工制造一體化，使設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)控制軟件能夠無(wú)縫對(duì)接，減小數(shù)據(jù)處理誤差，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)者直接聯(lián)網(wǎng)控制的遠(yuǎn)程在線制造。
(4)拓展應(yīng)用領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)、建筑、車(chē)輛、服裝、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用得到進(jìn)一步拓展。
4.3D打印在船用柴油機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用前景
目前，3D打印技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的是消費(fèi)品， 電子、交通設(shè)備和醫(yī)療三大領(lǐng)域，在船用柴油機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用鮮有報(bào)道，這和3D打印的技術(shù)特  點(diǎn)、技術(shù)現(xiàn)狀以及船用柴油機(jī)自身的特點(diǎn)有關(guān)。  船用柴油機(jī)屬于傳統(tǒng)制造業(yè)，零件尺寸往往較大，使用材料沒(méi)有特殊要求，而3D打印機(jī)的打印尺寸有限且打印材料成本往往遠(yuǎn)高于材料本身價(jià)格，因此船用柴油機(jī)領(lǐng)域還不具備批量的直接進(jìn)行金屬打印的條件。但是根據(jù)3D打印技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可以在樣機(jī)研發(fā)過(guò)程中作為縮短開(kāi)發(fā)周期和改進(jìn)設(shè)計(jì)的有力手段進(jìn)行多方面嘗試。
4.1快速原型
利用3D打印技術(shù)可以快速地使設(shè)計(jì)模型可視化?；诖蛴〉目焖僭涂梢詸z查實(shí)體模型的設(shè)計(jì)情況，進(jìn)行模型改進(jìn)和優(yōu)化;對(duì)于須要檢查裝配情況的模型，可以不考慮材料和強(qiáng)度，在保證精度的情況下利用廉價(jià)材料快速造型，進(jìn)行裝配檢查，節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間。  除了快速打印原型零件進(jìn)行設(shè)計(jì)和裝配檢查外，還可以打印特殊的試驗(yàn)件，快速響應(yīng)試驗(yàn)需求。如直接利用樹(shù)脂材料打印多方案氣道吹風(fēng)試驗(yàn)樣件(圖3)，可以有效縮短制作“木?！澳！T造原型”的時(shí)間;由于跳過(guò)了前期高額的樣件制造所需的模具費(fèi)用，且可以自由設(shè)計(jì)，省卻了多余材料，直接打印成型，可以大幅縮短開(kāi)發(fā)成本。

4.2快速鑄造
在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，模具的形狀和加工周期是制約整個(gè)產(chǎn)品生命周期的重要因素，也是目前3D打印技術(shù)與實(shí)際工業(yè)聯(lián)系最為緊密的應(yīng)用。對(duì)于尺寸較大的船用零部件，受限于金屬打印的尺寸限制，直接打印出金屬模具困難較大，但是可以應(yīng)用無(wú)?？焖勹T造。  以往船用柴油機(jī)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件鑄造工藝都是通過(guò)三維CAD模型得到三維砂芯模型，然后建立符合工藝要求的三維砂芯模具模型，制作砂芯模具，通過(guò)翻砂制作砂芯，再進(jìn)行澆鑄等。
利用3D打印技術(shù)中的無(wú)模鑄造技術(shù)直接制作出符合鑄造要求的零件砂芯，可以簡(jiǎn)化傳統(tǒng)鑄造工藝，同時(shí)保證不同模具之間帶來(lái)的容差型，提高效率、降低成本。  由于船用柴油機(jī)機(jī)體和缸蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，依靠傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造方法，僅鑄造模具、修改模具等環(huán)節(jié)就需要近半年的時(shí)間，而且機(jī)體和缸蓋等內(nèi)部存在多處自由曲面，采用傳統(tǒng)方法制造很難保證曲面精度。而采用無(wú)模鑄造技術(shù)，先制作出用于鑄造的砂型，再澆鑄成機(jī)體和缸蓋，不但可以極大地保證模具精度，更為重要的是，大大節(jié)省了時(shí)間。與傳統(tǒng)方法相比，采用無(wú)模鑄造技術(shù)可以將成品時(shí)間縮短2/3。圖4為幾個(gè)無(wú)模制作實(shí)例。

同理，進(jìn)排氣管、增壓器罩殼和油泵罩殼等部件也可以利用同樣的方法進(jìn)行快速鑄造;除此之外，還可以直接打印蠟?zāi)?，用于增壓器渦輪葉片等部件的熔模精密制造，以避免薄壁熱開(kāi)裂現(xiàn)象。
4.3快速制造
近幾年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)材料的豐富和打印精度、打印尺寸的進(jìn)步，利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，越來(lái)越多的小批量、定制化和高設(shè)計(jì)附加值的產(chǎn)品開(kāi)始直接進(jìn)行成品打印。  在船用柴油機(jī)領(lǐng)域，同樣受限于金屬材料的打印尺寸，目前尚不能打印大尺寸零件，但是可以對(duì)增壓器渦輪葉片、氣門(mén)和氣門(mén)座圈等尺寸容差率和精度要求高的高溫合金材料零件進(jìn)行直接打印成型;也可以解放設(shè)計(jì)束縛，進(jìn)行快速混合制造，即對(duì)于零件好加工的部分采用傳統(tǒng)制造方式，難加工的部分直接3D打印;或者對(duì)于像ECU插板(圖5)等非金屬件進(jìn)行自由設(shè)計(jì)和打印。
另外，利用3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)突破以往加工 限制，設(shè)計(jì)中空零件或者復(fù)合材料零件;對(duì)于冷卻水道等受限于制造工藝的部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)帶來(lái)新思路。

4.4快速修復(fù)
近年來(lái)在航空航天領(lǐng)域，對(duì)于容易損壞且造價(jià)較高的鈦合金葉片等零件常常利用3D打印中DMD(DirectMetalDeposition金屬送粉沉積)技術(shù)靈活牢固的特點(diǎn)，進(jìn)行直接修復(fù)(圖6)，或?qū)δ湍ゲ牧线M(jìn)行金屬涂覆。

對(duì)于船用柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，曲軸主軸瓦等零部件造價(jià)較高且極易磨損，可以利用3D打印技術(shù)對(duì)該類(lèi)零件損壞處進(jìn)行修復(fù)或者添加高溫鎳基合金等材料作為涂層，以提高其耐磨性能和疲勞壽命。

3D打印技術(shù)作為一種“增材制造”技術(shù)，近年來(lái)受到了越來(lái)越多的關(guān)注，其設(shè)計(jì)制造一體化，適合小批量、定制化和個(gè)性化制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，推動(dòng)其在航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療制造業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。  船用柴油機(jī)作為傳統(tǒng)行業(yè)有其自身的特點(diǎn)，目前3D打印技術(shù)的水平還無(wú)法挑戰(zhàn)傳統(tǒng)工藝在船用柴油機(jī)領(lǐng)域中的地位，但是3D打印技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用潛力，可以作為傳統(tǒng)工藝的一種有利補(bǔ)充，應(yīng)用在小批量產(chǎn)品研發(fā)和試驗(yàn)件制造。隨著3D技術(shù)的進(jìn)步，材料的豐富和打印成本的降低，相信未來(lái)其在船用柴油機(jī)中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

轉(zhuǎn)貼自南極熊