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

在疫情施虐期間，時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。怎么能在最短時間內(nèi)提供最大數(shù)量的醫(yī)療器械成了舉國上下最嚴(yán)峻的課題，我們看到各行各業(yè)都采用了最先進的技術(shù)來保障醫(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話題，央視網(wǎng)，央視財經(jīng)頻道都在最近都給予了大量的報道。包括國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)防護面罩，計劃通過這一次嘗試，未來推廣到其他汽車零部件生產(chǎn)中去。很多人驚呼“狼來了”，感覺到了危機感，因為這些產(chǎn)品之前都是通過常規(guī)的注塑工藝來完成的。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打印來生產(chǎn)？

其實3D打印技術(shù)早在20世紀(jì)90年代中期就已經(jīng)問世，早在1986年人類就已經(jīng)開發(fā)出了世界上第一臺3D打印機，第一個獲得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打印知識來講，這項技術(shù)不需要昂貴的機械設(shè)備和模具，能直接通過三維數(shù)據(jù)變現(xiàn)成實物，節(jié)省了模具開發(fā)和驗證時間，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。但事實上，最近20年我們偶爾能在媒體上聽見通過3D打印技術(shù)打印出了某一個飛機、某一個汽車、某一個手槍、某一個人造肝臟外，并沒有看見波音和空客把這個技術(shù)拿來量產(chǎn)飛機，也沒有看見熱衷高科技的特斯拉用來打印電池和火箭，這中間究竟還有什么難度沒有攻克嗎？

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

第一種常見辦法，當(dāng)然是機械加工。先買來一整塊比保險杠體積還要大的塑料原材料，通過編程，將不需要的區(qū)域通過設(shè)備銑削、鉆孔等方法去除掉，頗有點設(shè)計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，一些結(jié)構(gòu)還不能一次直接成型，比如讓直接在保險杠背面加工一個直徑3mm高6mm的BOSS柱，還需要單獨找一臺設(shè)備加工好，用膠水黏上去，使用時保證不了強度。整個過程大概一周時間就可以完成，但是一次還只能做一個，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)計加工出對應(yīng)的模具，再借用注塑設(shè)備，將塑料熔融后注射進模腔，冷卻定型后修整完即可。但在這個過程中，像保險杠這樣大一個模具，從設(shè)計到最后認(rèn)可，一個專業(yè)的團隊至少需要3個月時間，還不能保證尺寸100%合格，模具開發(fā)成本高達上百萬。這種方法適合大批量加工，只要前期驗證合格了，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，可不可以將這個產(chǎn)品的原材料制作成像積木或樂高玩具一樣的造型，再根據(jù)圖紙，我們把每一個小的造型根據(jù)保險杠的長寬高尺寸堆積固定在一起呢。當(dāng)然可以，但是這種產(chǎn)品堆積出來后外表粗糙，每塊材料之間肯定會存在縫隙，既不牢靠，也不能直接投入使用。那我們能不能用更先進的設(shè)備來幫我們完成這個手工活呢，先將保險杠根據(jù)3維數(shù)據(jù)均分成X份，再利用計算機編程，將材料通過設(shè)備一點一點、一層一層地按照數(shù)據(jù)輪廓堆積起來，堆積后完全看不見間隙，想要的保險杠就制造出來了。那這個設(shè)備是不是有點類似我們辦公用的打印機，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打印機就在這樣的創(chuàng)意中實現(xiàn)了，只不過與傳統(tǒng)辦公用打印機相比，他們是在二維空間工作，3D打印機是需要在三維空間來工作。由于3D打印是用逐步逐層疊加的方法來加工，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，打印一個保險杠，他不能直接使用傳統(tǒng)的PP料去打印，因為層與層直接沒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使用的墨水一樣具備以下特點：

A.能非常方便地被3D打印機輸送到指定區(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)換成液體的形式儲存和傳輸，然后能在很短的時間內(nèi)固化。這個轉(zhuǎn)化考慮到實用性，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)這一特點開發(fā)出了感光性樹脂這種材料。在打印時，先準(zhǔn)備一個器具儲存滿感光性樹脂，在器具中央設(shè)置一個升降平臺，平臺淹沒在液體下面，與空氣和液面的交界位置保留一個距離，這個距離就是你將要打印的這個產(chǎn)品的每一層的厚度，一般以微米作為單位。在平臺的上方設(shè)置一束紫外線從液面上方照射下來，由于平臺的阻擋，光線只能穿過平臺與液面留有距離的這一片液體，接受過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。最后通過平臺的不斷移動，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，如果要打印一個很大的部件，就需要擴大容器的體積，如果要大到飛機、汽車這樣的部件，從上而下的打印方法可能就不太可取。科學(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，平臺從上方懸掛在容器內(nèi)，加工開始后，通過平臺的懸掛裝置不斷地從下往上移動來打印每一層。這種方法完全與前面的方法相反，但是實際加工完第一層后，平臺與凝固的部分發(fā)生了粘結(jié)，會阻止平臺繼續(xù)上升，使用起來非常麻煩。

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，一旦溶解有一丁點氧氣，就會導(dǎo)致固化過程終止。按常理來說氧氣就是3D打印的天敵，科學(xué)家們正是利用這一點，讓氧分子充斥在加工層與平臺之間，就會阻止平臺與打印層的粘結(jié)，順利地讓平臺可以自由的上下移動。

從上面的描述，不難看出，阻礙3D打印能不能順利實現(xiàn)的，一是零件的體積大小，二是能不能找到對應(yīng)的材料。因為在市場上，每種產(chǎn)品使用的原材料性能都不一樣，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的感光性樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)也不一樣，需要專門的合成過程來實現(xiàn)，所以目前市場上的價格不菲，這常常讓需要對3D打印感興趣的客戶望而卻步，如果找不到對應(yīng)的材料，3D打印的價格就不是大家傳說中的那么便宜，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的絲，絲的一端與馬達相連，另一端通過加熱后與噴嘴相連，轉(zhuǎn)動的馬達不斷將絲推向噴嘴，噴嘴在程序下控制移動，就堆積在指定位置，凝固后就相當(dāng)于打印出了這一層。再通過工作臺的上下移動，就可以堆積出每一層，最終實現(xiàn)我們的成品。這種技術(shù)的優(yōu)勢在于可以讓傳統(tǒng)的熱塑性材料都能通過3D打印來實現(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，實現(xiàn)兩種材料的同時打印。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？事實并非如此，因為FDM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。另外，如果待加工的物體有一些凸出或者懸空部位比較長，在打印時要真正實現(xiàn)非常困難，因為材料還沒有完全固化時就因為無法承受自身重力而塌陷。所以我們在新聞中，只是看到了廠商利用這種技術(shù)生產(chǎn)護目鏡或防護面罩這種結(jié)構(gòu)比較簡單、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，未來還會大規(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杠、門板、儀表臺還不太現(xiàn)實，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，所以他還暫時不能取代傳統(tǒng)工藝去生產(chǎn)對應(yīng)的汽車零部件。