3D打印如何勝出傳統(tǒng)加工工藝？

通常我們認(rèn)為相比于傳統(tǒng)加工工藝，3D打印更適合加工一些形狀尤其復(fù)雜的產(chǎn)品。然而，我們?nèi)菀缀雎?D打印另外一個(gè)特點(diǎn)，那就是對(duì)材料的節(jié)約。

資源驅(qū)動(dòng)的增材制造項(xiàng)目可能沒有特別復(fù)雜的設(shè)計(jì)或奇特的外觀幾何形狀，但是出于對(duì)零件更短交貨的要求，或者對(duì)于采購(gòu)昂貴并且難以加工的特殊材料的零件驅(qū)動(dòng)，3D打印在這一領(lǐng)域不僅有著其用武之地，還有著一定的商業(yè)化前景。

傳統(tǒng)加工的痛點(diǎn)

大型空心零件是很好的例子，例如鉻鎳鐵合金航空航天外殼和鈦潛水壓力容器。

通常這些零件被用作原型開發(fā)階段，或用于維持階段來(lái)滿足缺乏的庫(kù)存需要。通常，這些生產(chǎn)批量小，高度定制的產(chǎn)品可以通過(guò)3D打印來(lái)作為成本較低的選擇。

例如考慮到制造一個(gè)大的，空心的肋狀鉻鎳鐵合金零件。如果通過(guò)5軸銑削來(lái)從鋼坯中切削掉多余的材料，這當(dāng)然是可能的，并且會(huì)產(chǎn)生優(yōu)異的質(zhì)量，但是這需要大量的材料來(lái)加工，并且產(chǎn)生浪費(fèi)。而且從材料采購(gòu)，到CNC編程，再到夾具等，這些步驟都需要花費(fèi)很多時(shí)間才能開始工作。

尤其是對(duì)于Inconel合金這樣難加工材料來(lái)說(shuō)，即使對(duì)于在鉻鎳鐵合金的CNC銑削加工方面經(jīng)驗(yàn)豐富的機(jī)械師來(lái)說(shuō)，機(jī)床上的刀具磨損也是不容忽視的，刀片的更換也將限制整個(gè)過(guò)程的自動(dòng)化程度。而對(duì)于Inconel718這樣的材料的機(jī)加工來(lái)說(shuō)，加工需在材料的固溶處理后進(jìn)行，并且要考慮到材料的加工硬化性，與奧氏體不銹鋼不同的是， Inconel718這種材料適合采用低表面切削速度。

總之，對(duì)于難加工材料的機(jī)加工來(lái)說(shuō)，加工挑戰(zhàn)很大，并且對(duì)于大余量的切除工作，不僅會(huì)浪費(fèi)大量的昂貴材料，而且長(zhǎng)時(shí)間的加工工作，顯著帶來(lái)刀具的磨損，這最終會(huì)使得加工價(jià)格變得高昂。

省，是昂貴材料加工領(lǐng)域的聚焦點(diǎn)

3D打印的一個(gè)直觀的好處是，通過(guò)增材的方式來(lái)完成零件制造，這樣避免了刀具的浪費(fèi)，也避免了大量斷屑的產(chǎn)生，通常CNC機(jī)械加工中斷屑與加工中冷卻液混合在一起，使得其回收變得幾乎不可能，這對(duì)于資源消耗來(lái)說(shuō)，也是長(zhǎng)期難以承受的。

一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的案例是航空工業(yè)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)件，在機(jī)加工環(huán)境下，一些鈦合金結(jié)構(gòu)件甚至需要高達(dá)70%以上的大余量材料去除，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，3D打印技術(shù)甚至給這一領(lǐng)域的鍛造技術(shù)帶來(lái)了沖擊，加工周期的大幅縮短、材料利用率的大幅提高、低碳環(huán)保的制造方式等都成為航空結(jié)構(gòu)件制造的新發(fā)展方向。

3D打印目前已經(jīng)逐步確立的具有優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用領(lǐng)域，包括飛機(jī)結(jié)構(gòu)件一體化制造（翼身一體）、重大裝備大型鍛件制造（核電鍛件）、難加工材料及零件的成形、高端零部件的修復(fù)（葉片、機(jī)匣的修復(fù)）等傳統(tǒng)鍛造技術(shù)無(wú)法做到的領(lǐng)域。

漸行漸近的商業(yè)化之路

而在這方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，波音在2017年就采用了Norsk Titanium生產(chǎn)的Ti-6Al-4V鈦合金結(jié)構(gòu)件。這些3D打印的鈦合金結(jié)構(gòu)件被安裝在波音787 Dreamliner飛機(jī)中，承受飛行中機(jī)身的壓力。使用的制造工藝為 Norsk Titanium 的快速等離子沉積？技術(shù)，并在2017年2月獲得了首個(gè)3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件的FAA認(rèn)證。

與本文前面所提到的Inconel合金類似，鈦合金也是一種昂貴且難加工的材料，而通過(guò)快速等離子沉積？技術(shù)3D打印鈦合金結(jié)構(gòu)件，可以最終為每架波音的Dreamliner飛機(jī)節(jié)省200萬(wàn)美元-300萬(wàn)美元的成本。

而在3D科學(xué)谷看來(lái)，3D打印帶來(lái)的不僅僅是Norsk Titanium 的快速等離子沉積？技術(shù)這樣的直接加工金屬材料的節(jié)約，還涵蓋了間接概念上的材料節(jié)約。拿3D打印砂型模具和精密模具來(lái)說(shuō)，3D打印就開辟出了又一條多、快、好、省的捷徑。

拿德國(guó)voxeljet-維捷與法國(guó)Sogeclair合作的仿生力學(xué)艙門來(lái)說(shuō)，通過(guò)Binder Jetting粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)成功制造了艙門的精密鑄造模具。從而通過(guò)鑄造的環(huán)節(jié)將艙門重量減輕30％，并且不犧牲艙門所需要達(dá)到的力學(xué)強(qiáng)度，大大節(jié)約了材料。