与传统制造技术相比,3D打印技术具有明显的技术优势,也存在局限性。
1.5.1优势
(1)制造形状复杂的产品及零件
对于传统制造而言,产品零件形状越复杂,其加工难度越大,相应的制造成本就越高。但对于3D打印技术而言,形状复杂的零件并不比简单的柱状或长方体零件消耗更多的时间和成本。这意味着3D打印技术将打破传统的产品定价模式,最终改变产品制造成本的计算方法。
(2)制造小批量、多品种的产品
传统加工制造设备功能较少,一个产品零件往往需要多台设备、多道工序才能完成其加工过程;零件品种的变化往往意味着工、量、夹等一系列辅具的变化调整,无形中加大了制造成本和难度。另外,工件越复杂,对操作者技能水平的要求也相应提高。而3D打印技术在加工小批量、多品种产品时,省去了操作者培训和购置新设备及辅具的成本,更换加工零件品种对3D打印机来说,只需要更换不同的数字设计文件和打印材料即可。
(3)对操作者技能要求低,产品质量稳定
传统加工设备需要操作者花费一定的时间学习才能正确掌握操作技能,包括设备调整和校准。而3D打印技术从设计文件里获得各种指令并进行工作,要求操作者掌握的操作技能水平很低,在极端情况下甚至可以说没有要求,一方面大大降低了人力成本,另一方面将操作者对产品质量带来的影响因素降到了最低。
(4)一体化生产,减少组装环节
3D打印技术能使零部件生产一体化成型,大量减少构成产品的零部件数量,既缩短了制造时间,节约了人力成本,又减少了采购及运输成本。
(5)减少材料浪费,材料利用率高
与传统的金属制造技术相比,3D打印技术由于采用的是增材制造方法,制造产品时废弃物较少。而传统加工方法属于减材制造,材料利用率低。
(6)节能环保,符合产业发展方向
由于加工方法的优势,3D打印技术在生产制造过程中产生的废气、液等有害物质及所需能耗明显低于传统加工设备。
1.5.2缺点和存在的问题
(1)精度
由于3D打印技术采用的是分层制造的方法,其成品存在“台阶效应”,即虽然每个层很薄,但在一定微观尺度下,仍会形成具有一定厚度的一级级“台阶”,如果需要制造的对象表面是圆弧形,那么就会造成精度上的偏差,特别是细长形物体,如管路以及薄壁体金属构件,对于精度要求很高的产品或零件需要后续进行打磨及精加工。
(2)材料性能
受限于其成型原理,其产品零部件材料性能较差,强度、刚度、机械加工性等均不如传统加工方式。
(3)变形问题
在加工过程中,原材料因为多次反复受热,其最终成品应力非常复杂,导致大型构件很容易变形。
(4)设备及原材料成本
可用于原型制造和大型结构件直接制造的工业用高端机器其售价一般在20万-200万美元之间,价格高昂。日前供3D打印机使用的廉价材料非常有限,主要是石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料等,而市场最急需的金属材料价格又偏高,以电机外壳为例,打印其所需的金属粉末达到8万元/公斤。设备和原材料的价格居高不下在一定程度上阻碍了3D打印技术的发展。
(5)打印速度
受限于工作原理,目前3D打印机打印速度较慢,其技术指标远不能满足大批量生产的时间要求,批量生产经济性不高、进度控制难度较高。
(6)伦理和安全问题
随着3D打印技术的发展和进步,普通人在家里通过互联网下载枪械设计图并借助3D打印机制造已经成为现实。此外,可以克隆人体器官的3D打印技术在给医学界带来无限想象力的同时,也面临着伦理上引起大众质疑的困境。3D打印技术引发的安全风险和伦理质疑将越来越大,如何建立一套行之有效的监管机制来保证该技术不被犯罪分子和恐怖分子用来作恶,将对该技术的成长发展极为重要。