3D打印技術能立即運用到汽車行業中替代傳統工藝嗎？

在疫情施虐期間，時間是保障生命的最寶貴源泉，醫療器械是保證安全的最有效措施。怎么能在最短時間內提供最大數量的醫療器械成了舉國上下最嚴峻的課題，我們看到各行各業都采用了最先進的技術來保障醫療器械的生產。其中3D打印就是最近受到大家熱捧的一個話題，央視網，央視財經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技術緊急生產防護面罩，計劃通過這一次嘗試，未來推廣到其他汽車零部件生產中去。很多人驚呼“狼來了”，感覺到了危機感，因為這些產品之前都是通過常規的注塑工藝來完成的。如果3D打印技術風靡盛行，是不是所有的傳統注塑行業的人都要失業？是不是意味著所有的汽車零部件都可以用3D打印來生產？

其實3D打印技術早在20世紀90年代中期就已經問世，早在1986年人類就已經開發出了世界上第一臺3D打印機，第一個獲得3D打印技術專利的是麻省理工學院。按照大家理解的3D打印知識來講，這項技術不需要昂貴的機械設備和模具，能直接通過三維數據變現成實物，節省了模具開發和驗證時間，它所能加工的產品，可以覆蓋我們所有的工業制品。按照理論上來講，早就應該風靡全球，替代掉所有的傳統加工工藝了。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拿來量產飛機，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？

假如現在OEM要求我們開發一個塑料材質的保險杠，我們有哪幾種途徑可以實現呢：

第一種常見辦法，當然是機械加工。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，將不需要的區域通過設備銑削、鉆孔等方法去除掉，頗有點設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，一些結構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，產能和效率已經被固定了。

第二種方法，先根據我們的三維數據，設計加工出對應的模具，再借用注塑設備，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，從設計到最后認可，一個專業的團隊至少需要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，后期量產后，每天至少可以產幾百件。

也許你覺得前面兩種方法都太麻煩了，腦洞大開的你，突發奇想，可不可以將這個產品的原材料制作成像積木或樂高玩具一樣的造型，再根據圖紙，我們把每一個小的造型根據保險杠的長寬高尺寸堆積固定在一起呢。當然可以，但是這種產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備來幫我們完成這個手工活呢，先將保險杠根據3維數據均分成X份，再利用計算機編程，將材料通過設備一點一點、一層一層地按照數據輪廓堆積起來，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意中實現了，只不過與傳統辦公用打印機相比，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（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品呢，關鍵還在于材料。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域；

B.到了指定區域，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，他也沒有辦法一直維持他原有的形狀。他必須轉換成液體的形式儲存和傳輸，然后能在很短的時間內固化。這個轉化考慮到實用性，又不能有太高的成本，太高的環境條件。

于是科學家們根據這一特點開發出了感光性樹脂這種材料。在打印時，先準備一個器具儲存滿感光性樹脂，在器具中央設置一個升降平臺，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品的每一層的厚度，一般以微米作為單位。在平臺的上方設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生反應后硬化變成固體，就相當于打印了一層材料。再通過將要打印產品的形狀控制紫外線照射的區域，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打印（Stereolithography）。

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，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生了粘結，會阻止平臺繼續上升，使用起來非常麻煩。

當然這也難不倒科學家，他們發現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，就會導致固化過程終止。按常理來說氧氣就是3D打印的天敵，科學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，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的，一是零件的體積大小，二是能不能找到對應的材料。因為在市場上，每種產品使用的原材料性能都不一樣，轉換成對應的感光性樹脂的化學結構也不一樣，需要專門的合成過程來實現，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。

當然，目前科學家也發明了其他的3D打印技術，比如根據擠出成型原理而發明的熔融沉積成型（Fused Deposition Moldeling ,FDM）,也是我們新聞中提到的這家公司正在應用的技術。這種技術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，最終實現我們的成品。這種技術的優勢在于可以讓傳統的熱塑性材料都能通過3D打印來實現，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，實現兩種材料的同時打印。除此之外，FDM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生產護目鏡或防護面罩這種結構比較簡單、體積又比較小的零件。

我們不否認3D打印這種技術已經投入使用，未來還會大規模創新和發展。但是在當前，要大規模應用在汽車上，如果去生產外觀要求比較高，輪廓體積比較大的保險杠、門板、儀表臺還不太現實，或者去生產外觀要求不高，尺寸比較精密，結構比較復雜的連接件、緊固件、軸承等也還不太成熟，所以他還暫時不能取代傳統工藝去生產對應的汽車零部件。