3d打印加工厂家 - 机械加工制造技术；目前，3D打印技术广泛应用于汽车制造、航空航天与国防、消费品、电子电气设备、生物医学应用、文创珠宝、建筑工程、教育等众多领域。
根据全球3D打印行业权威研究机构《Wohlers Report 2020》（其统计中将航空航天和国防应用分开），汽车制造是3D打印技术最大的应用领域，占使用量的16.4%。消费电子和航空航天紧随其后，分别为15.4%和14.7%，如图1-16所示。
研究还表明，2020年之前，3D打印主要用于模型制造，占应用的24.6%，主要用于各种产品开发过程中的设计验证和功能测试，使其成为3D打印诞生以来最大的市场。
但从2020年起，采用3D打印技术直接制造的终端产品占比已增至30.9%，如图1-17所示，成为3D打印技术最大的使用领域。这表明 3D 打印从快速原型制造到直接最终产品制造的重大演变。
经济学家卡洛塔·佩雷斯认为，每一次技术驱动的产业周期革命大约持续60年，前30年是基础技术的发明阶段，后30年是技术加速应用阶段。自1986年美国第一家生产3D打印设备的公司3D Systems创建以来，2021年标志着后30年的开始。
因此，3D打印技术的应用有望加速，释放出更大的应用价值，深刻变革相关行业。本节将介绍3D打印技术在生物医学、航空航天、工业生产等领域的典型应用，然后讨论3D打印未来应用的局限性和风险。
3D打印在生物医学中的应用
从应用场景来看，目前3D打印在生物医学领域的应用主要包括术前规划模型、手术导板、植入物和医疗辅助工具等。此外，再生医学和类组织器官的生物打印代表了生物医学工程研究的前沿，是未来3D打印在生物医学领域发展和应用的主要方向。
(1)术前规划模型
术前规划模型涉及使用重建技术将患者的 CT 成像数据转换为三维模型，然后通过 3D 打印将模型具体化。这些模型实现了病理学的三维可视化，解决了理解和评估二维截面图像的挑战。
它们为医生提供直观、精确的病灶位置、空间解剖结构、形状和体积信息，帮助制定复杂的手术方案、术前演练和术后效果评估，从而显着提高手术的准确性和安全性。
最新的 3D 打印技术现在可以生产结合软质和硬质纹理的材料，方便手术切口并增强外科医生的触觉体验。这也有利于年轻医务人员的培训和技能提升。
案例研究 1-1：3D 打印的术前模型协助复杂的脑肿瘤切除手术
病史摘要：一名40岁女性患者，持续头痛两个多月，并伴有视力障碍。检查时发现脑部肿瘤，周围有颅内动脉，建议进行手术，尽管风险很高。
医院将患者的CT和MRI图像进行融合，如图1-18所示，进行三维重建，准确还原患者的颅内情况，包括颅骨、动脉、静脉、肿瘤等，如图1-18。 19. 然后，利用珠海塞纳新技术有限公司的WJP模型3D打印机，制作出重建颅骨模型的全彩3D打印件，如图1-20所示。
借助这个 3D 模型，医生能够清楚地观察肿瘤周围血管的分布，从而为他们的术中决策提供依据。通过识别肿瘤包裹的血管，外科医生可以精确切除肿瘤，同时保护关键血管结构。
经过11个小时的手术，患者大脑鞍区的脑膜瘤被成功分段切除，周围双侧大脑前动脉、中动脉、颈内动脉均完好无损。手术取得了巨大成功。
图1-18：患者头颅CT图像（a）、MRI图像（b）、CT与MRI融合图像（c）。
图 1-19：患者颅腔的三维重建。
图 1-20：患者颅腔的 3D 打印模型。
案例1-2：3D打印术前模型辅助肝切除手术——母子肝脏共享
病史摘要：一名56岁女性患者被诊断患有恶性肝肿瘤并肝硬化。正常人的肝脏约为1500立方厘米，但患者的肝脏只有765立方厘米，功能严重缺陷。医院确定肝移植是唯一有效的治疗方法，经过配型，发现她21岁的儿子是合适的供体。
精确切除供体和受体肝脏部分并精确吻合血管和胆管至关重要，这需要很高的外科专业知识。医院根据术前患者及其儿子的肝脏CT数据进行了三维重建，分别如图1-21（a）和1-22（a）所示。
然后使用珠海塞纳新技术有限公司的WJP型3D打印机以1:1的比例打印重建的肝脏，如图1-21(b)和1-22(b)所示，从而实现了重建肝脏的打印。准确评估病灶范围以及与邻近器官组织的三维空间关系，并规划手术入路和切口位置。
手术非常成功，由于儿子的肝脏，母亲的生命得以延长。
图1-21：患者肝脏的三维重建（a）和3D打印模型（b）
图 1-22：供体肝脏的三维重建 (a) 和 3D 打印模型 (b)
(2) 手术导板
采用数字化设计并使用 3D 打印制造的手术导板是将术前计划转移到术中执行的关键工具。它们可以帮助避免重要血管和神经受到创伤，减少失血并提高手术安全性。
打印此类产品常用的材料包括高聚物尼龙和高强度、有弹性的树脂（例如手术过程中需要承受锯切的截骨导板）、具有足够强度的透明树脂（例如牙科种植导板）和标准树脂或PLA材料用于强度要求不高的导板（如骶神经穿刺导板、脑出血穿刺导板）。
(3) 植入物
3D打印技术可以生产出完全适合个人需求的植入物，并且可以成功植入体内。这些植入物可以制造出可控的微孔尺寸，可以降低金属材料的杨氏模量，减少应力，促进骨整合，具有传统植入物无法比拟的优势。
此类3D打印植入物的常用材料是钛合金粉末，如图1-23和1-24所示。对于不需要过度承重和摩擦的植入物，例如椎间融合装置、颅骨和下颌关节等小关节，研究人员正在探索使用PEEK（图1-25）和镁合金等新材料。
图1-23：钛合金髋臼杯。
图1-24：钛合金肋。
图1-25：PEEK材质颅骨。
案例研究 1-3：世界首个 3D 打印 Atlas Vertebra
病史总结：2014年，一名12岁男性被诊断患有尤文氏肉瘤，癌灶位于寰椎，如图1-26所示。国际上标准的治疗方法是用钛网笼支撑切除的癌寰椎留下的空隙，利用网片上的孔结合前面的钛板和螺钉固定到位，以实现脊柱融合并重建颈椎稳定性。
但钛网的支撑力和接触面积有限，抵抗旋转和各种弯曲力的能力较弱。“应力屏蔽”的存在往往会导致手术后与网状笼相邻的椎骨塌陷，从而难以维持椎间高度。此外，钛板的厚度可能会导致患者吞咽困难。
术后，患者需要将销钉插入头部和肩胛骨，并在上方和下方安装支架以固定头部。休息时头部不能接触床面，这种状态必须维持3至4个月，有时甚至长达6个月，给病人带来极大的痛苦。
该患者在北京大学第三医院骨科刘忠军教授的治疗下，经过颈椎后路和颈前路两次手术，安装了全球首个3D打印定制寰椎，如图1所示。 -27。这次成功的手术克服了传统治疗方法的弊端，挽救了患者的生命。
图 1-26：患者癌变的位置。
图 1-27：为患者获得的 3D 打印寰椎。
(4)医疗辅助工具
传统的医疗辅助工具往往通过石膏铸造和低温热塑成型获得。但由于石膏的吸水收缩特性，会出现模型变形，影响工具精度，且制作过程过于依赖技术人员的个人经验。
根据光学3D扫描获得的体表信息，结合患者CT和MRI数据，通过计算机辅助精确设计，利用3D打印技术制造定制的轻型康复辅具，更符合人体工程学。他们可以满足个别患者的需求，并且我
另请参阅 使用夹具基板时需要考虑的 6 个因素
提高术后恢复或非手术康复矫形效果，如图1-28所示，展示了各类3D打印医疗辅助工具。3D打印个性化医疗辅助工具的未来发展包括新型假肢、听力和言语功能代偿辅助器具以及外骨骼机器人等新型残疾生命支持系统。
打印这些产品常用的材料包括高分子尼龙材料（如各种具有优异强度和回弹性的矫形器）、TPU材料（如各类足部生物力学补偿器）以及PLA或高强度树脂材料（如一些不需要过度用力的康复固定支架）。
图1-28：各类3D打印个性化医疗辅助工具（腕托、颈托、假肢、腕部矫形器等）
案例研究1-4：用于治疗脊柱侧弯的3D打印定制脊柱侧弯矫形器
病史总结：2018年，一名14岁女性患者被诊断患有脊柱侧凸，全长脊柱X光片显示Cobb角为13°，但没有接受适当的治疗。2020 年 1 月的随访显示 Cobb 角增加至 27°。患者到上海交通大学医学院附属第九人民医院3D打印中心就诊。
她给她安装了3D打印的脊柱侧弯矫形器，六个月后，患者的脊柱得到了完全矫正。患者脊柱侧弯的进展情况如图1-29所示。
3D打印中心根据患者的具体情况，利用3D人体扫描仪采集患者身体的三维表面数据（图1-30），并与X光数据结合进行计算机辅助设计，打造出完全定制的脊柱侧弯矫形器模型。通过3D打印进一步将其具体化为脊柱侧弯矫形器，如图1-31所示。
该脊柱侧弯矫形器由于其完全个性化的设计和中空结构，透气且轻便，使患者每天佩戴20小时以上都感到舒适。
图1-29：对比X光片显示患者脊柱侧弯的进展情况
图1-30：利用3D人体扫描仪采集患者三维体表数据
图1-31：通过3D打印获得的定制脊柱侧弯矫形器
3D打印在航空航天中的应用
国际上针对航空航天难加工、大型、复杂金属零部件的低成本、短周期、高性能3D打印制造技术的研究和探索一直在持续进行。波音、洛克希德·马丁、诺斯罗普·格鲁曼等公司以及美国洛斯阿拉莫斯国家实验室等机构已经投入了二十多年的持续研发。
在国内，以北京航空航天大学王华明院士、西北工业大学黄卫东教授为首的团队也进行了数十年的持续研发，取得了创新性的研究成果。
例如，王院士团队在国际上率先突破了飞机大型钛合金承载构件激光成形工艺、装备及应用关键技术，解决了“大构件”的成形难题，生产出航空航天用大型钛合金构件。我国飞机装备中最大、最复杂的钛合金主要承载整体部件，综合力学性能达到或超过锻件。
（一）3D打印在航空航天应用的优势
3D打印技术作为一种新型制造技术，在航空航天领域优势明显，服务效益明显，主要体现在以下几个方面：
①解决装备轻量化瓶颈
对于空天武器装备来说，减重是一个永恒的研究主题，它不仅可以增加飞行装备在飞行过程中的敏捷性，还可以提高有效载荷能力、节省燃油、降低飞行成本。
航空航天和军事装备对极致轻量化和可靠性的追求，使得大型复杂整体结构和精密复杂结构部件的制造尤为困难，成为先进航空航天和军事装备发展的瓶颈之一。
例如，新型飞机、航天器和发动机越来越多地使用整体结构部件，导致单个部件的尺寸和复杂性不断增加。此外，钛合金、高温合金和超高强度钢等合金材料的使用显着增加，这些材料很难使用传统的热加工和机械加工进行加工。
3D技术的应用可以优化复杂的部件结构，在保证性能的同时实现轻量化设计，从而实现减重。优化零件结构还可以实现最合理的应力分布，降低疲劳裂纹的风险，从而提高使用寿命。
同时，可以通过合理复杂的内部流道结构来控制温度，实现结构设计和材料使用的优化结合。
② 提高材料利用率，降低制造成本
在航空航天制造领域，许多采用传统制造方法生产的零部件材料利用率较低，一般不超过10%，有时仅为2%~5%。材料的大量浪费意味着机械加工工艺复杂、生产周期长。
对于难加工零件，可以大大增加加工周期，显着延长制造周期，从而增加制造成本。金属3D打印技术作为一种近净成形技术，材料利用率高，制造成本不受零件内部复杂程度的影响。
以JSF飞机升力风扇钛合金整体叶片转子的制造为例，传统的“减材”制造会从1500公斤的锻造毛坯开始，经过传统铣削后，最终零件的重量为100公斤，得到的材料利用率仅为6.67%，制造周期很长，如图1-32所示。然而，如果采用3D打印技术，可以实现高达80%的材料节省。
图1-32：JSF飞机升力风扇钛合金整体叶片转子的制造。
③缩短航天新装备研发周期
3D打印技术最突出的优势之一是可以直接根据研发人员设计的3D模型制造实体零件，无需机械加工或任何模具，显着缩短高性能、大尺寸结构件的制造流程。
例如，在中国C919大飞机主风挡框架的制造中，如图1-33所示，北航王华明教授团队采用了自主研发的金属3D打印工艺技术。从收到零件的3D模型数据到成品零件交付安装，仅用了40天，耗资120万元。
相比之下，从国外订购该零件至少需要2年时间，模具成本为1300万元。同样，对于如图1-34所示长度超过3米的C919中央翼梁，传统的制造方法需要超大吨位的压力机进行锻造，费时、费力、浪费。原料。
而且，当时国内还没有能够生产如此大型结构件的设备。如果从国外订购该部件，从订购到安装的时间将超过2年，严重阻碍了飞机的研发进度，影响了大飞机的国产化率。
西北工业大学黄卫东教授团队采用自主研发的金属3D打印设备和技术，仅用了一个月左右的时间就制造出了该零件。经中国商飞公司性能测试后，成功应用于中国C919大型飞机首架样机上。
在20世纪80年代和90年代，采用传统的制造方法，研制新一代战斗机至少需要10-20年的时间，比如歼10战斗机就花了近10年的时间研制。随着3D打印技术的应用，我国仅用3年时间就推出了舰载歼15战斗机，直接进入第三代舰载战斗机矩阵。
毫无疑问，3D打印技术正在创造空军发展的“中国速度”。
图1-33：C919的3D打印主挡风玻璃框架
图 1-34：C919 3D 打印中央翼梁
④ 提高零件维修效率，降低维修成本
航空航天设备中损坏部件的维修和维护一直是一个重要问题。利用激光工程净成形（LENS）3D打印技术进行零件修复，为航空航天设备的维护引入了一种新方法。例如，高性能一体化涡轮叶片，如果其中一个叶片损坏，整个涡轮转子将面临报废，直接经济损失达数百万美元。
目前，基于LENS的逐层打印特性，损坏的刀片可以被视为特殊基材。通过对局部受损区域进行激光熔覆沉积，可以使零件恢复到原来的外观，满足甚至超过原始材料的性能要求。
而且，由于3D打印过程的可控性，修复带来的负面影响非常有限。对于国防军来说，这意味着无需备件仓库即可在现场提供有效的解决方案，显着提高零件维修效率并降低维护成本。
未来，3D打印技术或将部署在战场最前沿，实现战场上零件的直接打印，省去制造、配送、储存的中间步骤。
目前，美国海军已启动“打印舰队”项目，开发零件打印、鉴定和交付的一系列程序，并评估各种军用3D打印技术和材料，以实现在海军上制造飞机零件的目标海上的船只。
未来，3D打印技术也可能部署在空间站中，实现太空中零件的直接3D打印。2014年8月，NASA将一台能够在真空环境下运行的3D打印机运送到国际空间站，宇航员不仅打印测试件，还打印功能结构部件。
中国还于2020年5月进行了首次在轨3D打印实验，在全球率先实现了连续碳纤维增强复合材料的空间3D打印，如图1-35所示。
图1-35：连续碳纤维增强复合材料的太空3D打印。
（二）应用案例
以下是中国3D打印在航空航天领域应用的三个案例。
案例1-5：“天问一号”2.0版7500N可变推力发动机对接法兰框架3D打印
2021年5月15日07时18分，“天问一号”着陆器与轨道器分离，成功软着陆在火星表面，如图1-36所示。随后，“祝融号”火星车成功发回遥测信号。用于火星登陆的7500N可变推力发动机是用于登陆月球的发动机的2.0版本。
改进后的“天问一号”2.0版7500N变推力发动机，性能和推力与此前嫦娥探月工程7500N发动机相同，但重量和体积仅为三分之一，结构更加优化和紧凑，如图所示如图1-37所示。
为此，发动机的对接法兰框架首次采用一体式3D打印，避免了因去除实心棒材或锻件上大量多余材料而造成的变形，同时也有效减轻了重量。
另请参阅 经过验证的完美鱼片加工策略：分步提示
图1-36：“天问一号”着陆器着陆情况
图1-37：嫦娥工程与“天问一号”7500N变推力发动机对比
案例1-6：新一代载人航天试验飞行器返回舱超大一体化钛合金框架3D打印
2020年5月8日13时49分，由中国航天科技集团公司空间技术研究院研制的中国新一代载人飞船试验飞行器返回舱成功降落在东风着陆场指定区域。
试验飞行器飞行任务的成功完成，标志着我国新一代载人飞船样机初步成型，舱室结构、材料、控制系统等一批新技术取得重大突破。
其中重要技术突破之一是直径4m的一体化钛合金车架的设计和3D成型，实现了减重、缩短周期、降低成本等目标。新一代载人飞船试验车的成功返回，也标志着超大关键结构件整体3D打印技术试验成功。
图1-38展示了新一代载人飞船试验飞行器返回舱的着陆情况及其通过3D打印获得的超大一体化钛合金框架。
图1-38：新一代载人飞船试验飞行器返回舱着陆情况（左）及其3D打印超大一体化钛合金框架（右）
案例1-7：嫦娥四号中继卫星“鹊桥”斜反力轮支架3D打印
2018年5月21日，嫦娥四号中继卫星“鹊桥”在西昌卫星发射中心成功发射。它在深空的工作轨道将帮助人类进一步揭开月球背面的奥秘。由于发射能力有限，“鹊桥”的重量指标极其严格。斜反作用轮支架是卫星上较重的部件之一，旨在减轻重量。
利用Altair Inspire软件进行拓扑优化，将设计理念从“先设计产品结构再检验产品性能”转变为“先确定产品性能，再通过拓扑优化得到最终产品结构”，实现轻量化设计。
进一步，采用铝合金3D打印，进行一体制造，实现轻量化制造。图1-39为“鹊桥”中继卫星斜反力轮支架打印件及其在卫星上的装配。
图1-39：“鹊桥”中继卫星斜反力轮支架印刷品（左）及其在卫星上的组装（右）
3D打印在工业生产中的应用
最初，3D打印技术在工业生产中主要用于产品开发过程中的原型制作、验证设计、结构和装配测试。例如，在新产品批量生产之前，有必要对产品进行评估，以便及时发现任何设计问题。
它可以模拟产品的真实操作条件进行装配、干涉检查、功能测试以及可制造性和装配检查。此外，它还可用于模具制造，其中3D打印技术可以创建用于真空铸造和熔模铸造件、注塑模具等的母模。
然后将它们与传统制造工艺相结合，生产用于大规模生产的模具。经过30多年的发展，3D打印技术现已广泛应用于工业领域，用于直接制造末端零件，包括一些模具的直接打印。它还可以打印随形冷却注塑模具，与传统注塑模具相比具有显着优势。
(1) 产品开发与验证
传统的产品开发和验证一般采用数控加工，在加工中空、镂空、高精度、薄壁或不规则结构的复杂产品时存在局限性。即使CNC可以加工其中的一些，但成本也非常高，更适合结构简单、厚重的零件。
3D打印具有加工速度快、一次成型、成本不受产品复杂程度影响等优点。它现已广泛应用于各个行业，用于产品开发过程中的设计验证、装配验证和小批量测试。用于产品开发和验证的常见3D打印材料包括光聚合物树脂和高分子尼龙材料。
光聚合物树脂材料生产的零件表面光滑但强度较低，而高分子尼龙材料适合要求较高强度和韧性的产品。图1-40展示了一些3D打印产品开发和验证案例的图片。
(2)模具制造
在传统的加工方法中，塑料模具一般采用直通式冷却通道，对于薄壁或深腔零件的冷却效果不佳，如图1-41(a)所示。利用金属3D打印技术，可以直接打印具有随形冷却通道的模具，如图1-41（b）所示，确保模具冷却无盲点。
随形冷却注塑模具具有以下明显优势：
①能有效提高冷却效率，减少冷却时间，提高注射生产效率，一般可提高20%～40%。
②提高冷却均匀性，减少产品翘曲变形，稳定尺寸，从而提高产品质量。
图1-40：部分3D打印产品开发和验证案例
图 1-41：传统机加工模具冷却通道 (a) 和具有随形冷却通道的 3D 打印模具 (b)
案例研究 1-8：3D 打印随形冷却注塑模芯
客户的通用面板塑料部件是使用金属 3D 打印随形冷却核心制造的。模具周期时间从55秒缩短至43秒，产量从每天1300件增加到每天1670件，生产效率提高28%。该零件日收入原本为3.9万元，使用3D打印后增加到5.01万元。
扣除注塑材料、折旧、电费等成本，每天利润增加2100元。一套这样的模具（一年运行180天）可带来额外利润2100×180=37.8万元。10台后，可增加利润378万元，效益非常好，如表1-1所示。
表1-1：使用金属3D打印制造随形冷却芯前后的生产对比
比较项目 传统的 3D打印 笔记
生产周期（秒） 55 43
产量（件/天） 1300 1670 按每天20小时生产计算
单价（元） 30 30
收入（元/天） 39,000 50,100 利润增加2100元/天
案例研究 1-9：3D 打印空调风扇叶片随形冷却模芯
某客户的分体式空调扇叶，如图1-42(a)所示，其模具中部原来有一个铍铜芯，如图1-42(b)所示。铍铜材料导热快，冷却效果好，但不耐磨，寿命是钢件的四分之一，约3万件后需要更换，增加了模具维护工作量。
后来采用了3D打印模具钢芯，如图1-42(c)所示，由于设计了合理的随形冷却水通道，可以生产12万件以上，同时也提高了注塑效率生产。模具共有66套；一年后，全部更换为3D打印模具钢芯，总共节省成本超过30万元，如表1-2所示。
图1-42：分体式空调扇叶（a）、传统铍铜模芯（b）、3D打印模具钢模芯（c）
表1-2：模具铍铜芯件与3D打印芯件使用成本对比表。
类型 使用寿命 单价（元） 扇叶年产量（万片） 更换数量 车桥成本（元） 机工成本（元） 调优成本（元） 累计成本（元）
铍铜零件 30,000 件 400 2,200 第768章 768 x 400 = 307,200 768 x 200 = 153,600 768 x 150 = 115,200 576,000
3D 打印零件 120,000 件 第480章 2,200 192 192 x 480 = 92,160 192 x 200 = 38,400 192 x 150 = 28,800 159,360
(3)熔模铸造
熔模铸造也称为精密铸造，通常使用蜡材料来制造一次性模型，因此俗称“失蜡铸造”。用于熔模铸造的蜡模通常使用 3D 打印来制造。
案例研究 1-10：用于珠宝熔模铸造的 3D 打印蜡模型
一件珠宝首饰的熔模铸造生产过程经过图 1-43 所示的各个步骤： (a) 产品的 3D 设计模型；(b)使用3D蜡打印机打印蜡模；(c)蜡载体溶解；(d)获得蜡模成品；(e) 创建一棵蜡树；(f)将蜡树放入金属模具中；(g)浇注石膏以形成石膏模具并施加真空；(h)将石膏模高温烘烤，烧尽蜡，得到石膏阴模；(i) 金属被熔化；(j)将金属浇注到石膏模具中并将石膏溶解在水中；(k)将半成品用盐酸洗涤并干燥；(l) 金属珠宝树被肢解；(m)进行研磨和抛光；(n)获得最终的珠宝产品。
图 1-43：珠宝首饰熔模铸造生产流程
(a) 产品的 3D 设计模型
(b) 3D 蜡打印机打印的蜡模（白色部分为支撑材料）
(c) 溶解蜡支撑
(d) 获得蜡模成品
(e) 创建蜡树
(f) 放置蜡将树放入金属模具中
(g) 将石膏倒入石膏模具中并施加真空
(h) 在烤箱中高温烘烤以烧尽蜡并获得石膏负模
(i) 金属熔化
(j) 将金属浇注到石膏模具中并溶解石膏用水
(k) 用盐酸清洗半成品并干燥
(l) 拆卸金属珠宝树
(m) 研磨和抛光
(n) 获得最终珠宝产品
(4)砂型铸造
砂型铸造涉及用铸造砂（通常是硅砂）和粘合剂制造模具和型芯来生产金属铸件。这种传统工艺通常需要手动或半手动创建砂模和型芯的木质图案。
然而，利用3D打印技术，可以直接根据设计数据打印砂型和型芯，与传统砂型铸造相比，显着提高了模具制造效率，缩短了生产周期，降低了制造成本，并提供了更高的精度。它还允许铸造薄壁和复杂内部结构的零件。
案例研究 1-11：用于铸造薄壁离合器壳体的 3D 打印砂模
采用砂型铸造生产薄壁离合器壳体，尺寸为465mm×390mm×175mm，重量为7.6kg，分上下两部分。德国Voxeljet公司采用优质GS09砂3D打印出壁极薄的砂型，如图1-44(a)所示。然后使用 G-AlSi8Cu3 合金铸造该零件，如图 1-44(b) 和 (c) 所示。
整个制造过程不到5天，生产出来的离合器壳体与测试合格后批量生产的零件具有相同的性能，为客户提供了显着的时间和成本优势。
另请参见 如何控制渗碳零件的表面碳含量？
图 1-44：离合器壳体的砂模和铸造
案例研究 1-12：用于铸造赛车进气歧管的 3D 打印砂模
进气歧管位于节气门体和发动机进气门之间，由于空气通过节气门进入后会进行分流，因此被称为歧管。歧管必须将空气燃料混合物或清洁空气尽可能均匀地分配到每个气缸，这意味着歧管内气体通道的长度应尽可能相等。
为了减少气流阻力，增加进气量，进气歧管内壁应光滑。赛车进气歧管存在许多干涉区域，给砂型铸造和后续加工带来了挑战。为了满足精确的复杂性要求，Voxeljet将进气歧管模型分为四个部分进行砂模3D打印，避免了装配过程中的变形问题。
分流板尺寸为854mm×606mm×212mm，砂型总重约208kg，如图1-45（a）所示，打印时间为15小时。铸造铝合金进气歧管重约40.8kg，如图1-45(b)所示。
图1-45 赛车进气歧管砂型和铸件
(5) 硅胶成型
硅胶成型是一种使用原型部件在真空下创建硅胶模具的工艺，然后将液体树脂倒入其中以复制原始部件。这些复制品的性能接近注塑产品，并且可以定制颜色以满足客户要求。
材料浇注采用真空或低压浇注方法，真空浇注主要用于生产中小型零件，如消费电子外壳，而低压浇注主要用于生产大型零件，如汽车保险杠。
传统上，硅胶模具的原型零件是使用 CNC 加工制造的，而硅胶模具的 3D 打印原型通常是通过 SLA 工艺使用光聚合物树脂材料快速制造的。每个硅胶模具可生产约10-20件，精度±0.2mm/100mm，最小铸件厚度0.5mm，最佳1.5-5mm，最大铸件尺寸约2米。
工艺流程如下：
① 原型制作：根据产品的3D数据，通过3D打印制作原型。
② 硅胶模具制作：原型制作完成后，构建模具框架，将原型固定到位，并创建“浇口”和排气孔。浇道是材料的入口，也称为“浇口”。浇口的尺寸和形状应根据材料的流动特性和零件的尺寸来设计。
将经过真空脱气的液态硅胶倒入模具中，完全覆盖产品。然后对模具进行烘烤，以加速硅胶的固化，8小时后，将硅胶模具切开形成两半，取出原型，硅胶模具制作完成。
③真空注型：硅胶模具合模后，放入真空注型机中，抽真空或创造低压环境，然后注入材料。
填充后，材料在60-70℃恒温固化30-60分钟，然后脱模。如有必要，可在70-80℃下进行二次固化2-3小时。材料固化后，取出模具，打开，获得复制产品。重复此循环以生产小批量的副本。
与注塑成型技术相比，硅胶成型技术速度更快、成本更低、生产周期更短，从而显着降低了开发费用和研发时间。
它通常用于汽车零部件的开发和设计，生产用于性能测试和道路试验的小批量塑料零件，例如空调外壳、保险杠、风道、封装通风口、进气歧管、中控台和仪表板。图 1-46 显示了使用 3D 打印原型制作的硅胶模具和复制零件的两个示例。
图 1-46：使用 3D 打印原型制作的硅胶模具和复制零件
(6)最终用途产品（汽车轻量化）
3D打印技术越来越多地用于直接制造航空航天、军事、医疗、汽车、家用电器和消费电子等各个领域的最终用途零件或产品。在汽车制造领域，研究人员和公司不断尝试使用 3D 打印直接制造零部件甚至整车。
例如，福特汽车公司在全球 30 多家工厂运营着近 100 台各种 3D 打印机，数十年来一直在投资这项技术。福特使用 3D 打印不仅用于开发和验证，还用于最终零件和工具的生产。
梅赛德斯、宝马、奥迪、大众、丰田、凯迪拉克、特斯拉、法拉利、兰博基尼、保时捷等其他汽车巨头也在汽车开发和制造中广泛应用3D打印。
轻量化是全球汽车行业的趋势，未来对车辆轻量化的追求将变得更加极致。汽车轻量化旨在在保证强度和安全性的同时，大幅降低车辆整备质量，提高动力和续航里程，降低油耗，降低尾气污染，甚至增强车辆操控性和安全性。
金属3D打印汽车零部件比传统零部件轻40-80%，可减少二氧化碳排放16.97克/公里。一些轻质零件具有复杂的内部晶格结构，可以减轻重量，同时提高性能。
轻量化包括材料、设计、工艺等方面，如采用高强钢、钛合金、铝合金等；优化结构、集成和拓扑设计；并采用先进的制造工艺来提高零件性能并实现更大的减重。
随着3D打印技术的发展，越来越多的汽车零部件可以直接制造和使用，3D打印有望引发汽车制造业新一轮升级浪潮。
案例研究1-13：BMW i8 Roadster敞篷车顶支架和车窗导轨的3D打印
宝马集团一直是汽车行业采用3D打印技术的先驱。BMW i8 Roadster采用3D打印技术生产金属敞篷车顶支架，直接用于量产，如图1-47(a)所示。
这种 3D 打印金属支架将活动顶盖连接到弹簧铰链，方便车顶折叠和展开，无需额外的降噪措施，例如橡胶阻尼器或更强（更重）的弹簧和驱动单元。支架需要提升、推动和拉动屋顶的全部重量，并且需要复杂的几何形状，而这是通过铸造不可能实现的。
最终设计采用金属3D打印技术产生了一种轻质的网格结构，优化了对屋顶的支撑，同时最大限度地减少了位移，以防止盖子在打开过程中塌陷，如图1-47(b)所示。这款 3D 打印支架荣获 2018 年 Altair Enlighten 奖，表彰轻量化技术的重大进步，并因其创新设计在颁奖典礼上受到广泛关注。
直接用于 BMW i8 Roadster 的另一个最终用途 3D 打印零件是车窗导轨，如图 1-48 所示。借助尼龙3D打印技术，该导轨仅用5天时间就研发完成并投入量产，24小时内可生产100多条窗导轨。该部件安装在 BMW i8 Roadster 的车门内，使车窗能够顺利操作。
图1-47：BMW i8 Roadster 3D打印顶部支架（a）及其结构优化设计过程（b）
图 1-48：BMW i8 Roadster 的 3D 打印车窗导轨
宝马公开的生产信息显示，2018年宝马i8 Roadster的重量减轻了44%。迄今为止，该公司已使用3D打印生产了超过100万个零部件。仅2018年，宝马集团3D打印生产中心产量就突破20万件，较上年增长42%。
案例研究 1-14：布加迪 Chiron 制动卡钳的 3D 打印
布加迪Chiron能够在短短42秒内从0加速到400公里/小时，突破了物理极限，布加迪的成功源于对其系统的不断优化以及新材料和工艺的成功应用。其中，新款Chiron的刹车是世界上最强大的，前后卡钳分别有八个和六个活塞。
此前，布加迪Chiron的制动卡钳采用高强度铝合金制成，重4.9公斤。新型卡钳基于仿生原理进行了结构优化，采用航天级钛合金3D打印而成，重量仅为2.9公斤，减重40%，如图1-49所示。
新型卡尺的开发速度非常快，从最初的概念到第一个打印组件仅用了三个月的时间。最耗时的部分是模拟和优化新设计的强度和刚度，然后模拟打印过程以确保顺利完成。
该卡尺长41厘米、宽21厘米、高13.6厘米，采用四激光熔化系统打印，打印耗时45小时。打印完成后，零件和基板在退火炉中进行700°C的热处理，并随炉冷却以消除残余应力并确保尺寸稳定性，这一过程耗时10个小时。
然后通过线切割去除零件，取消支撑，并使用物理和化学方法相结合的方式对零件进行研磨和抛光，以提高疲劳强度并增加车辆后期使用过程中的长期耐用性。最后，螺纹加工（连接活塞）在铣床上完成，需要 11 个小时。
图1-49：布加迪Chiron的3D打印制动卡钳（a）和后处理产品（b）
3D打印未来应用的局限性和风险
3D打印技术虽然在扩散过程中展现出强大的应用优势，但也面临着诸多限制和风险。只有清楚地认识、解决或避免这些问题，3D打印才能充分发挥其优势，不断拓展其应用范围和领域。
(1) 限制
① 3D打印能力的局限性
目前大多数3D打印机都存在以下突出问题：一是设备尺寸较小，打印尺寸一般集中在400mm×400mm×40mm左右，很少有超过1000mm的。其次，效率较低，零件打印时间长，成本高。三是表面粗糙度和尺寸精度尚不理想。
例如，精密铸造可以达到优于Ra3.2μm的表面粗糙度，甚至低于Ra1.6μm，而激光3D打印金属零件的最佳水平目前在Ra6.4μm左右，一般在Ra10μm以上，而电子束粉末床3D印刷，表面粗糙度Ra20-30μm。
第四，材料有限；每种3D打印工艺类型仅限于非常有限的材料数量或类型，无法满足某些领域的要求。
国内外主要SLM设备厂家及其参数如表1-3所示。
公司/学校 典型设备型号 激光类型 功率/瓦 构建范围/毫米 光束直径/μm
EOS M280 纤维 200/400 250×250×325 100~500
雷尼绍 AM250 纤维 200/400 250×250×300 70~200
概念 M2 调用 纤维 200/400 250×250×280 50~200
可持续管理解决方案 SLM 500HL 纤维 200/500 280×280×350 70~200
华南理工大学 Dmetal-240 半导体 200 240×240×250 70~150
华中科技大学 HRPM-1 钇铝石榴石 150 250×250×400 约150
②3D打印对人类健康的影响
操作金属 3D 打印机或从事后处理的工人通常会接触尺寸小于 100 微米的金属粉末。这些细小颗粒很容易进入肺部或粘膜，造成呼吸系统或神经系统损伤。为了减轻这些风险，必须穿戴防护服和防毒面具。
此外，金属 3D 打印通常需要氩气或氮气等惰性气体，以防止加工过程中氧化。如果这些惰性气体泄漏，它们会造成严重的风险，人体无法检测到，并且可能会在受害者不知情的情况下被吸入。我们呼吸的空气中含有21%的氧气；由于泄漏而低于 19.5% 可能会导致缺氧和伤害。
这种情况在封闭空间中尤其容易发生，因此金属 3D 打印机的用户必须意识到这种潜在危险并采取预防措施。
③3D打印生产中的安全隐患
在金属3D打印车间中，空气中的钛、铝、镁等金属粉末可能会浓缩，如果遇到火源，可能会燃烧甚至爆炸。粉末越细，越容易燃烧。因此，金属粉末的储存、加工和后处理必须避免火源和静电。
此外，粉末溢出还会造成环境风险。2014年，美国职业安全与健康管理局（OSHA）援引了一起金属3D打印设施未能配备适当消防装备，导致操作人员被烧伤的安全事故。尽管火灾是由于设备操作不当造成的，但该事件仍然具有重要的安全提醒作用。
（2）风险
3D打印技术在推动技术进步、提供便利的同时，也给各种应用带来了值得密切关注的风险。
例如，3D打印枪支可能对人身安全和公共秩序构成风险；3D打印药物可能对药物管制和健康构成风险；3D打印商品可能侵犯商标权、版权和知识产权，甚至3D打印也可能对个人信息安全、财产安全和道德规范带来风险。