摘 要：3D打印技术成本节约方案的研究目前主要局限在对新材料的研发和现有材料的优化上，但影响材料节约的关键因素除了材料本身成本，还有材料的使用量，作者从前期数字造型环节找到了突破点，并提出了改进意见。
关键词：3D打印技术；成本节约；数字造型
中图分类号：TP334.8 文献标识码：A 文章编号：1005-5312（2016）24-0255-01
20世纪90年代中期，随着计算机技术的发展和普及，3D打印技术应运而生。这种技术也被称为“快速成型”技术，它借助三维软件生成数字模型，以此为基础进行立体打印输出，从而产生实物模型。这种打印方式有别于传统的平面打印，它使用粉末状金属或塑料等可粘合材料作为打印介质，通过逐层堆积的方式来构造物体。由于3D打印技术无需任何附加的传统模具制造和机械加工，通过快速自动成型系统与计算机数据模型结合就能够制造出各种形状复杂的原型，这使得产品的设计生产周期极大缩短，生产成本大幅下降，因此被广泛应用于各个领域。
一、中国3D打印技术的现状
在中国，这项技术目前已经得到了相对广泛的普及，大部分学校甚至家庭都已经配备了3D打印设备。3D打印设备可以分成两个级别，一是桌面级别，一是工业生产级别。前者更多的应用于家庭和简单造型的制作，多使用PVC、树脂等材料，成本相对低廉。后者则是真正意义上的3D打印，由于材料价格高昂，目前仅应用于一些“高精尖”工业。其一公斤材料（最常用的钛合金材料）的价格为2000-3000元左右，最昂贵材料的甚至可以和白银等价。
二、制约中国3D打印技术发展的瓶颈
诚如世界3D打印技术产业联盟首席执行官罗军所说，中国国内现在90%的3D打印企业是做打印“小玩意”的桌面机，工业3D打印机的竞争尚未真正开始。材料成为了制约3D打印技术发展的最明显的瓶颈。3D打印技术从狭义上讲属于“增材制造”技术，即采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术。因此材料是3D打印的物质基础，材料的发展决定了3D打印的成本。正是基于这些原因，现在3D打印技术成本节约的研究主要局限在对新材料的研发和现有材料的优化上。这确实是解决方式之一，但却并不是唯一的途径，3D打印技术的确依托于材料，但对于材料节约来说则有两个关键因素，一是材料本身的成本，二是材料的用量。前者在研制和开发上需要耗费大量的人力、物力和时间；而后者则是可以通过相对简单的方式来解决。从某种意义上讲，减少材料的用量才是真正意义的成本节约，因此，从前期的数字模型文件入手制定3D打印技术的成本节约方案，将会是一个明智的选择。
三、影响成本节约的四大因素
从前期的数字模型制作上研究3D打印技术的成本节约方案，就需要对3D打印的原理、流程和工序有充分的了解。发现其中影响材料损耗的因素，从而逆向推演出前期模型制作中需要关注和修正的问题。
1.制作中空造型是成本节约的重要因素。3D打印的实物模型，通常有两种需求。一种是需要表现制作物体的外部造型和内部结构，直接可以用于生产；另一种是仅需表现制作物体的外部造型，后期通过修形加工再进入生产流程。现在绝大部分的打印成品都属于后者，毕竟工业级的3D打印并没有普及。这就对于实物模型的内部空间没有任何要求。使用空心造型替代实心造型会节省50%-80%的材料损耗，而且会减轻制成品的重量，方便进行运输。
2.零件合理拆分是成本节约的不确定因素。在应用“分层实体成型工艺”的3D打印过程中，并不直接将制作好的造型输出到打印设备，堆砌出物体的造型。而是需要3D打印人员对得到的三维虚拟造型进行拆分，以保证其在打印过程中的稳定性。就像盖楼一样，如果根基不稳，时刻会有倒塌的危险，从而导致打印的失败。为了实现这种稳定，通常都会使用一种支撑材料来进行稳定。这种支撑材料对于实物模型没有实际的展示价值，在打印完成后需要去除。所以如果能够合理拆分零件，减少支撑材料的用量，也可以达到节约的目的。
3.多材料混合应用是成本节约的关联因素。对于3D打印最终生成的实物模型，特别是体积较大的实物模型，往往都需要由几个大型的部件组合完成。而这些部件在硬度需求上往往是不一样的，并不是整个实物模型必须统一材料。根据各部件的材料差异来分割物体，重要的部件使用结实昂贵的材料，次要部件用相对单薄廉价的材料替换，能有效的节省开销，保证物尽其用。
4.零件的合理码放是成本节约的可控因素。3D打印设备输出实物模型的大小依据设备的型号不同会有所区别。使用“分层实体成型工艺”的打印机同一批次打印实物模型的数量与损耗是成正比的，但对于使用“立体光固化成型工艺”打印机就不一样了。虽说恒定体积空间内那些未被固化的光敏树脂可以进行一定的回收再利用，但必然会造成浪费。因此，在恒定体积空间中，码放的零件越多，浪费也就越少。
四、成本节约的解决方案
针对3D打印技术输出过程中影响成本的因素，结合三维数字造型的基本知识，有侧重的解决问题，能极大的减少实际生产过程中的浪费，节约原材料的投入，进而降低3D打印的成本。
1.“抽壳”技术为产生中空的造型带来极大的便利。让物体从实心变为空心，在维软件中并不难实现，在很多造型软件中，都提供了“抽壳”命令，即让用户根据指定的厚度值在单个实体周围抽出或生成壳。如3ds max中修改器列表里的“壳”修改器，solidworks软件中的“抽壳”工具。这些工具都可以产生相对完美的空心造型，但事无绝对，当遇到一些曲面变化较大的造型时，这种“抽壳”会产生错误，导致曲面扭曲混乱。其实，如果对物体的壁厚没有统一要求的话，完全可以使用“布尔运算”实现中空造型。“布尔运算”的优势在于它的随意性，但在执行这一操作时需要尽量保证一次成型，不要进行多次运算，多次运算会导致曲面产生过多的缝隙，从而干扰最后生成的结果。
2.零件的拆分考察的是操作者的智慧。将一个三维造型拆分成若干个零件并不是什么难事，利用“布尔运算”和“分离”命令很容易实现，但具体是否拆分、如何拆分，则要看操作者的经验与智慧。以一个实心球体为例，如果不进行拆分，直接打印，势必造成结构不稳而需要众多的支撑物。如果将其一分为二，并将平坦、直径大的面朝下摆放，则可以完全省去支撑物。虽然所有的数字造型都可以被3D打印出来，但在制作数字模型的过程中，能拆分的就不合并，做好对位孔的设计会为后期的打印输出带来方便。拆分后的模型零件在打印精度上也远高于一体化的零件，可谓一举两得。
3.切实掌握整个3D打印的流程和工艺是前期制作的保证。任何一项工作都包含诸多环节，作为一名前期制作人员，仅仅掌握高超的建模技术是远远不够的，与工作相关的知识，如材料学、开模技巧都应有所涉及。以往零件的拆分都是在3D打印人员手中进行，其使用的3D打印软件虽然具备简单的修改能力，但毕竟无法与专业的三维造型软件媲美。生硬的拆分零件和简单粗暴的曲面精简，只会影响整个3D打印的进度和实物模型的精度。不同环节制作人员的相互沟通、互助、知识共享，才是能更好的完成整个工作流程保证。
4.利用虚拟空间有效规划布局是成功的关键。数字模型本身就是虚拟空间的产物，在虚拟空间中，可以进行不同的尝试，其方式类似于展UV操作，但不同的是前者是三维空间，后者是二维空间。由于零件不能进行叠加，只要考虑高度的限制，完全可以在顶视图进行布局，有效的放置物体。这一步也可以说是3D打印前的最后一步，所以需要综合各方面的知识，如材料相同的物体放在一起，根据稳定性拆分零件等，是对制作人员综合素质的考察。
五、结论
综上所述，从前期的数字模型制作上研究3D打印技术的成本节约，是十分切合实际的。从材料上进行研发确实可能解决3D打印的成本，但这只是在后期输出方面的一种解决方案。从前端输入进行研究，不但可以对成本进行先行控制，还能让不同环节的制作人员进行相互协作，培养团队意识。3D打印看似是一个没有技术含量的输出工序，实则有着很强的知识覆盖面，涉及诸多领域。
参考文献：
[1] Brian Evans.解析3D打印机：3D打印机的科学与艺术[M].北京：机械工业出版社，2013.
[2] 罗军.中国3D打印的未来[M].北京：东方出版社，2014.
[3] 克里斯多夫.3D Printing 打印-正在到来的工业革命[M].北京：人民邮电出版社，2014.
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