格力電器，3D打印技術(shù)對(duì)組合式空調(diào)發(fā)展的影響

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)或者等材制造技術(shù)相比，因其具有無限制的成型能力和快速制造及節(jié)省材料的特點(diǎn)，在日用電器、航天航空、建筑、汽車、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到快速發(fā)展。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，組合式空調(diào)的生產(chǎn)制造工藝技術(shù)也必然會(huì)被其改變，并且作為化定制產(chǎn)品的組合式空調(diào)特別適用于3D打印技術(shù)。

傳統(tǒng)制造存在的問題
組合式空調(diào)是中央空調(diào)系統(tǒng)的重要組成部分。其功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣進(jìn)行降溫、加熱、加濕、除濕以及凈化過濾等。組合式空調(diào)是根據(jù)機(jī)組使用場(chǎng)合和客戶要求的風(fēng)量、靜壓、功能要求、控制要求以及機(jī)房安裝尺寸限制等因素進(jìn)行開發(fā)的產(chǎn)品。其傳統(tǒng)的開發(fā)流程如圖1所示。

在制造環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的制造活動(dòng)模型如圖2，其過程是，購買原材料或毛坯，利用加工設(shè)備和工具在能源驅(qū)動(dòng)作用下，使原材料或毛坯的幾何形狀或物理化學(xué)性能發(fā)生變化，然后將加工的零部件和采購的零部件通過裝配的方式最終形成產(chǎn)品[3]。目前比較突出的問題主要體現(xiàn)在零件加工和產(chǎn)品品質(zhì)上。

1.1.零件加工
在批量化、規(guī)�；�、標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境中，其客戶化定制的特點(diǎn)，使得組合式空調(diào)機(jī)組顯得特別不“合群”。由于組合式空調(diào)機(jī)組是定制產(chǎn)品，無法實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。因此在零部件加工上，無法使用模具，只能使用數(shù)控加工。零件加工流程如圖3所示。

這種加工技術(shù)弊端明顯：

1.1.1.加工工序繁瑣
由圖2加工流程可知，由于加工技術(shù)的限制，零件加工需經(jīng)歷多道加工工序，并且每道工序可能需要一種或是多種加工設(shè)備，例如：鈑金結(jié)構(gòu)件成型工序的折彎、拉伸、疊邊、翻邊等成型需要使用的設(shè)備均不相同。

1.1.2.加工設(shè)備制約設(shè)計(jì)及制造
對(duì)于因形狀特殊或者尺寸超出設(shè)備加工能力范圍的零部件需要設(shè)計(jì)人員對(duì)零部件進(jìn)行拆分處理，然后再借助焊接等加工方式將零部件拼接起來。這樣帶來的后果是零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，同時(shí)增加裝配工序。

1.1.3.材料利用率不高
零件批量小，原材料無法根據(jù)零件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，導(dǎo)致材料利用率不高。以某生產(chǎn)商全年生產(chǎn)消耗材料統(tǒng)計(jì)如表1可知，鈑金作為組合式空調(diào)主要材料的利用率僅為86.5%，材料浪費(fèi)非常大。

由此可知，如果企業(yè)想要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速開發(fā)就必須自制全部零部件，自制零部件必須購置大量專業(yè)加工設(shè)備及建造廠房，很顯然這樣會(huì)增加很多成本。雖然專業(yè)化生產(chǎn)(即不同零部件交由不同專業(yè)生產(chǎn)商生產(chǎn))可以使問題得到緩解，但是也攤薄了企業(yè)利潤(rùn)。

1.2.產(chǎn)品品質(zhì)不高
密封性能、隔熱性能和潔凈度等是衡量組合式空調(diào)品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。目前漏風(fēng)、凝露已成為組合式空調(diào)機(jī)組的頑疾，無法得到很好的控制。具體原因有：

1.2.1.制造技術(shù)限制
現(xiàn)有加工技術(shù)的弊端，導(dǎo)致空調(diào)箱體需拆分成多類零部件�，F(xiàn)在空調(diào)箱體分為有框架和無框架兩種形式，兩種空調(diào)箱體各有優(yōu)缺點(diǎn)：

有框架的空調(diào)箱體由框架型材、保溫面板、隔熱條、密封條及其他零部件組成如圖4，其缺點(diǎn)在于框架的防冷橋性能不高，保溫面板與框架型材之間的接觸面以及框架型材拼接處的密封難以控制，同時(shí)還存在裝配工序繁瑣，生產(chǎn)效率低的問題。

無框架的空調(diào)箱體基本構(gòu)成包括框架型材、保溫面板、隔熱條、密封條及其他零部件等，不同之處在于其將框架型材和隔熱條及密封條集成到保溫面板上如圖5所示。通過保溫面板搭接的方式組成空調(diào)箱體，雖然在裝配工序上有所減少，但缺點(diǎn)在于保溫面板搭接組成箱體時(shí)，保溫面板搭接處的隔熱效果和密封效果難以控制。

1.2.2.產(chǎn)品體積龐大
產(chǎn)品體積龐大導(dǎo)致產(chǎn)品受運(yùn)輸條件的限制及機(jī)房安裝尺寸限制。組合式空調(diào)必須分為多個(gè)物理段運(yùn)輸或者將零部件運(yùn)輸?shù)焦こ虉?chǎng)地安裝。由于工程場(chǎng)地限制和施工環(huán)境惡劣及安裝人員不專業(yè)等因素在物理段對(duì)接時(shí)，對(duì)接處的防冷橋和密封措施往往不受控，機(jī)組的密封性能和隔熱性能無法保證。

3D打印技術(shù)的有益效果
2.1.設(shè)計(jì)無限制
傳統(tǒng)制造工藝技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備往往制約產(chǎn)品設(shè)計(jì)。3D打印由于采用了分層加工疊加成型的制造方式，產(chǎn)品的制造難度不再受制于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度。不但可用3D打印常規(guī)形狀的零件或產(chǎn)品，而且3D打印對(duì)于那些結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜、尺度過大抑或傳統(tǒng)加工方式無法加工的零件也可輕松完成加工。3D打印技術(shù)的無限制的制造能力將徹底解放設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)將不再以制造為核心，而是更加注重產(chǎn)品性能。加之智能設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)不再需要建立龐大的零件數(shù)據(jù)庫和零件程序數(shù)據(jù)庫。

2.2.改變產(chǎn)品開發(fā)流程
2.2.1.改變產(chǎn)品制造模式
在制造環(huán)節(jié)，零部件加工與產(chǎn)品裝配環(huán)節(jié)合并。3D打印使得零件制造不需要繁瑣的生產(chǎn)工序，也不需要將零部件通過各種裝配方式安裝到機(jī)組上，而是將零部件按產(chǎn)品功能和裝配關(guān)系直接打印。打印過程既是零件加工過程，也是產(chǎn)品裝配過程。產(chǎn)品制造過程將變成原材料采購、零部件加工。

2.2.2.去掉產(chǎn)品運(yùn)輸和安裝環(huán)節(jié)
因?yàn)楫a(chǎn)品制造環(huán)節(jié)的簡(jiǎn)化，使得產(chǎn)品制造不再需要配置大量的專業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)廠房及大量的協(xié)同作業(yè)，而是將產(chǎn)品制造移步到工程現(xiàn)場(chǎng)。將原材料運(yùn)輸?shù)焦こ态F(xiàn)場(chǎng)通過3D打印實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品制造、安裝，如圖6所示。

改變產(chǎn)品開發(fā)流程的前提是設(shè)計(jì)、制造實(shí)現(xiàn)智能化。目前基于產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)和參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法可以實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)和智能制造，其基本流程如圖7所示。產(chǎn)品模塊化之后，在CAD軟件應(yīng)用參數(shù)化方法對(duì)模塊化零件進(jìn)行設(shè)計(jì)。模型尺寸不再用確定的數(shù)值表示，而是通過參數(shù)表示。之后將設(shè)計(jì)需求轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品參數(shù)，通過人機(jī)交互界面將產(chǎn)品參數(shù)轉(zhuǎn)化成零件參數(shù)和裝配參數(shù)，并導(dǎo)入到CAD軟件，通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)生成零件模型和裝配模型以實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)[4]。進(jìn)而通過參數(shù)化編程，并將模型參數(shù)傳輸?shù)酱蛴≡O(shè)備，從而最終實(shí)現(xiàn)智能制造。

因此， 3D打印不僅可以改變產(chǎn)品開發(fā)流程以提高生產(chǎn)效率，而且可以減少零件加工設(shè)備和產(chǎn)品裝配工人及生產(chǎn)廠房以降低企業(yè)生產(chǎn)成本。

2.3.提升產(chǎn)品品質(zhì)
組合式空調(diào)的漏風(fēng)、凝露等頑疾將得到根除。3D打印技術(shù)的使用箱體的構(gòu)成不再是傳統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)而是整體式結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理、整機(jī)冷橋系數(shù)更低、密封性能更好以及箱體內(nèi)壁平整度和潔凈度更高。

3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)的整體成型空調(diào)箱體如圖8，將箱體分為外隔熱層、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層、內(nèi)隔熱層如圖9。外隔熱層與內(nèi)隔熱層為獨(dú)立的兩個(gè)隔熱層，外隔熱層阻隔空調(diào)箱體外熱能進(jìn)入箱體內(nèi)，內(nèi)隔熱層阻隔機(jī)組內(nèi)熱能傳播到箱體外；結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層容置于外隔熱層與內(nèi)隔熱層之間的間隙內(nèi)，隔斷外隔熱層與內(nèi)隔熱層的熱交換，同時(shí)起支撐和連接外隔熱層和內(nèi)隔熱層的作用，還能夠提高箱體強(qiáng)度。

隔熱層分開為外隔熱層和內(nèi)隔熱層，并且在外隔熱層與內(nèi)隔熱層之間的間隙內(nèi)放置結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層，有利于阻隔熱交換，提高空調(diào)箱體制冷效率；結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層的大面積使用，有助于隔斷熱傳導(dǎo)，避免形成冷橋，從而避免空調(diào)箱體凝露；外隔熱層和內(nèi)隔熱層均是整體打印成型，避免箱體裝配間隙的產(chǎn)生，使得空調(diào)箱體密封性能更好；隔熱層整體成型使得箱體內(nèi)壁平整，無縫隙，無毛刺，無段差，從而不會(huì)積塵積灰，機(jī)組可以達(dá)到更高潔凈度；空調(diào)機(jī)組內(nèi)部零部件的固定結(jié)構(gòu)可植入到內(nèi)隔熱層，在內(nèi)隔熱層成型的同時(shí)，可固定內(nèi)部零部件，同時(shí)消除零部件與箱體連接的間隙，避免了漏風(fēng)，提高機(jī)組潔凈度，而且加強(qiáng)了機(jī)組整體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

3D打印技術(shù)的瓶頸
目前3D打印金屬材料和高分子材料的打印技術(shù)已有大量研究并已有大量實(shí)際應(yīng)用[5]，因此機(jī)組部分使用金屬材料或者高分子材料的零部件可以通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。但是隔熱保溫材料作為組合式空調(diào)實(shí)現(xiàn)保溫、防凝露的重要屏障，在3D打印上并沒有太大進(jìn)展。隔熱材料已成為組合式空調(diào)實(shí)現(xiàn)3D打印的瓶頸之一。以目前的隔熱保溫材料而言，因巖棉具有密度小、導(dǎo)熱系數(shù)低、不燃燒、熔點(diǎn)高等突出優(yōu)點(diǎn)[6-8]，非常適合與金屬材料打印構(gòu)成保溫層如圖10。但在工藝上如何實(shí)現(xiàn)也是值得研究的課題。

目前比較成熟的3D打印方式是單一材料打印，還不做到能多打印機(jī)協(xié)同作業(yè)，因此生產(chǎn)效率并不高。群組機(jī)器人集體打印制造產(chǎn)品是提高3D打印效率的重要手段。就是一群3D打印機(jī)像蜜蜂一樣共同執(zhí)行任務(wù)。這樣，打印機(jī)的尺寸跟產(chǎn)品尺寸無關(guān)，同時(shí)打印機(jī)的智能要求也可以大大降低。這種自組織自協(xié)調(diào)的群體智能方式也是現(xiàn)在人工智能的研究方向。

3D打印技術(shù)在許多行業(yè)或者領(lǐng)域的應(yīng)用研究已大量開展，并且已得到實(shí)際應(yīng)用。在組合式空調(diào)行業(yè)可以借鑒現(xiàn)有成熟技術(shù)制造部分零部件，但還是有許多方面值得深入研究，比如適合3D打印的隔熱保溫材料，是仍然使用巖棉還是開發(fā)其他種類的材料等等。這必然是一條很長(zhǎng)的路，但3D打印技術(shù)作為一種具有顛覆性的新興制造技術(shù)，其帶來的效益是顯而易見的。

作者：趙冬冬   (珠海格力電器股份有限公司)
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