格力电器，3D打印技术对组合式空调发展的影响

3D打印技术与传统的减材制造技术或者等材制造技术相比，因其具有无限制的成型能力和快速制造及节省材料的特点，在日用电器、航天航空、建筑、汽车、医疗器械等领域得到快速发展。随着3D打印技术的发展，组合式空调的生产制造工艺技术也必然会被其改变，并且作为化定制产品的组合式空调特别适用于3D打印技术。

传统制造存在的问题
组合式空调是中央空调系统的重要组成部分。其功能是实现对空气进行降温、加热、加湿、除湿以及净化过滤等。组合式空调是根据机组使用场合和客户要求的风量、静压、功能要求、控制要求以及机房安装尺寸限制等因素进行开发的产品。其传统的开发流程如图1所示。

在制造环节，传统的制造活动模型如图2，其过程是，购买原材料或毛坯，利用加工设备和工具在能源驱动作用下，使原材料或毛坯的几何形状或物理化学性能发生变化，然后将加工的零部件和采购的零部件通过装配的方式最终形成产品[3]。目前比较突出的问题主要体现在零件加工和产品品质上。

1.1.零件加工
在批量化、规模化、标准化产品生产环境中，其客户化定制的特点，使得组合式空调机组显得特别不“合群”。由于组合式空调机组是定制产品，无法实现批量生产。因此在零部件加工上，无法使用模具，只能使用数控加工。零件加工流程如图3所示。

这种加工技术弊端明显：

1.1.1.加工工序繁琐
由图2加工流程可知，由于加工技术的限制，零件加工需经历多道加工工序，并且每道工序可能需要一种或是多种加工设备，例如：钣金结构件成型工序的折弯、拉伸、叠边、翻边等成型需要使用的设备均不相同。

1.1.2.加工设备制约设计及制造
对于因形状特殊或者尺寸超出设备加工能力范围的零部件需要设计人员对零部件进行拆分处理，然后再借助焊接等加工方式将零部件拼接起来。这样带来的后果是零部件结构强度下降，同时增加装配工序。

1.1.3.材料利用率不高
零件批量小，原材料无法根据零件进行标准化，导致材料利用率不高。以某生产商全年生产消耗材料统计如表1可知，钣金作为组合式空调主要材料的利用率仅为86.5%，材料浪费非常大。

由此可知，如果企业想要实现产品快速开发就必须自制全部零部件，自制零部件必须购置大量专业加工设备及建造厂房，很显然这样会增加很多成本。虽然专业化生产(即不同零部件交由不同专业生产商生产)可以使问题得到缓解，但是也摊薄了企业利润。

1.2.产品品质不高
密封性能、隔热性能和洁净度等是衡量组合式空调品质优劣的重要指标。目前漏风、凝露已成为组合式空调机组的顽疾，无法得到很好的控制。具体原因有：

1.2.1.制造技术限制
现有加工技术的弊端，导致空调箱体需拆分成多类零部件。现在空调箱体分为有框架和无框架两种形式，两种空调箱体各有优缺点：

有框架的空调箱体由框架型材、保温面板、隔热条、密封条及其他零部件组成如图4，其缺点在于框架的防冷桥性能不高，保温面板与框架型材之间的接触面以及框架型材拼接处的密封难以控制，同时还存在装配工序繁琐，生产效率低的问题。

无框架的空调箱体基本构成包括框架型材、保温面板、隔热条、密封条及其他零部件等，不同之处在于其将框架型材和隔热条及密封条集成到保温面板上如图5所示。通过保温面板搭接的方式组成空调箱体，虽然在装配工序上有所减少，但缺点在于保温面板搭接组成箱体时，保温面板搭接处的隔热效果和密封效果难以控制。

1.2.2.产品体积庞大
产品体积庞大导致产品受运输条件的限制及机房安装尺寸限制。组合式空调必须分为多个物理段运输或者将零部件运输到工程场地安装。由于工程场地限制和施工环境恶劣及安装人员不专业等因素在物理段对接时，对接处的防冷桥和密封措施往往不受控，机组的密封性能和隔热性能无法保证。

3D打印技术的有益效果
2.1.设计无限制
传统制造工艺技术和生产设备往往制约产品设计。3D打印由于采用了分层加工叠加成型的制造方式，产品的制造难度不再受制于其结构复杂程度。不但可用3D打印常规形状的零件或产品，而且3D打印对于那些结构特征复杂、尺度过大抑或传统加工方式无法加工的零件也可轻松完成加工。3D打印技术的无限制的制造能力将彻底解放设计环节。产品设计将不再以制造为核心，而是更加注重产品性能。加之智能设计技术的应用，设计环节不再需要建立庞大的零件数据库和零件程序数据库。

2.2.改变产品开发流程
2.2.1.改变产品制造模式
在制造环节，零部件加工与产品装配环节合并。3D打印使得零件制造不需要繁琐的生产工序，也不需要将零部件通过各种装配方式安装到机组上，而是将零部件按产品功能和装配关系直接打印。打印过程既是零件加工过程，也是产品装配过程。产品制造过程将变成原材料采购、零部件加工。

2.2.2.去掉产品运输和安装环节
因为产品制造环节的简化，使得产品制造不再需要配置大量的专业生产设备和生产厂房及大量的协同作业，而是将产品制造移步到工程现场。将原材料运输到工程现场通过3D打印实现产品制造、安装，如图6所示。

改变产品开发流程的前提是设计、制造实现智能化。目前基于产品模块化设计和参数化设计的方法可以实现智能化设计和智能制造，其基本流程如图7所示。产品模块化之后，在CAD软件应用参数化方法对模块化零件进行设计。模型尺寸不再用确定的数值表示，而是通过参数表示。之后将设计需求转化成产品参数，通过人机交互界面将产品参数转化成零件参数和装配参数，并导入到CAD软件，通过参数驱动生成零件模型和装配模型以实现智能设计[4]。进而通过参数化编程，并将模型参数传输到打印设备，从而最终实现智能制造。

因此， 3D打印不仅可以改变产品开发流程以提高生产效率，而且可以减少零件加工设备和产品装配工人及生产厂房以降低企业生产成本。

2.3.提升产品品质
组合式空调的漏风、凝露等顽疾将得到根除。3D打印技术的使用箱体的构成不再是传统的框架结构而是整体式结构，使其结构简单合理、整机冷桥系数更低、密封性能更好以及箱体内壁平整度和洁净度更高。

3D打印技术实现的整体成型空调箱体如图8，将箱体分为外隔热层、结构加强层、内隔热层如图9。外隔热层与内隔热层为独立的两个隔热层，外隔热层阻隔空调箱体外热能进入箱体内，内隔热层阻隔机组内热能传播到箱体外；结构加强层容置于外隔热层与内隔热层之间的间隙内，隔断外隔热层与内隔热层的热交换，同时起支撑和连接外隔热层和内隔热层的作用，还能够提高箱体强度。

隔热层分开为外隔热层和内隔热层，并且在外隔热层与内隔热层之间的间隙内放置结构加强层，有利于阻隔热交换，提高空调箱体制冷效率；结构加强层的大面积使用，有助于隔断热传导，避免形成冷桥，从而避免空调箱体凝露；外隔热层和内隔热层均是整体打印成型，避免箱体装配间隙的产生，使得空调箱体密封性能更好；隔热层整体成型使得箱体内壁平整，无缝隙，无毛刺，无段差，从而不会积尘积灰，机组可以达到更高洁净度；空调机组内部零部件的固定结构可植入到内隔热层，在内隔热层成型的同时，可固定内部零部件，同时消除零部件与箱体连接的间隙，避免了漏风，提高机组洁净度，而且加强了机组整体的结构强度。

3D打印技术的瓶颈
目前3D打印金属材料和高分子材料的打印技术已有大量研究并已有大量实际应用[5]，因此机组部分使用金属材料或者高分子材料的零部件可以通过3D打印技术实现生产。但是隔热保温材料作为组合式空调实现保温、防凝露的重要屏障，在3D打印上并没有太大进展。隔热材料已成为组合式空调实现3D打印的瓶颈之一。以目前的隔热保温材料而言，因岩棉具有密度小、导热系数低、不燃烧、熔点高等突出优点[6-8]，非常适合与金属材料打印构成保温层如图10。但在工艺上如何实现也是值得研究的课题。

目前比较成熟的3D打印方式是单一材料打印，还不做到能多打印机协同作业，因此生产效率并不高。群组机器人集体打印制造产品是提高3D打印效率的重要手段。就是一群3D打印机像蜜蜂一样共同执行任务。这样，打印机的尺寸跟产品尺寸无关，同时打印机的智能要求也可以大大降低。这种自组织自协调的群体智能方式也是现在人工智能的研究方向。

3D打印技术在许多行业或者领域的应用研究已大量开展，并且已得到实际应用。在组合式空调行业可以借鉴现有成熟技术制造部分零部件，但还是有许多方面值得深入研究，比如适合3D打印的隔热保温材料，是仍然使用岩棉还是开发其他种类的材料等等。这必然是一条很长的路，但3D打印技术作为一种具有颠覆性的新兴制造技术，其带来的效益是显而易见的。

作者：赵冬冬   (珠海格力电器股份有限公司)
延伸阅读：
海尔3D打印空调现身德国IFA 2015
IFA展海尔展出3D打印空调 可正常使用