3D打印技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用研究

（撫順礦務(wù)局職工工學(xué)院,遼寧 撫順 113006）

隨著“工業(yè)4.0概念”的提出，3D技術(shù)作為核心技術(shù)之一呈現(xiàn)出多元化、多領(lǐng)域的應(yīng)用態(tài)勢。在首飾、皮鞋、建筑材料、牙具、汽車制造、航天和軍用方面的零部件等方面都有涉及，并即將成為首要的制造技術(shù)[1]。一些發(fā)達(dá)國家，把新能源技術(shù)和3D技術(shù)巧妙的結(jié)合起來，并給予了厚望，而我國在3D技術(shù)方面的發(fā)展還出去起步階段，如果把3D技術(shù)和機(jī)械加工制造技術(shù)結(jié)合起來，那么我國機(jī)械制造業(yè)將邁上一個新的臺階。

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)的機(jī)械加工制造的區(qū)別很大，傳統(tǒng)的機(jī)械加工制造是通過改變生產(chǎn)對象的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等，生產(chǎn)出成品的一系列過程，這個過程涉及的工藝比較復(fù)雜，如鍛造、拋光、打磨、熱處理等等。如果比較復(fù)雜的零部件，還需要一系列的工藝流程，且工藝流程的先后不能改變，按照提前設(shè)定的工藝流程進(jìn)行，對于復(fù)雜的零件，需要更高級別的加工設(shè)備來完成[2,3]。而3D打印技術(shù)不需要事先設(shè)定工藝流程，不需要加工，只是通過在計(jì)算機(jī)上設(shè)定程序，只要能設(shè)定出具體的程序，就可以加工出對應(yīng)的實(shí)物，優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)時間短、成本低、質(zhì)量好、精度高等，而且還能生產(chǎn)出傳統(tǒng)機(jī)械加工不能生產(chǎn)的零部件。3D打印技術(shù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，例如在醫(yī)療領(lǐng)域，可以為截肢患者打印出配套的器官，和原有器官按照1:1來加工，如何解決排異性，還的取決于制造器官的材料，如特殊高分子材料。

1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)最早是在1986年，最初是利用紙張疊加技術(shù)來快速產(chǎn)生物體的過程。與傳統(tǒng)打印技術(shù)的工作原理相類似，傳統(tǒng)打印機(jī)里裝有墨盒，而3D打印機(jī)里裝有金屬或塑料等材料的粉末，通過計(jì)算機(jī)設(shè)定打印程序后，輸出給3D打印機(jī)，逐層把打印材料輸出疊加在一起，構(gòu)成我們需要的實(shí)物。

（1）歷史發(fā)展。1986年，Charles Hull開發(fā)了第一臺3D打印機(jī)，到2017年阿迪達(dá)斯公司利用3D技術(shù)生產(chǎn)出一雙運(yùn)動鞋，在這30年的發(fā)展歷程中，美國、英國、蘇格蘭等國家陸續(xù)有3D打印的產(chǎn)品問世，標(biāo)志著3D打印技術(shù)逐步成型。我國在1994年制造出第一臺增材打印機(jī)，原理是在三維坐標(biāo)下，把需要打印的實(shí)體分成有限個平面，分別把每個平面內(nèi)的組成部分打印出來，最后把這些部分相結(jié)合，形成實(shí)體。

（2）原理。3D打印技術(shù)的原理和傳統(tǒng)打印原理類似，區(qū)別：傳統(tǒng)打印技術(shù)的產(chǎn)物是平面圖形，而3D打印技術(shù)的產(chǎn)物是立體圖形；傳統(tǒng)打印機(jī)是通過墨盒在紙上繪圖，而3D打印技術(shù)里裝有金屬、塑料等介質(zhì)，通過設(shè)定程序，把打印材料輸出后疊加起來，最終打印出和實(shí)體比例1:1的物體，由于打印材料的不同，可以完成不同形狀、不同組成結(jié)構(gòu)的物體，并且針對于同一物體，還可以有不同的疊加方法。

（3）打印過程。通過分析打印物體的參數(shù)，建立起精確的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型的精確建立有助于提高打印物體的相似度。把建立起來的數(shù)學(xué)模型利用CT技術(shù)進(jìn)行切片，同時保留橫截面的主要信息，要求有很高的分辨率。要想和實(shí)物相似度較高，一方面設(shè)定適合的分辨率，通常以微米級出現(xiàn)；另一方面就是材料和支撐物，材料的選擇至關(guān)重要的。有些物體在打印的過程中需要物體支撐，尤其是一些從上到下打印的物體，這些支撐物必須可擦除的或可溶性的物體。

（4）局限性。3D打印通過3D打印機(jī)來完成，普通材料的打印可以實(shí)現(xiàn)，有些材料對打印機(jī)的要求比較高，對打印機(jī)的性能和要求是一個不小的挑戰(zhàn)，而且有的打印材料比較稀缺。通常所說的3D打印技術(shù)打印的對象都是靜態(tài)的，這樣建模的過程比較簡單，如果是動態(tài)的物體，其行為軌跡不確定，要想準(zhǔn)確的分析還處在定量階段。新技術(shù)、新產(chǎn)能的引入，使得大多數(shù)公司或科研機(jī)構(gòu)都熱衷于模仿，人們可以隨意的去打印出各種物體，且數(shù)量不受限制，但是在知識產(chǎn)權(quán)至上的今天，沒有一個明確的界限在區(qū)分是誰家的產(chǎn)物。

2 機(jī)械制造中的應(yīng)用

現(xiàn)在機(jī)械加工制造領(lǐng)域最常用也是最經(jīng)典的就是數(shù)控技術(shù)，簡稱CNC技術(shù)，與3D打印技術(shù)是兩種截然不同的技術(shù)，一個是減材制造技術(shù)，一個為增材制造技術(shù)。

（1）增材技術(shù)。增材技術(shù)就是在加工中不斷增加原材料，通過疊加原理使材料成型的技術(shù)。基于離散-堆積原理，由設(shè)定的三維坐標(biāo)通過切片的方式生成實(shí)物，體現(xiàn)直接性，但這項(xiàng)技術(shù)綜合了數(shù)學(xué)和圖像領(lǐng)域的多種技術(shù)，如數(shù)學(xué)建模方法、數(shù)學(xué)分析方法、圖像處理與仿真技術(shù)、機(jī)電技術(shù)以及金材等多學(xué)科。這項(xiàng)技術(shù)的局限性也是比較客觀的，如材料分組的控制問題，直接體現(xiàn)在金屬成型過程中，因?yàn)?D打印出的截面層層進(jìn)行堆積，堆積的過程中，很容易出現(xiàn)金屬氧化現(xiàn)象，會直接影響到制造實(shí)體的質(zhì)量和性能；堆積層的層厚不易于掌控，堆積層太厚，制造實(shí)體的表面不光滑，精度下降，粗糙度增加；一些精度較高的制造件有可能需要多光束的配合才能完成，這些光束的頻率、熱量必須一致，并且同步制造，這樣才能保證制造件的穩(wěn)定性和效率。

（2）3D打印技術(shù)和CNC技術(shù)的結(jié)合。3D技術(shù)就是增材技術(shù)，利用金屬和塑料、陶瓷的粉末通過噴嘴的方式來形成實(shí)體；CNC技術(shù)是減材技術(shù)，即在成品成型的過程中，不斷進(jìn)行削減加工物，最終形成實(shí)物。增材技術(shù)和減材技術(shù)相輔相成，相互補(bǔ)充。兩者的結(jié)合可以簡化工藝流程，拓寬加工的范圍，解決了數(shù)控技術(shù)不能完成的復(fù)雜加工，解決了模具設(shè)計(jì)和制作成本，材料的浪費(fèi)得到了改善，同時解決了切削液浪費(fèi)和污染環(huán)境的問題。3D技術(shù)的精度不高，CNC技術(shù)很好的彌補(bǔ)了這一點(diǎn)。

3 結(jié)語

3D技術(shù)改變了傳統(tǒng)機(jī)械加工制造的模式，通過加工材料累積的形式制造實(shí)體，使得受傳統(tǒng)方式制約，無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜零部件的加工成為可能。同時，3D技術(shù)滲透到各行各業(yè)，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量、精度的同時，降低成本，節(jié)約周期，隨著技術(shù)的成型，應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴(kuò)大。

[1]劉銘，張坤，樊振中.3D打印技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展[J].裝備制造技術(shù),2013（12）:232-235.

[2]孫曉林.3D打印技術(shù)的應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,201304.

[3]周軍小.一種電氣自動化控制系統(tǒng).專利號:201720052044.8，2017,7,5.