3D 打印技術在礦山機械制造中的應用

李 薇

(南充職業(yè)技術學院 機電工程系，四川 南充 637131)

為轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，推動我國制造業(yè)發(fā)展，2015年5月8日，國務院印發(fā)《中國制造2025》行動綱領，旨在通過工業(yè)化和信息化深度融合，實現(xiàn)傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型，將“增材制造”（又稱“3D打印”）列為制造業(yè)創(chuàng)新中心重點建設工程[1]。

工業(yè)和信息化部、發(fā)展改革委、財政部聯(lián)合印發(fā)了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》，明確部署了增材制造在專用材料、工藝技術、制造裝備、核心器件等方面的發(fā)展戰(zhàn)略，促進了增材制造（3D打印）技術的快速發(fā)展[2，3]。

1 3D打印技術的原理及特點

3D打印技術又稱增材制造技術，以金屬粉末或塑料粉末為材料，利用計算機輔助設計（CAD）或計算機動畫建模軟件對產(chǎn)品進行建模，再將三維模型從縱坐標方向進行剖切形成有限多的平面，通過逐層打印疊加的方式來得到3D實體，融合了CAD和計算機動畫建模，數(shù)控、測量、激光等眾多學科。

3D打印技術主要有以下特點：第一，數(shù)字制造，利用建模軟件和測量軟件將產(chǎn)品結構數(shù)據(jù)化，并利用數(shù)字文件充當制造模具，接受計算機傳輸指令，利用3D打印設備對器件進行加工制造；第二，降維制造，打印過程中對物體進行降維，把三維結構轉(zhuǎn)變?yōu)槎S，然后把二維的物體結構逐層疊加，最終得到立體結構。由簡單到復雜，實現(xiàn)柔性化制造；第三，直接制造，可不用考慮機床和夾具的設計，直接打印礦山機械設計里不能實現(xiàn)裝配的結構復雜的零件，減少了組裝、拼接的過程，保證了產(chǎn)品的精度和靈敏性。

2 3D打印技術的優(yōu)勢和缺陷

2.1 優(yōu)勢

第一，智能化，3D打印技術以數(shù)字文件為模具，以新型粉末為材料，以3D打印設備為制造工具，用計算機傳輸指令，直接加工各種產(chǎn)品，是具有代表性數(shù)字制造技術，對制造過程進行智能化控制，實現(xiàn)機器換人。第二，定制化，由一臺3D打印設備代替大部分零件生產(chǎn)設備機器，完成所有制造工序和零部件的生產(chǎn)，縮短產(chǎn)品設計和生產(chǎn)周期，替代規(guī)模制造和復雜的生產(chǎn)線，實現(xiàn)個性化生產(chǎn)。第三，生態(tài)化，傳統(tǒng)的礦山機械加工多采用不可再生的金屬材料，冶金過程產(chǎn)生較多廢水、廢氣、廢渣，采用車、銑、刨、磨等減材制造工藝，材料耗損量大。

2.2 缺陷

第一，強度不足，3D打印的部件是層層堆疊起來的，致密性較低，與傳統(tǒng)切削加工相比，強度、硬度、抗剪性都較差。第二，材料限制，3D打印使用的材料單一，并且單一產(chǎn)品只能一次成型，不能疊加。如果產(chǎn)品材料不同，則需要分開打印然后再組裝加工，因此僅適用于造型復雜、小批量、高精度零部件的生產(chǎn)制造。

3 3D打印技術在礦山機械制造中的應用

3.1 提升礦山機械制造智能化程度

我國制造業(yè)大而不強，長期依賴廉價勞動力，資源消耗量大。

隨著人口紅利降低，環(huán)境問題日益突出，為提升我國制造業(yè)整體水平，國家提出“中國制造2025”總體戰(zhàn)略，推動勞動密集型產(chǎn)業(yè)向技術密集型轉(zhuǎn)型。

3D打印增材制造的特點，省去了礦山機械加工、熱處理、焊接等工藝過程，減少了對流水線上體力勞動者的需求，實現(xiàn)機器換人。

3.2 節(jié)約礦山機械制造成本

利用傳統(tǒng)制造工藝進行產(chǎn)品加工，需要首先根據(jù)產(chǎn)品原型進行數(shù)據(jù)測量，在礦山機械制造軟件中構建模型，并利用數(shù)控加工制作模具，最后根據(jù)模具加工與原型一樣的產(chǎn)品。

一個復雜零部件的生產(chǎn)，需要許多不同機床共同完成，固定資產(chǎn)投入大，最終的成品還有可能成為廢品，制造成本較高。

3D打印技術使用一臺3D打印機就可以制造出各種各樣的復雜零件，替代復雜的生產(chǎn)線，實現(xiàn)柔性化制造。同時智能控制產(chǎn)品質(zhì)量，減少廢品率，能有效提高生產(chǎn)效率，節(jié)約制造成本。

3.3 更新礦山機械設計理念

傳統(tǒng)的礦山機械設計周期較長，一個產(chǎn)品從構思到設計出模具需要較長的時間。從模具到加工為成品需要較長的生產(chǎn)線，多種設備一起運作，加工出數(shù)量眾多的小零件，生產(chǎn)過程復雜。

對技術人員操作水平要求較高，整個礦山機械產(chǎn)品的功能實現(xiàn)受零部件的精度和穩(wěn)定性影響較大。

3.4 3D打印技術在礦山機械制造中的發(fā)展

為推進3D打印技術在礦山機械制造中的發(fā)展，政府要加強統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和監(jiān)督管理，加快知識產(chǎn)權、3D打印危險器具等方面的立法。

建立完善的產(chǎn)業(yè)標準體系，制定3D打印制造工藝、裝備、材料、數(shù)據(jù)接口等行業(yè)及國家標準，建立技術評價和檢測認證體系，使工藝和產(chǎn)品規(guī)范化，淘汰落后產(chǎn)能。加大財稅支持力度，支持企業(yè)研發(fā)3D打印需要的金屬、非金屬、有機高分子、生物等增材制造材料，提高材料的強度、耐高溫等使用性能。

4 結語

3D打印技術以數(shù)字文件為模具，以新型粉末為材料，以3D打印設備為制造工具，用計算機傳輸指令，替代規(guī)模制造和復雜的生產(chǎn)線，直接加工各種產(chǎn)品，縮短產(chǎn)品設計和生產(chǎn)周期，同時提高材料利用率，實現(xiàn)綠色制造。3D打印技術的應用能顯著提升礦山機械制造的智能化程度，節(jié)約設計成本，更新設計理念，但其存在材料強度不足、選材單一、知識產(chǎn)權爭議等方面的問題。

參考文獻

[1]國務院.關于印發(fā)《中國制造2025》的通知[Z].國發(fā)[2015]28號,2015-05-08.

[2]工信部,發(fā)改委,財政部.國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）[Z].工信部聯(lián)裝[2015]53號,2015-2-11.

[3]扈恩同.3D打印技術在機械制造中的應用研究[J].世界有色金屬,2018(1)：42-43.