現代數字化加工技術的問題探討與增減材制造能力數據分析

劉宏發，姜淑鳳，高福生，賈瑞超，王俊峰，宋淑芳

（齊齊哈爾大學，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

加工制造技術伴隨著人類生產力的發展到現代，主要經歷了等材制造、減材制造、增材制造、智能制造這樣的四個主要技術發展歷程。

1 減材制造

1.1 概念簡述

減材制造是相對于增材制造而創造的一種叫法。從最初的手工切削到機械加工，都伴隨著人力的參與，而發展到計算機的問世，現代化的減材制造方法——數控加工才逐步成型。數控加工主要以加工金屬零件為主。數控加工是計算機代碼和數控機床的結合應用。機床加工零件的運行和結束動作都受程序長短以及結束代碼的直接控制。

1.2 當前我國數控加工的發展現狀

近年，我國數控加工技術已經能夠自給自足。已漸漸追趕上第一梯隊，其中臥式車削中心和車銑復合中心，在自主研發以及和國外企業進行合資的情況下，發展最為迅猛。但例如臥式車銑復合加工中心、帶Y軸或C軸的臥式車削中心、雙主軸臥式車削中心和高精度臥式車削中心，現在主要還是以進口為主[2]。

國產立式、臥式加工中心發展迅速，已經使其能夠滿足國內廠家的生產需求，成為國產廠商的首選，在部分特定行業已能滿足產業需求。例如發電、冶金、礦采領域，國產的數控重型金切機床因價格低廉，功能、技術相對完備，已漸漸取代了進口機床。未來該類加工中心的發展趨勢應該將重點放在提高產品的質量，以及加強售前和售后服務上。

一些依賴于尖端技術的加工中心，譬如高精度（亞微米級和納米級）加工中心發展緩慢，滿足不了國內消費者的需求涉及到高度自動化、高精度要求的機床時，企業選購主要還是以進口機床為主[3]。

在2009年，進口機床仍高達59億美元，其中金切機床45.6億美元，金屬成形機床13.4億美元[4]。2018年，根據中國海關、華經產業研究院整理的資料可知，我國的數控機床進口金額約為33.8億美元，較十年前，進口金額已大幅下降。因此，在數控加工領域，國產機床想要得到市場用戶的普遍認可，還有很長的路要走。

2 增材制造

2.1 增材制造簡述

增材制造興起于20世紀90年代，技術相對薄弱。但由于它能彌補減材制造方法中的復雜曲面產品制造困難、材料利用率低下、自動化程度不高的缺陷，已漸漸成為當今制造業研究發展的主流[5]。

3D打印制造，是一種將打印材料疊加加工成產品實體的制造方法。其制造原理是將生產產品從復雜的三維空間形態轉換成相對簡單的二維截面，然后運用擠壓、熱塑、熔融等復合技術堆疊成三維形態。

我國的李軒等學者將3D打印技術大體分為五大類。目前國際上對3D打印的分類根據國際ISO/ASTM52900:2015標準大體分為黏結劑噴射、定向能量沉積、材料擠出、材料噴射、粉末床熔融、薄材疊層和立體光固化七大類[6]。

增材制造是也被經常看作是第三次工業革命的代表。它能運用不同材料，如塑料、木材、陶瓷、金屬石墨烯等制造各類產品，例如：人體植入體（義肢、假牙），醫療康復器材，生活日用品，甚至航空航天用品等，如圖1所示。

圖1 3D打印產品

從等材制造、減材制造到增材制造的一步步發展，不是逐步迭代淘汰的過程，而是科技的使然，是相互取長補短的進步。

2.2 目前國內的3D打印發展狀況

我國2016年才成立了全國增材制造標準化技術委員會(SAC/TC562)，科技部也將其增添納入《國家高技術研究發展計劃（863計劃）》當中，大力支持3D打印技術的發展。陳為平等[7]歸納總結了近十年全球市場，如圖2所示。從圖中可看出，從2010年的接近15億美元增長到近兩年的75億美元左右，3D打印的市場規模翻了接近五倍，但還遠遠未達到飽和狀況，當前仍處在一個飛速發展的階段，發展前景一片大好。而中國的市場規模從最初的0.7億美元暴漲到16.6億美元，翻了十五倍多，市場份額不斷上升，規模急速增大。

圖2 近十年3D打印的市場規模

2.3 3D打印技術的發展成熟度與其專利數量息息相關

圖3 國內有關3D打印專利的分布區域

根據鄧丹等[8]整理的我國2015年之前各個地區關于3D打印技術申請專利分布，統計了當前我國“3D打印”專利的區域分布如圖3所示。占比最高的區域為東部沿海地區，以廣東、江蘇、上海、浙江四個地區為代表，接近46.74%，比重接近全國數一半。單一專利占比最高的地區為北京，有11.22%。

由此可見，經濟水平越高的地區，對新興技術的包容度越高，擁有3D打印技術專利越多的地區，發展越為領先，對該領域也越重視，發展前景也最為突出。

2.4 我國3D打印存在的問題及解決方法

（1）阻撓我國3D打印技術發展的主要是商用打印材料發展緩慢，大步落后于發展迅猛的打印技術，這也是困擾全球3D打印行業的主要問題。

（2）國內3D應用領域不多，價格昂貴。

（3）我國3D打印行業專利、知識產權的管理不規范。某一尖端領域，某一項技術在最早研發出來的情況下，由于未申請專利保護導致他國盜取該項技術甚至誣告我國盜取其技術。為此，我們應該逐步完善該方面的保護法律。

因此，要想3D打印機大規模普及，需要突破打印機的零件制造技術限制，拉低成本，增加相關技術的知識產權保護。

3 制造技術的未來方向淺析

近些年來，隨著現代數字化加工與設計技術的不斷提高，促進了相關制造產品的豐富，但也暴露了許多問題。主要未來發展方向淺析如下：

（1）在減材制造的機床加工領域。主要提高加工機床的自動化程度。因此，智能機床的研究與應用是未來的主要發展方向，包括研究智能機床的關鍵技術，復雜型面件數字化加工的工藝流程，曲面件數字化加工刀具軌跡規劃等問題。

（2）而在增材制造行業。完善3D打印機的成本控制，打印材料的多元化、廉價化，操作過程的簡單化，三維設計的軟件的便捷性，3D打印路徑的優化，增材制造技術發展的地區差異縮小等等，這將是增材制造技術未來發展的研究領域。

（3）增減材制造技術協同一體加工技術的發展將是未來的強勢生產技術。以數控加工和3D打印為主的復合加工技術研究領域的發展，原理是先運用3D打印機的二維截面打印拼接成三維實體，然后在此基礎上利用數控機床的銑、削、磨、鉆等技術進行精確加工，最終一體成型。

4 結語

制造方法的演變是伴隨著科技的發展而不斷進步的，基于增減材制造的復合加工機床的研究與應用，如何能夠提高工件加工的效率，研發更好的材質，智能算法適應復雜型面件的復合材料的加工需要，節省成本，都是數字化加工技術的發展需要。思考如何發展基于結合各類生產方式優勢的復合加工技術，才能使制造行業未來的發展更好地為人類的文明進步服務。