3D打印技術在機械設計制造領域中的應用

沈曉偉

摘? 要：隨著社會經(jīng)濟以及科技的發(fā)展，3D打印技術也逐漸被人們應用到制造業(yè)中，并表現(xiàn)出了極大的經(jīng)濟價值，以3D打印為代表的高端制造業(yè)的增加值不斷上升。3D打印技術的出現(xiàn)，也不斷促進了我國機械制造領域的發(fā)展。3D打印技術將電器、計算機以及光學等先進技術融為一體，也因為成影速度快且材料的利用率較高的特點，在機械制造業(yè)得到了廣泛利用和研究。該文將對3D打印技術在機械設計制造領域當中的應用進行研究。

關鍵詞：3D打印技術;機械設計;制造領域

中圖分類號：TH164? ? ? ? ?文獻標志碼：A

0 引言

目前，隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，機械制造業(yè)也在不斷進步，有很多企業(yè)都應用了3D打印技術，但是這項技術在我國機械制造領域當中被應用的時間并不長，而且在此期間，還出現(xiàn)了很多問題，甚至還限制了我國機械制造業(yè)的發(fā)展。所以，機械制造行業(yè)應當從源頭發(fā)現(xiàn)這些問題，這樣才能使3D打印技術發(fā)揮出自身最大的作用，從而推動我國機械設計制造領域的發(fā)展[1]。

1 3D打印技術的特點及原理

1.1 3D打印技術的特點

3D打印機之所以被稱為“3D”，是因為3D打印機的打印成果并不局限于文本，而是能將計算機內(nèi)所繪制的虛擬三維圖形轉變成具體的事物，所以3D打印技術是一項增材制造并快速成型的高科技技術。3D打印機不僅可以隨時進行生產(chǎn)，特別是在打印的零件非常小的情況下，能夠避免由于生產(chǎn)線啟動煩鎖而造成的成本浪費，而且3D打印技術的原理也決定了，在產(chǎn)品的制造過程中，是無法受到產(chǎn)品結構制約的，3D打印機可以制造出結構非常復雜的實體物品。這樣看來，3D打印技術和傳統(tǒng)的制造方法相比，不僅減少了材料的浪費，還降低了加工的成本[2]。

1.2 3D技術打印的原理

3D技術打印原理，主要分為3個步驟。1）需要在計算機內(nèi)設計出需要打印產(chǎn)品的三維電子模型的形狀和尺寸等。2）將3D打印機和計算機進行連接，3D打印機就會對已經(jīng)建立好的三維圖形數(shù)據(jù)信息進行分割。3） 將已經(jīng)分割好的平面信息由3D打印機自動按照打印路線進行逐層打印，最后成型。

2 3D打印技術的優(yōu)勢

在建造產(chǎn)品的過程中，3D打印技術能夠使得工廠在制造產(chǎn)品時，減少材料浪費，增加機械制造企業(yè)的經(jīng)濟效益。另外，3D打印技術還存在著很大的設計空間，所以機械制造行業(yè)能夠對這些技術不斷地進行創(chuàng)新，3D打印技術對空間的要求也比較小，所以這項技術能夠適應當前制造行業(yè)的各類環(huán)境。機械制造行業(yè)如果能夠普遍采取3D打印技術，那么就能夠通過這項技術來完成對批量制造零件的復制，不僅提高了工廠的制造效率，還減少了企業(yè)對人力物力的使用，3D技術還能處理產(chǎn)品制造過程中出現(xiàn)的治療缺陷問題，確保了產(chǎn)品的質量[3] ，為企業(yè)謀得了更多的經(jīng)濟效益。

3 3D打印技術的發(fā)展前景

3.1 材料的多樣化

圖1為2018年度3D打印材料價值量占比統(tǒng)計情況示意圖。就當前的統(tǒng)計來看，使用3D技術的制造業(yè)的所占份額還是少數(shù)的，其中最重要的一個原因就是受到打印材料的限制，3D打印材料從類型上具體可以分為金屬耗材、塑料耗材。目前金屬材料在3D打印技術行業(yè)中正在快速的擴張著，但是由于受到材料性能的限制，所以其主要用于模具的生產(chǎn)當中，但是金屬3D打印除了可以兼具無模化的定制優(yōu)勢以外，其打印效果和打印質量與傳統(tǒng)的工藝相比也有著明顯提升，因此3D打印技術具有更大的潛能。

3.2 技術的創(chuàng)新和應用范圍

材料的多樣化能夠推進3D打印技術的創(chuàng)新和發(fā)展，尤其是在產(chǎn)品的精度、產(chǎn)品的打印速度、產(chǎn)品種類以及3D打印機的智能化上。當前中國3D打印技術和國外相比，仍然存在著很大差距，由于3D打印機的技術研發(fā)水平不高，且市場應用不太廣泛、市場的銜接度較低，因此并不能產(chǎn)生比較大的經(jīng)濟效益，圖2為2013年～2017年度3D打印技術專利的申請數(shù)量統(tǒng)計示意圖。結合圖2數(shù)據(jù)可知，截止至2017年為止，我國3D打印技術專利的申請數(shù)量為9 809個。

在當前的建筑和醫(yī)學領域中，3D打印技術的應用還存在很大的局限性，甚至還有一些行業(yè)并未涉足此項技術的應用，隨著社會科學技術的發(fā)展，3D打印技術也會因為技術的改進和創(chuàng)新，普遍的應用到各個領域當中，使其發(fā)揮更大的作用，現(xiàn)階段有關3D打印行業(yè)應用領域的結構分布情況如圖3所示。

3.3 價格的控制

雖然3D打印節(jié)省了材料降低了加工成本，但是和傳統(tǒng)的方式相比較，現(xiàn)階段的3D打印機中，功能比較齊全且精度要求高的打印機，就本身的價格來說，對于一些規(guī)模非常小的企業(yè)來說還是比較昂貴的。隨著技術的發(fā)展和材料的不斷完善，3D打印機本身的制作成本也會降低很多，設備的價格也不再會是問題。

4? 3D打印技術對機械設計制造業(yè)的影響

4.1 推動機械制造業(yè)的創(chuàng)新和發(fā)展

3D打印技術能夠快速地將概念產(chǎn)品轉化成現(xiàn)實的產(chǎn)品，在這一過程中，還能對設計的產(chǎn)品進行修改和調(diào)整，從本質上改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品生產(chǎn)方式，推動了集中式生產(chǎn)的轉變，激發(fā)了機械制造業(yè)的創(chuàng)新能力。3D打印技術可以激發(fā)設計人員的創(chuàng)新意識，提高了產(chǎn)品更新的速度，縮短了產(chǎn)品的設計周期和設計成本，提升了機械制造企業(yè)的經(jīng)濟效益。

4.2 緩解機械制造業(yè)產(chǎn)能過剩的問題

產(chǎn)能過剩是我國當前傳統(tǒng)機械制造業(yè)中存在的普遍問題，由于產(chǎn)品的同質化非常嚴重，而且質量未達到出口標準，國內(nèi)一時又無法消化，不僅浪費了大量的資源，也影響了企業(yè)的資金流動。就目前的形式來看，機械制造技術如果可以迎合大眾的需求，利用3D打印技術實現(xiàn)定制化生產(chǎn)，根據(jù)客戶的需求進行生產(chǎn)，不僅生產(chǎn)周期短，而且效率還特別高。3D打印技術為機械產(chǎn)品的設計提供了便捷性，環(huán)保效益還特別顯著，有效地緩解了機械制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能過剩的問題。

5 3D打印技術在機械設計制造過程中的應用

5.1 加快機械產(chǎn)品的開發(fā)速度

產(chǎn)品質量在企業(yè)機械制造過程中極其重要，傳統(tǒng)的生產(chǎn)技術在對零件進行加工時，耗費了企業(yè)大量的人力及物力。就算是這樣，生產(chǎn)出來的零件在質量上也很有可能會出現(xiàn)問題。另外，企業(yè)通過傳統(tǒng)方式制造出的零件，在進入市場售賣前，是需要進行質量檢測的，如果產(chǎn)品出現(xiàn)了質量上的缺陷，那么就會被報廢，企業(yè)也會受到嚴重的經(jīng)濟損失，這也使得我國的機械制造領域的發(fā)展變得緩慢。因此，相關部門應當加大對3D打印技術的開發(fā)力度，促進我國企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量的提高，推動我國機械制造行業(yè)的發(fā)展。

5.2 轉變了傳統(tǒng)的設計理念

機械制造行業(yè)能夠利用3D打印技術制造產(chǎn)品，這樣不僅能夠保證產(chǎn)品的質量問題，而且還減少了企業(yè)在人力資源上的資金投入。另外在產(chǎn)品制造過程中使用3D打印技術，可以使加工的過程得到一定程度的簡化，有效提升了企業(yè)的經(jīng)濟效益。由于部分特殊零件的制作要求非常高，并且種類也較為復雜，不能大批量的生產(chǎn)，所以導致傳統(tǒng)的生產(chǎn)效率大幅度下降，如果采用3D打印技術對這些零件進行制造的話，不僅能夠使加工過程變得簡易化，還能使效率得到提高，產(chǎn)品的質量也能夠得到有效保證。

6 結語

為了使生產(chǎn)出來的零件能夠符合消費者對小部件的各方面要求，我們應當對機械制造行業(yè)的打印質量不斷地進行完善和提高，促進我國3D打印技術的發(fā)展，使其在機械制造領域能夠發(fā)揮最大的作用。

參考文獻

[1]郭小燕.3D打印技術在機械制造中的應用探討[J].南方農(nóng)機，2020，51（6）：199.

[2]戴巖.3D打印技術在機械制造中的應用研究[J].信息記錄材料，2019，20（10）：111-112.

[3]徐春榮.在機械制造領域中3D打印技術的應用探析[J].電子元器件與信息技術，2019，3（9）：82-84.