論3D打印技術在機械自動化中的應用

丁 祎，宋欣鋼，劉海娜

(1.黃河交通學院 機電工程學院，河南 焦作 454950；2.河南省智能制造技術與裝備工程技術研究中心，河南 焦作 454950；3.焦作市物料輸送設備關鍵件制造工藝與裝備工程技術中心，河南 焦作 454950)

0 引言

機械制造業作為國家綜合實力的集中體現，是國民經濟不可或缺的部分。隨著時代的不斷發展，機械生產制造模式從傳統的以人工為主逐漸發展為當前以機械自動化為主。3D打印技術作為快速成型技術(又稱增材制造技術)，相對于傳統機械制造工藝有著非常明顯的優勢。目前，3D打印技術在機械自動化行業之中已經得到了廣泛的應用，前景良好，但也存在諸多局限性，需要做好對應的處理與推廣工作。

1 3D打印技術原理及方法

3D打印技術主要是利用電子熔結、打印、激光燒結等技術，在最短時間內完成單個零件或者整個產品的設計與制造。如，基于CAD軟件建立數字模型，通過3D打印機讀取數字模型指令，然后打印產品。3D打印機是3D打印技術最為重要的實施載體，能夠達到600 dpI分辨率，而層間厚度只有0.01 mm，相對于傳統打印機打印效果更好。對于傳統的產品加工，3D打印技術打破材料切割、組裝等方式的局限，有效節約材料和制造時間。在過去，金屬零件大多通過切削工藝進行加工和制造，在處理加工材料的過程中出現大量材料不能有效利用的問題，浪費資源。雖然運用3D打印技術制造的產品傳統制造效果差異不大，但使用3D打印技術能夠滿足原材料結余需求。另外，傳統基于統一化、標準化的產品流水線生產方式逐漸朝著定制化、個性化的方向發展，利用3D打印機可以制造個性化的產品，不需進行大規模生產，不需投入太多生產施工人員和存儲倉庫，并且基于用戶服務網絡、制造資源網絡、市場銷售等途徑快速構建模型，很好地滿足持久、高效的機械生產需求。

2 3D打印技術對于機械制造自動化的影響

機械制造的復雜性偏高，尤其是在開展機械設計工作時需要綜合考慮人力資源、機械價格等因素，如在加工復雜零件時要綜合考慮零件結構的合理性、人力運用、設備使用等眾多因素。在機械自動化生產領域，應用3D打印技術可以解決傳統生產過程中的很多問題。利用3D打印技術通過打印機快速制造設計以及圖紙的相關產品。3D打印技術能夠嚴格控制誤差，最大限度滿足加工的平穩性和精度要求。在傳統的機械設計過程中，因為涉及到大量零散的機械零件，設計過程十分繁瑣，而對于3D打印技術而言，相關設計人員要注意分析各個零散機械部件的結構形式，盡可能地進行整合設計，利用3D打印技術簡化加工流程。相對于傳統的自動化加工，使用3D打印技術的效果更加理想，誤差控制水準更高，大大提升機械產品精度[1]。

3 3D 打印技術在機械制造自動化的應用

3.1 機械制造類學科教學

中國是機械制造大國，機械制造基礎非常雄厚，而且機械制造的從業者以及專業領域的探索者、學習者隊伍十分龐大。現階段的機械制造類專業教學使用的現代化方式之一就是互聯網和多媒體的模式，然而只限制在理論教學上。針對較為復雜的零部件及精密機械設備，只有虛擬的視頻或圖片是難以為學生詳細呈現和講解的。3D打印技術則能根據實物圖便捷、精確地將各種各樣的機械模型打印出來，這樣的機械模型能夠成為機械制造類專業教師良好的教具，讓學生更直接地觀察，產生直觀印象，加深知識理解。不過當下這一輔助教學方式尚未大范圍應用和推廣，制約因素主要體現在兩個方面：一個是機械制造類專業教師相對比較熟悉三維建模軟件，可以利用相關軟件有效地制作三維實體圖并標注，再利用3D打印機進行實體模型的制作；另一個是應用范圍受限，在機械制造類專業學科教學中使用的3D打印機無法量產，即便是專業教學模型也缺少大的市場空間。所以3D打印技術在機械制造類專業教學中的輔助應用還需要進一步探索。

3.2 機械制造科學研究

開展機械制造領域的科學研究工作是生產力得以提升的重要方式，加大工業科學研究力度是科學工作者的責任和使命。3D打印技術是很重要的一項科技成果，應在科學研究中得到廣泛的應用。針對機械制造科學研究，應用3D打印技術能夠大大簡化建模流程，幫助研發人員節省更多時間，通過打印實物模型把握工作進度，使科研產品的市場化推廣效率更高。

3.3 修復復雜的設備

在機械制造技術的研究與發展中，工業設備越來越復雜。機械設備零部件關系復雜直接影響著設備的整體運轉，一旦部分零件損壞，維修難度較大。一些研究者運用3D打印技術手段創新激光成形修復技術。3D激光成形修復技術通過優化修復技術的成形部分，提升修復技術的先進性，并且這一技術使三維成形技術、表面強化技術融合在一起，修復復雜的機械設備時不再單純使用同種材料。所以3D成形修復技術使機械設備維修工作效率有了一定的提升，讓機械設備的運轉更加高效，提高工業生產效率。考慮到機械設備類型多樣，運行也較為復雜，目前市場上還沒有針對特定零部件和設備的3D成形修復技術，3D激光成形修復技術也處于研究開發階段，其實際應用和推廣還需要時間。

3.4 快速制造機械模型

機械設備的體型往往較大，運往不同地區時不僅成本較高，還容易損壞。如果在產品展示交流環節使用機械模型，就能在充分展示機械設備特征的同時節省運輸成本。在3D打印技術進入市場推廣以前，制作機械模型是對其經濟價值最顯著的體現，也最容易實現。在構建機械模式的過程中，3D打印技術不僅可以縮小體型龐大的、結構復雜的機械設備產品進行展示、運輸，還能放大體型較小、結構精密的復雜零部件，方便人們觀察、學習。

4 3D打印技術在機械自動化中應用的實例分析

SLS 3D打印技術應用較為廣泛，SLS 3D打印技術的優點是非常明顯的。第一，成型材料廣泛。理論上講，加熱之后原子之間可以粘結的粉末材料都可以作為成型材料。第二，材料使用率較高，可以重復使用沒有燒結的粉末，避免浪費材料。第三，可以打印任何復雜結構，如空心結構、鏤空結構等。第四，不需要支撐結構，進一步降低前期模型處理難度。第五，可以持續改善加工材料的種類，小批量生產的優勢尤為明顯。第六，SIS工藝力學性能良好[3]。

因為SLS工藝本身擁有大尺寸零件生成能力，同時生產產品機械性能良好，在裝車試制之中非常適用。具體見圖1所示的汽車內飾中SLS 3D打印工藝的使用，整個儀表盤零件長2 m、高70 cm、寬55 cm，通過SLS打印20多種零部件，再配合包膠、打磨、噴漆等后續處理工藝，實際誤差值不超過1 mm。并且細節考究、工作精湛，在一周內就可以完成整體制作。相對于傳統工藝，使用SLS工藝節約了80%的研發周期，同時節約了45%的制作成本、66%的人工成本。

圖1 汽車內飾中SLS工藝的使用

5 結語

基于科學技術的發展，工業生產機械化水平得到極大的提升，能夠更加便捷地應用打印技術。在優化機械制造工藝的過程中，結合3D打印技術，機械自動化領域生產制造技術的先進性、精確度等都實現了明顯的提高。因此，3D打印技術已經得到很多關注和重視，也成為制造業今后應用和發展的主要方向，希望通過本文的分析與研究能夠對3D打印技術有更全面的認識與了解，使3D打印技術在機械自動化之中得到更廣泛的應用。