數控機床與3D打印一體化制造技術研究

姚層林

摘要：數控機床與3D打印一體化制造技術在加工生產時擁有各自不同的要求和特點，將二者結合在一起能夠更好的促進我國制造業發展。為此，文章在闡述數控機床與3D打印一體化制造技術內涵的基礎上，分析數控機床與3D打印一體化制造技術融合的必要性，并就如何打造數控機床與3D打印一體化制造技術相結合的產品制造方式進行探究，旨在能夠降低3D打印制造的難度，提高產品的制造速度。

Abstract： The integrated manufacturing technology of CNC machine tools and 3D printing has different requirements and characteristics in the processing and production. Combining the two together can better promote the development of China's manufacturing industry Therefore， this article expounds the connotation of the nc machine tools with 3 d printing integrated manufacturing technology， on the basis of analysis of nc machine tools and the necessity of integration of 3 d printing manufacture technology integration， and as building nc machine tools and integrated manufacturing technology with the combination of 3 d printing products manufacturing， to can reduce the difficulty of 3 d printing manufacture， improve the product manufacturing.

關鍵詞：數控機床;3D打印;?? ?切削;一體化;加工制造;工業化生產

Key words： CNC machine tool;3D printing;cutting;integration;processing and manufacturing;industrial production

中圖分類號：TG519.1?????????;???????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0206-02

0? 引言

從上個世紀八十年代開始，3D打印技術開始被人們關注，經過長時間的發展，衍生出了選擇性激光燒結、熔融沉積、分層實體制造、選擇性激光溶化成型等多個形式，被人們廣泛的應用到工業設計、模具加工制造、航空航天、醫療衛生等領域。當前，3D打印技術已經發展成為一種成本效益優良的技術形式。依托3D打印技術，在產品研發的初始階段就需要相關人員能夠獲取反饋信息，通過對這些信息的分析來及時發現問題，予以調整，最終不僅會節省零部件加工成本，而且還能夠縮短產品上市時間，提高產品生產效率。

從3D打印技術應用情況來看，僅僅依靠傳統的打印方式無法完成對產品的最終制造，也會加大打印難度。在制造業領域沿用的也是傳統切削加工方式，效率低下。將以數控機床為代表的的減材制造裝備技術和3D打印技術結合在一起會打造出彼此密切配合的產品制造方式，不僅會降低3D打印制造難度，而且還會提升產品的制造速度。

1? 數控機床與3D打印的概念分析

1.1 數控機床

數控機床是機電一體化生產設備，在推進我國零部件的自動化生產加工方面起到了十分重要的作用。在具體實施操作的時候數控機床會按照各個零部件的實際加工生產需求來編訂零部件的生產加工程序，而后將程序輸入到控制中心，在控制中心的指引下來操控設備的運行。

數控機床的加工本質是減材制造，通過對一系列原材料的切削處理會獲得最終的產品。為了保障加工的精準性，在零部件加工設計的時候會利用傳感器設備來對零部件 生產加工過程進行監督控制，根據實際情況來調節機械設備的運行軌跡，保障零部件加工的精準性、安全性、可靠性。

1.2 3D打印技術

3D打印技術在使用的時候改變了以往的加工制造方式，其增加使用的制造技術能夠對結構復雜的零部件進行加工。首先，借助計算機軟件依照三維立體模型的設計標準來完成切片分層處理，而后會將零件的3D形狀轉變為二維圖形。其次，根據加工要求按照一定的順序來完成二維圖形的填充，整合信息，后將信息導入到打印機控制系統，打印機控制系統會根據填充路徑處理填充材料，層級進行，最終會打造出三維實體工件。3D打印技術的應用本質是將各個打印材料分層堆積在一起，從而富有效率的完成零件加工。

2? 數控機床與3D打印的特點

2.1 應用優點

3D打印技術是增材制造形式，具備加工成型速度快、成本造價低廉、操作方便簡單的特點，被人們廣泛的應用在現代化生產加工中。和以往減材制造技術相比，3D打印技術擺脫了對刀具、夾具配套工具的使用，且在實施操作的時候能夠在這個加工工序之間靈活轉換。在生產不同零件時，只需要調用不同的文件即可。在產品研究周期上相對較短，只需要利用計算機軟件進行零件設計，然后即可投入使用，尤其是對于新品的研發試產具有重要意義，可大大減少減材制造的工序。

數控機床的加工形式為減材制造，在具體實施操作的時候會利用刀具、夾具等來對原材料進行切削處理，去除不必要的部分，最終制造成設計的形狀。數控機床技術雖然沒有3D打印神奇，但普通機床完成數控化改造后可大幅提高機床的加工效率和自動化、智能化程度，降低操作者接觸危險部位的可能性，減少操作者操作失誤現象發生的可能。機床經數控化改造后，安全性能得到明顯改善，事故率顯著降低，將帶來巨大的安全效益。

2.2 應用局限

在機床使用的過程中用在切除金屬的功率僅僅占據25%左右的比例，在去掉各個損耗和輔助功能占比的基礎上，材料的平均利用率比較低，在具體加工操作的時候有可能會浪費比較多的金屬材料。如果能夠將材料的綜合利用率提高10%左右的比例就能夠每年節省幾十萬噸的鋼材。但是從當前應用角度來看，3D打印技術的使用不夠完善，依托3D打印技術生產加工出來的產品距離理想化的產品會存在一定的差距。比如一些對強度要求較高的金屬零部件無法選擇使用3D打印模式，飛機引擎內部高性能的零部件無法使用這種方式進行加工。

3? 數控機床與3D打印一體化制造的必要性分析

數控機床與3D打印技術融合在一起使用能夠有效彌補各自的缺點，最終提升零部件的生產加工效率、質量。在復合機床生產設計中可以將數控加工中削減的材料進行二次處理，而后用在3D打印原材料上。同時，經過3D打印技術的零部件還能夠利用數控技術進行精細化加工，在兩種技術的配合使用下會提升零部件的生產加工效率。在工廠生產加工操作的時候還能夠實現物料的循環使用，由此在保障生產的同時提高資源利用率。依托數控機床與3D打印技術的復合機床操作更為簡單，操作人員在工作站就能夠完成整個加工操作，簡化流程，提高效率，降低成本。

4? 數控機床與3D打印技術在工業制造領域的應用

4.1 數控機床和3D打印一體化制造的基本理念

數控機床和3D打印一體化制造結合在一起能夠更好的提升產品的生產效率，最終加工出更高質量的產品。在采取傳統切削方式生產制造產品的基礎上，會通過數控機床技術來產品加工產生的粉末充分收集起來，而后將收集上來的金屬材料粉末直接導入到3D打印機中，最終生產出符合要求的產品。

4.2 數控機床和3D打印一體化制造加工方式

傳統意義層面上的制造工藝會牽扯到對原材料的切削、彎曲、鍛造等工序， 經過這一系列的操作工序能夠生產出更高質量的產品。

和傳統打印技術相比，3D打印技術彌補了以往打印技術尺寸小、精準度差、速度慢的問題，也使得3D打印技術開始朝著人們實際的生產、生活方向發展。在減材制造和增材制造融合基礎上人們研究出了“打印-加工”結合的新型3D打印模式，在這個打印模式的作用下會將產品的加工制造劃分為3D打印和數控加工兩個操作部分，在經過打印之后會預留出產品的一定加工余量，目的是為之后的切削加工提供支持。在打印加工之后會立即啟動數控加工系統，借助切削道具的方式來解決產品打印過程中的缺陷，使得被加工的零部件能夠滿足規范的設計和使用需求。

在產品打印的過程中，可以通過引入分級打印技術來提升打印速度，提高打印效率。在實施打印操作的時候首先要使用打印熔絲直徑比較小的打印噴頭，借助這個打印噴頭來對打印切片層外貌進行設計，而后根據實際情況在恰當的時機將其替換為熔絲直徑較大的打印噴頭。這樣的打印方式能夠有效保障打印產品的外部質量，縮短打印時間，提高打印效率。

在產品打印完成之后啟動數控加工功能，根據實際加工需要來選擇適合的切削工具、切削方式，從而恰如其分的通過切削的方式去除打印過程中產生的飛邊、拉絲缺陷。在實施打印操作的時候需要提前預留一定的余量，通過切削加工的方式來去除打印過程中產生的變形，降低打印難度。

為了能夠增進數控機床與3D打印技術融合使用的配合度，數控加工系統要具備以下特點：①數控加工以數控銑削為基礎。在以往的打印機上加入一套新的數控加工系統，以數控銑削裝置為基礎，通過配備完善的加工刀庫來滿足不同零部件的加工需要。②具備恰當工作位置的調整機構。在打印和切削操作中，為了減少運動干擾，需要在數控機床與3D打印技術融合使用的過程中引入一套工作位置調整機構，為打印工作的順利進行提供支持。

5? 結束語

綜上所述，在未來，數控機床和3D打印一體化制造會被應用到更多領域，但是從發展實際情況來看，一些地區在推廣數控機床和3D打印一體化制造的時候會出現資源浪費的問題，在推廣技術融合的過程中會消耗比較多的原料和能源。數控機床與3D打印技術融合的本質是增材制造和減材制造，在兩種技術的結合作用下會有效克服各自的生產局限，提高資源利用率，并在資源緊缺的社會背景下來更好的促進我國工業生產加工轉型，為我國工業強國的實現提供支持。通過對數控機床和3D打印一體化制造的研究我們可以預見未來裝備 制造生產加工的發展方向。數控機床和3D打印一體化制造加工方式能夠更好的促進未來裝備制造業的發展，在這種制造管理方式的作用下能夠提升產品的生產較高效率，降低產品的生產成本。這種一體化的制造方式打破了以往的減法式加工形式，通過減法和加法的配合能夠將削減下來的材料重新生產加工，這樣的加工方法不僅節省了原材料、能源，而且還能夠減少產品加工對周圍環境的破壞。由此可以見得，數控機床和3D打印一體化制造是一種理想型的綠色加工形式。數控機床與3D打印技術的聯合使用仍然會面臨比較多的挑戰，需要研發人員積極思考、不斷優化，從而使得一體化制造技術更為成熟，加工制造業的發展也更加順暢。

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