3D 打印技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用探究

卞晨

（安徽省春谷3D 打印智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，安徽 蕪湖 241200）

社會經(jīng)濟新常態(tài)背景下，機械制造已經(jīng)進入成熟期，整體需求趨于飽和，市場處于供大于求的狀態(tài)。此種情況下，企業(yè)方面依舊保持傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，規(guī)模化生產(chǎn)，勢必會造成產(chǎn)能過剩，而產(chǎn)能過剩會拖累企業(yè)，導(dǎo)致企業(yè)現(xiàn)金流日漸減少，無法應(yīng)對當前全球經(jīng)濟下行狀況，致使企業(yè)發(fā)展狀況不佳。3D 打印技術(shù)為企業(yè)提供了良好的思路，精準引用該項技術(shù)，創(chuàng)新機械制造工作模式，解決企業(yè)產(chǎn)能過剩問題，也促使企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品向精品化、定制化、個性化轉(zhuǎn)變，更好地滿足客戶需求，帶動企業(yè)以及整個機械制造行業(yè)的良好發(fā)展。

1 3D 打印技術(shù)的概述

3D 打印技術(shù)又被稱為增材制造技術(shù)，它是一種迅速成型的技術(shù)手段。在具體應(yīng)用的過程中，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)建3D 數(shù)字模型，之后將3D 實體模型切割成多個平面圖，利用粉狀且不可黏合的原料進行逐層打印。簡單來講，3D 打印技術(shù)就是將不同材料打印成薄層，之后逐層積累，形成三維立體物品。隨著科學技術(shù)的蓬勃發(fā)展，近年來，3D 打印技術(shù)種類較多，并且不同種類的3D 打印技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢不盡相同，能夠滿足不同機械制造需求，大大提高機械制造水平。比如，熔融沉積成型技術(shù)，即為FDM 加工工藝；選擇性激光燒結(jié)技術(shù)，即為SLS 加工工藝；立體光固化技術(shù)，即為SLA 加工工藝等等。但無論何種3D 打印技術(shù)的應(yīng)用，都是從創(chuàng)建數(shù)字模型開始的，相關(guān)工作人員可以利用專業(yè)的應(yīng)用軟件進行數(shù)字模型創(chuàng)建，抑或掃描成型，也就是逆求工程。

3D 打印技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵是離散變量和堆積構(gòu)思，也就是先利用CAD 系統(tǒng)進行數(shù)字模型創(chuàng)建，可利用UG、SolidWorks 等；之后對數(shù)字模型予以切片，也就是將數(shù)字模型求微積分獲得每個輪廓面的形態(tài)，之后將數(shù)字模型導(dǎo)出來，3D 打印機能夠識別電子器件格式文件；再對零部件進行逐級打印，也就是進行積分，如此即可實現(xiàn)從模擬到現(xiàn)實的轉(zhuǎn)換。

增材技術(shù)就是運用可黏合材料，比如，粉末金屬、塑料等，基于離散累加的原理，通過層層疊加的技術(shù)，將特定的三維坐標下的模型切片生成真實物體。該項技術(shù)之所以具有較高應(yīng)用價值，主要是多學科理論及技術(shù)的支持，比如，數(shù)學建模、數(shù)學分析方法、圖像處理與仿真技術(shù)、機電技術(shù)等等?？偨Y(jié)性分析以往3D 打印技術(shù)尤其是在機械制造行業(yè)中應(yīng)用較廣的SLS 技術(shù)的操作實際情況，雖然其優(yōu)勢明顯，但同時其局限性也比較明顯，也就是在對金屬粉末材料進行成型處理的過程中，容易出現(xiàn)材料堆疊控制問題，造成此問題產(chǎn)生的根本原因是在堆疊的過程中金屬材料容易發(fā)生氧化反應(yīng)，易形成裂紋、氣孔等缺陷，導(dǎo)致實物的質(zhì)量降低、性能下降；堆積層厚度也不易掌握，可能出現(xiàn)堆積層過厚的情況，導(dǎo)致實物表面不夠光滑，精度降低，難以滿足緊密零件制造要求。為此，研究分析激光器功率、掃描方式等工藝參數(shù)對金屬3D 打印的質(zhì)量的影響，開發(fā)適用于激光燒結(jié)的高質(zhì)量專用金屬材料，以提高打印件質(zhì)量和精度，已成為增材制造技術(shù)的研究熱點。

2 3D 打印技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 改善機械制造產(chǎn)能過剩情況

對近年來，我國機械制造領(lǐng)域發(fā)展的實際情況予以了解，其已經(jīng)進入成熟期，市場上產(chǎn)品需求趨于飽和，而部分企業(yè)并沒有準確把握市場供需關(guān)系，加之傳統(tǒng)加工工藝應(yīng)用下產(chǎn)品生產(chǎn)周期較長，為了滿足實際供應(yīng)，企業(yè)方面往往會擴大生產(chǎn)，進而出現(xiàn)供大于求的局面，致使企業(yè)方面存在產(chǎn)能過剩的問題，資金流難以回籠，無法拓展新業(yè)務(wù)或者應(yīng)對突發(fā)狀況，導(dǎo)致企業(yè)發(fā)展存在一定的不確定性，發(fā)展局勢不佳。而將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于機械制造中，用以部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工工藝，可縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期。此種情況下，企業(yè)方面可在接收到客戶訂單的情況下，根據(jù)客戶的實際需求，利用3D 打印設(shè)備進行個性化產(chǎn)品生產(chǎn)加工，如此不僅可以滿足客戶的需求，還可以顯著改善機械制造產(chǎn)能過剩的局面，促使企業(yè)輕庫存，擁有較多的資金流，合理分配和應(yīng)用資金，創(chuàng)造更大的價值，為本企業(yè)創(chuàng)造發(fā)展機遇，促進本企業(yè)持續(xù)且良好地發(fā)展。

2.2 節(jié)約機械制造空間，降本增效

回顧分析以往機械制造過程，要想完成高質(zhì)量的產(chǎn)品生產(chǎn)，需要配備大型的機械設(shè)備，并且運用專用型磨具，這就需要制造企業(yè)創(chuàng)設(shè)較大的生產(chǎn)場地，創(chuàng)造較大的生產(chǎn)空間，方便加工工藝操作可以順利展開，這也自然而然地提高了產(chǎn)品生產(chǎn)成本，壓縮了產(chǎn)品的利潤空間，難以實現(xiàn)利潤最大化的目標。而將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于機械制造中，可以改變以往生產(chǎn)加工局面，所安裝應(yīng)用的3D 打印設(shè)備體積較小，對生產(chǎn)空間要求較低；又因為在3D 打印技術(shù)的支持下，企業(yè)易在產(chǎn)品設(shè)計階段評估設(shè)計方案是否可行，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案存在的缺陷或不足，予以優(yōu)化調(diào)整，進而按照可行的、有效的設(shè)計方案進行產(chǎn)品加工生產(chǎn)，保障產(chǎn)品質(zhì)量、功能等方面均符合相關(guān)規(guī)范要求，具有較高的應(yīng)用效率，避免返工處理，如此即可降低生產(chǎn)成本，即降本增效。

2.3 提高機械制造整體水平

回顧分析以往機械制造實際情況，常用的機械加工方法為車削加工和銑削加工等，加工工藝比較煩瑣，需要消耗較長時間。而3D 打印技術(shù)應(yīng)用于機械制造領(lǐng)域中，可彌補傳統(tǒng)加工工藝的不足，利用計算機建模技術(shù)進行高難度設(shè)計建模，之后進行生產(chǎn)加工，可大大縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，甚至幾個小時內(nèi)即可完成，如此大大提高了機械制造的工作效率。

3 3D 打印技術(shù)對機械制造領(lǐng)域的影響

無論是從理論還是從實踐的角度來講，3D 打印技術(shù)具有較高的應(yīng)用價值，將其科學合理地應(yīng)用于機械制造領(lǐng)域，可發(fā)揮積極影響，進一步提高機械制造水平，促進該領(lǐng)域發(fā)展朝著現(xiàn)代化方向邁進。具體而言，3D 打印技術(shù)對機械制造領(lǐng)域的影響表現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 優(yōu)化調(diào)整機械制造領(lǐng)域的格局

我國進入新的歷史時期，國際國內(nèi)局勢嚴峻、市場環(huán)境波動較大、社會環(huán)境復(fù)雜多變，這均給機械制造領(lǐng)域帶來較大沖擊和影響，比如，規(guī)?；⒔y(tǒng)一化產(chǎn)品需求縮減，個性化產(chǎn)品需求加大。此種情況下，制造企業(yè)依舊應(yīng)用傳統(tǒng)加工工藝，展開規(guī)?；漠a(chǎn)品生產(chǎn)，產(chǎn)品銷售量銳減，企業(yè)產(chǎn)能過剩，會拖累企業(yè)，一旦市場局勢變化或政策調(diào)整等情況發(fā)生，那么企業(yè)難以應(yīng)對突發(fā)情況，其未來發(fā)展堪憂。而將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于機械制造中，既可以支持產(chǎn)品試樣驗證，也能滿足客戶個性化需求，促使企業(yè)始終保持良好的運行狀態(tài)，進而帶動整個機械制造行業(yè)進步，有利于實現(xiàn)持續(xù)、健康發(fā)展目標。所以，從這方面來講，高度重視并且積極引用3D打印技術(shù)，可促進機械制造領(lǐng)域的格局優(yōu)化調(diào)整。

3.2 推動機械制造領(lǐng)域創(chuàng)新

無論是對于一個國家還是對于一個行業(yè)、一個企業(yè)而言，“創(chuàng)新”永遠是原動力。而據(jù)不完全統(tǒng)計，機械制造領(lǐng)域長期保持某一發(fā)展局面，并沒有更進一步的發(fā)展，這不僅不利于行業(yè)可持續(xù)發(fā)展，還會難以有效支持國民經(jīng)濟發(fā)展。經(jīng)進一步分析，造成機械制造領(lǐng)域停滯不前的根本原因是創(chuàng)新不足，也就是企業(yè)方面技術(shù)創(chuàng)新不足或者技術(shù)應(yīng)用狀況不佳。隨著我國科學技術(shù)的蓬勃發(fā)展，將3D 打印技術(shù)引入機械制造領(lǐng)域，可部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)加工工藝，促進機械制造創(chuàng)新，一方面，可以解決以往機械制造存在的難題；另一方面，能夠改變整個領(lǐng)域局面，助力機械制造企業(yè)及整個領(lǐng)域持續(xù)健康的發(fā)展。

3.3 提高機械制造智能化水平

科學技術(shù)蓬勃發(fā)展的背景下，我國社會發(fā)展方向悄然發(fā)生變化，逐漸朝著現(xiàn)代化、智能化的方向邁進。這就使得機械制造領(lǐng)域遭受較大的沖擊和影響。將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于機械制造工作中，可充分利用計算機各類智能軟件程序以對機械產(chǎn)品進行數(shù)字化設(shè)計及定型打印，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。機械制造行業(yè)因3D 打印技術(shù)的支持，勢必實現(xiàn)智能化制造生產(chǎn)的轉(zhuǎn)型升級，更科學高效地生產(chǎn)符合人們需求的機械產(chǎn)品。

4 3D 打印技術(shù)在機械制造中的應(yīng)用

4.1 3D 打印技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的結(jié)合

總結(jié)性分析3D 打印技術(shù)實際應(yīng)用情況，其對技術(shù)人員的專業(yè)水平要求較高，對設(shè)備使用性能要求不是很高。為了提高3D 打印技術(shù)的應(yīng)用效果，還應(yīng)當與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合。數(shù)控技術(shù)是一種材料還原技術(shù)，將該項技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品生產(chǎn)中，在最終產(chǎn)品成型后對其進行不斷還原，提高其整體品質(zhì)。產(chǎn)品生產(chǎn)制造中，增材技術(shù)與減材技術(shù)融合應(yīng)用，可為批量生產(chǎn)產(chǎn)品提供標準的原始數(shù)據(jù)，既可以優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)方案，又可以提高生產(chǎn)效率。

4.2 創(chuàng)新行業(yè)布局方面的應(yīng)用

對以往機械制造中傳統(tǒng)加工工藝應(yīng)用實際情況予以了解和分析，不難發(fā)現(xiàn)，基本要素較多，并且每個基本要素都會影響機械制造工作，需要綜合把控各個要素，才能夠進一步提高機械制造的整體水準。但事實上很難做到這一點，主要是存在諸多限制條件，比如，提供的生產(chǎn)資金有限等。為了改變此種局面，應(yīng)當將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于創(chuàng)新行業(yè)布局中，也就是順應(yīng)時代發(fā)展潮流，分析機械制造領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢，結(jié)合企業(yè)的資源，對機械設(shè)備制造工作予以創(chuàng)新布局，就需要深入了解企業(yè)內(nèi)部實際情況，包括人力資源、部門設(shè)置情況、人力資源配備情況及業(yè)務(wù)推進情況等，綜合考慮，優(yōu)化調(diào)整，提高企業(yè)內(nèi)部控制的整體水平，可以科學合理地配置和利用資源，支持機械設(shè)備制造工作創(chuàng)新。為了促使3D打印技術(shù)可以深度融合在機械設(shè)備制造工作創(chuàng)新中，應(yīng)當堅持與時俱進的技術(shù)理念，科學合理制定工作流程，以便充分發(fā)揮3D 打印的技術(shù)優(yōu)勢，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，保證所生產(chǎn)的產(chǎn)品滿足客戶需求，逐步擴大市場占有率，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益。

4.3 汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用

3D 打印技術(shù)應(yīng)用于汽車領(lǐng)域中，對于汽車產(chǎn)品生產(chǎn)制造有積極的促進作用，可以進一步提高汽車的產(chǎn)品質(zhì)量。當然，要想保障3D 打印技術(shù)的作用充分發(fā)揮，需要相關(guān)工作人員明確3D 打印技術(shù)應(yīng)用流程，規(guī)范合理地展開汽車產(chǎn)品制造。具體做法如下。

（1）智能化建模。通常情況下，汽車領(lǐng)域生產(chǎn)制造包括實體線建模和斜面建模。前者更適用于標準外形的零部件生產(chǎn)，后者更適合結(jié)構(gòu)復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)。為了保障建模標準，應(yīng)使用的是Pro/E、SolidWorks、UG 等繪圖工具，對具體需要3D 打印的汽車零部件如某型號規(guī)格的輪轂開展3D 造型設(shè)計制作，及三維設(shè)計效果圖渲染，導(dǎo)出為Stl 文件格式。（2）切片解決。通過切片軟件對數(shù)字模型按照某※一軸方向進行離散處理，獲得二維平面數(shù)據(jù)，利用3D打印機來打印每一層。這一過程中，需要科學合理地設(shè)置層厚、激光功率、掃描速度等參數(shù)，提高數(shù)據(jù)分層的品質(zhì)，也即對STL 模型進行擬合切片。

（3）產(chǎn)品打印。打印成型是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，為避免出現(xiàn)錯誤，應(yīng)當選擇適合的成型技術(shù)及配套設(shè)備，根據(jù)金屬3D 打印機的配置，合理調(diào)節(jié)機器打印工藝參數(shù)，進而對鋁合金型材予以3D 打印。

5 結(jié)語

綜上所述，新時代背景下，機械制造中傳統(tǒng)機械加工工藝的弊端逐漸暴露出來，難以滿足當前及未來越來越定制化、個性化的生產(chǎn)需求。此種情況下，為了提高產(chǎn)品生產(chǎn)水平，滿足市場需求，也為了促進機械制造領(lǐng)域持續(xù)健康的發(fā)展，應(yīng)利用3D 打印技術(shù)部分代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械加工工藝，準確把握其應(yīng)用原理，明確其工作流程，將其有效地應(yīng)用于創(chuàng)新行業(yè)布局中、汽車領(lǐng)域以及與數(shù)控技術(shù)結(jié)合應(yīng)用領(lǐng)域等，可創(chuàng)造更大的價值。所以，無論是從理論還是從實踐的角度來講，新時代背景下，機械制造領(lǐng)域中高度重視并且有效應(yīng)用3D 打印技術(shù)都是非常有意義的。