3D打印技術(shù)與CNC技術(shù)未來的關(guān)系走向

王龍威

摘 要 3D 打印技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式是一次重大變革，它具有CNC技術(shù)所不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但不能由此認(rèn)為3D 打印技術(shù)可以替代CNC技術(shù)。從中期來看，3D打印技術(shù)可以作為CNC技術(shù)的有益補(bǔ)充，二者共同推動(dòng)制造業(yè)的進(jìn)步。

關(guān)鍵詞 3D打印技術(shù) CNC技術(shù) 技術(shù)變革與發(fā)展

中圖分類號(hào)：TH164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkz.2017.03.066

3D Printing Technology and Future Relations with CNC Technology

WANG Longwei

（School of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology，

Qingdao， Shandong 266590）

Abstract Compared to the traditional mode of production， 3D printing technology is a major change， it has CNC technology incomparable advantages， but it does not believe that 3D printing technology can replace CNC technology. In the medium term， 3D printing technology can be used as a useful complement to the CNC technology， the two jointly promote the progress of the manufacturing industry.

Keywords 3D printing technology； CNC technology； technological change and development

1 3D打印技術(shù)與CNC技術(shù)的概況

快速成型技術(shù)中的3D打印，是用金屬或塑料等粉末材料，通過降維打印的方式來制造物體的技術(shù)。該技術(shù)流程可以簡(jiǎn)略地概括為：首先用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)所需要的產(chǎn)品進(jìn)行立體式設(shè)計(jì)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的樣式，通過特定的設(shè)備用一定的材料 “打印”出產(chǎn)品。

CNC是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床的簡(jiǎn)稱，其工作原理為：把計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床，從而使機(jī)床智能化，使其按照編制的程序進(jìn)行工作，通過刀具切削等把毛坯材料加工成所需要的產(chǎn)品。

2 3D打印技術(shù)與CNC技術(shù)的主要區(qū)別

3D打印技術(shù)的主要特征是“增材制造”，而CNC技術(shù)的主要特征則是“去除型”制造。具體來說就是，CNC技術(shù)生產(chǎn)產(chǎn)品一般是在已有原材料基礎(chǔ)上，通過對(duì)原材料進(jìn)行切割、磨削、腐蝕、熔融等，去除多余部分，得到零部件，再對(duì)其進(jìn)行拼裝和焊接等，最后組合成最終產(chǎn)品；而 3D打印技術(shù)則是“增材制造”，它不像CNC那樣需要原胚和模具，而是根據(jù)計(jì)算機(jī)輔助制圖得到的數(shù)據(jù)，通過增加材料的方法直接生成各類物體。

3 3D打印技術(shù)與CNC技術(shù)兩者的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 3D打印技術(shù)現(xiàn)狀

3D打印在現(xiàn)階段的生產(chǎn)規(guī)模還不是很大。事實(shí)上，二三十年前，3D打印技術(shù)已經(jīng)能夠使用樹脂或塑料等材料生產(chǎn)產(chǎn)品。近年來，可用于3D打印的材料范圍已經(jīng)擴(kuò)展到包括金屬材料，并且已經(jīng)成功地與信息技術(shù)結(jié)合使用。目前，其發(fā)展主要是依賴于激光和電子槍等關(guān)鍵部件的不斷完善。在這里舉兩個(gè)3D打印的重要應(yīng)用：

第一，某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件或者制成品以及對(duì)于精度和工藝細(xì)節(jié)要求較高的產(chǎn)品，包括小零件和大型組件，可用3D打印。 換句話說，大多數(shù)3D打印技術(shù)可以突破結(jié)構(gòu)幾何約束。 因此，在一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型組件的加工中，不僅與傳統(tǒng)的加工難度相比下降了不少，而且大大降低了成本。

第二，應(yīng)急制品或者快速制成品，可用3D打印。在軍事層面上，3D打印可以現(xiàn)場(chǎng)做成一些成品，以確保緊急情況下的機(jī)械維修。在大部分情況下，裝備在受到損害后，超過一定比例，因成本原因，直接廢棄。3D打印可以解決這些問題，在后勤緊張的時(shí)候，可快速制成一些用品。在醫(yī)用領(lǐng)域，最著名的就是通過3D打印高精度的模型，來輔助治療。比如，Stratasys Solidoodle2 可以用來打印病人的體內(nèi)器官或者組織模型，輔助制定精確的手術(shù)方案。而對(duì)于無需與生物組織相容的體外醫(yī)療器械，利用醫(yī)用3D打印可以進(jìn)行深度定制。如假肢、助聽器、齒科手術(shù)模板等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前美國(guó)約有200萬人使用3D打印假肢。而更先進(jìn)的是，現(xiàn)在已發(fā)展到還不是很成熟的細(xì)胞打印。在航天領(lǐng)域，3D打印主要集中在NASA的項(xiàng)目上，NASA已在冷卻、包裝和屏蔽電子的物體上使用3D打印技術(shù)。

但是3D打印也面臨很多棘手的問題，主要有：（1） 投入與回報(bào)，3D打印投資回報(bào)率低。核心設(shè)備以及所用的原材料價(jià)格都很昂貴。（2）精度，3D打印現(xiàn)在的精度并不適合制造大部分的高端工業(yè)品，繼而導(dǎo)致3D打印的工業(yè)附加值較低。（3）材料的種類和性能，盡管現(xiàn)在已有幾百種材料能夠被3D打印，但是高溫塑料和一部分常用金屬依舊不能被打印。（4）機(jī)械設(shè)計(jì)的限制，因?yàn)?D打印給機(jī)械設(shè)計(jì)帶來的無限可能，很多工業(yè)品都應(yīng)當(dāng)被重新設(shè)計(jì)優(yōu)化，但是這個(gè)就涉及到上游設(shè)計(jì)領(lǐng)域的大變革。傳統(tǒng)CAD軟件需要被顛覆，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)向topology優(yōu)化方向發(fā)展，但是目前這些都還沒有成形的體系。此外，3D打印并非想怎么做就能怎么做，一些設(shè)計(jì)就不可能被打印出來，比如完全空心的塑料球。此外，能否實(shí)現(xiàn)金屬和塑料的混合制造，這也是一個(gè)挑戰(zhàn)。（5）打印件后的處理，在目前階段，成品表面的打印，塑料部件只能說是可以接受，但不能做到光滑；金屬部件表面粗糙，可能還不如鑄造工件表面光滑，必須拋光并清潔。當(dāng)打磨成為必要時(shí)，3D打印的方便性就會(huì)被打破。（6）缺少相對(duì)的人力資源，對(duì)于企業(yè)來說，不能直接招募成熟的人才資源，這也是新技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)問題。（7）效率和大型產(chǎn)品，雖然大型的3D打印機(jī)已經(jīng)問世，但是打印大型產(chǎn)品的時(shí)間依舊是個(gè)大問題。（8）產(chǎn)業(yè)鏈不完整，3D打印作為一種新技術(shù)，還沒有形成良好的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，缺少服務(wù)商。（9）市場(chǎng)認(rèn)可，因?yàn)樯鲜龅母鞣N問題，3D打印的市場(chǎng)認(rèn)可度不高，沒有市場(chǎng)需要，就沒有銷路，沒有銷路，企業(yè)也就不會(huì)繼續(xù)投資。（10）質(zhì)量監(jiān)管，3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)管可能不同于傳統(tǒng)產(chǎn)品，我們對(duì)這一領(lǐng)域了解不足，也沒有現(xiàn)成的體系和標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)施。而這個(gè)對(duì)于航空業(yè)尤其重要。

3.2 CNC技術(shù)現(xiàn)狀

當(dāng)前，CNC技術(shù)正在向高速、高效和高精度目標(biāo)發(fā)展，為了增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力， CNC機(jī)床在設(shè)計(jì)制造中融入了許多新技術(shù)，像直線電動(dòng)機(jī)技術(shù)、高效冷卻系統(tǒng)技術(shù)、多功能加工系統(tǒng)技術(shù)、開放式CNC系統(tǒng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)技術(shù)等，大大提高了CNC機(jī)床產(chǎn)品的性能。

中國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展過程大致可分為兩大階段。1958—1979年間為第一階段，從1979年至今為第二階段。

在第一階段中，中國(guó)當(dāng)時(shí)對(duì)數(shù)控機(jī)床認(rèn)識(shí)不足，缺乏技術(shù)條件與配套，人員素質(zhì)不高。發(fā)展盲目性較大，缺乏實(shí)事求是的科學(xué)精神。

在第二階段中，隨著改革開放，中國(guó)從世界上多個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)引進(jìn)數(shù)控機(jī)床先進(jìn)技術(shù)或與其合作、合資生產(chǎn)，解決了可靠性、穩(wěn)定性問題，但在關(guān)鍵技術(shù)上創(chuàng)新能力不足，沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，很多重要的功能性部件、自動(dòng)化的刀具以及數(shù)控系統(tǒng)等仍離不開發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)支撐，不能獨(dú)立自主地研制。[1]

近年來，中國(guó)數(shù)控機(jī)床在產(chǎn)品種類、技術(shù)水平、質(zhì)量和產(chǎn)量等方面取得了較大進(jìn)步，甚至在一些關(guān)鍵技術(shù)上取得了重大突破。產(chǎn)品類別涵蓋幾乎所有類型的金屬切削機(jī)床和主要類型的鍛造機(jī)械。這標(biāo)志著中國(guó)數(shù)控機(jī)床進(jìn)入了快速發(fā)展的新時(shí)期。[2-4]

4 3D打印技術(shù)與CNC技術(shù)未來的關(guān)系走向

3D打印技術(shù)與CNC技術(shù)作為制造業(yè)的兩大技術(shù)正在逐步改變著人們的生產(chǎn)方式和生活方式以及思維方式。

CNC技術(shù)主要采用數(shù)字、文字和符號(hào)組成的數(shù)字指令來實(shí)現(xiàn)對(duì)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作的控制。它主要實(shí)現(xiàn)對(duì)位置、角度、速度等機(jī)械量的控制以及對(duì)與機(jī)械量流向有關(guān)的開關(guān)量的控制。CNC技術(shù)主要依賴于數(shù)據(jù)載體和二進(jìn)制數(shù)據(jù)運(yùn)算的出現(xiàn)，是與機(jī)床控制密切結(jié)合而發(fā)展起來的。世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床是在1952年出現(xiàn)的，這是世界機(jī)械工業(yè)史上的一件劃時(shí)代的大事，推動(dòng)了自動(dòng)化的發(fā)展。

3D打印技術(shù)乍看起來是新鮮事物，但其思想?yún)s起源于19世紀(jì)末，并在20世紀(jì)80年代得以發(fā)展和推廣。中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟曾把3D打印技術(shù)稱為“上上個(gè)世紀(jì)的思想，上個(gè)世紀(jì)的技術(shù)，這個(gè)世紀(jì)的市場(chǎng)”。其基本原理就是：把相關(guān)數(shù)據(jù)和所需原料放進(jìn)3D打印機(jī)中，機(jī)器就會(huì)按照編制的程序把產(chǎn)品一層層生產(chǎn)出來。打印出的產(chǎn)品，可以即時(shí)使用。世界上最早的3D打印是在20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)價(jià)格極其昂貴，所能打印的產(chǎn)品數(shù)量也非常少。2003年以來3D打印機(jī)的生產(chǎn)和銷售逐漸擴(kuò)大，價(jià)格也開始下降。

3D 打印技術(shù)與CNC技術(shù)相比具有明顯的兩個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是CNC技術(shù)不能生產(chǎn)制造個(gè)性化、復(fù)雜、高難度產(chǎn)品，而 3D 打印技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)；二是即使CNC能夠生產(chǎn)制造上述產(chǎn)品，但是投入成本太高，周期太長(zhǎng)，而通過 3D 打印技術(shù)則可以非?？旖荨⒎奖?，且周期短、成本低。[5]

那么，未來3D 打印技術(shù)是否可以替代CNC技術(shù)呢？答案是否定的。

3D 打印技術(shù)作為傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的一次重大變革發(fā)展前景良好，但是如果說3D 打印技術(shù)可以替代CNC技術(shù)則是不現(xiàn)實(shí)的。主要原因在于：第一，傳統(tǒng)制造業(yè)經(jīng)過較長(zhǎng)的歷史發(fā)展，在生產(chǎn)工藝和成本控制方面都比3D打印技術(shù)更占優(yōu)勢(shì)。第二，生產(chǎn)的產(chǎn)品都具有功能性，功能性的產(chǎn)品都是由不同的材料制造的，由此3D打印技術(shù)很難達(dá)到規(guī)模化的要求。第三，通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品有些并沒有徹底脫離CNC技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品的作用。

綜上所述，3D打印技術(shù)雖然能夠打印出人們所需要的多種產(chǎn)品，但是從成本核算、材料約束、工藝水平等多方面因素來看，3D打印技術(shù)并不能夠完全替代CNC技術(shù)，而可以作為CNC技術(shù)的有益補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)

[1] 凌勇堅(jiān)，葉萍，張志偉.數(shù)控木工機(jī)床市場(chǎng)前景看好[J].數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)，2011（12）：34-35.

[2] 吳曉冬.基于水電機(jī)組修造要求的CT5235立車數(shù)控改造研究[D].西華大學(xué)，2005.

[3] 屈平.國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)狀簡(jiǎn)析及建議[J].裝備機(jī)械，2005（3）：10-13.

[4] 國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)前景巨大[EB/OL]. http：//www.docin.com/p-1500585750.html.

[5] 3D打印帶來醫(yī)療新革命[EB/OL]. http：//news.bioon.com/article/6643711.html.