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(yè)作為國家綜合實力的集中體現(xiàn)，是國民經(jīng)濟不可或缺的部分。隨著時代的不斷發(fā)展，機械生產(chǎn)制造模式從傳統(tǒng)的以人工為主逐漸發(fā)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(tǒng)機械制造工藝有著非常明顯的優(yōu)勢。目前，3D打印技術在機械自動化行業(yè)之中已經(jīng)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(jié)、打印、激光燒結(jié)等技術，在最短時間內(nèi)完成單個零件或者整個產(chǎn)品的設計與制造。如，基于CAD軟件建立數(shù)字模型，通過3D打印機讀取數(shù)字模型指令，然后打印產(chǎn)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(tǒng)打印機打印效果更好。對于傳統(tǒng)的產(chǎn)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(jié)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(xiàn)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(chǎn)品傳統(tǒng)制造效果差異不大，但使用3D打印技術能夠滿足原材料結(jié)余需求。另外，傳統(tǒng)基于統(tǒng)一化、標準化的產(chǎn)品流水線生產(chǎn)方式逐漸朝著定制化、個性化的方向發(fā)展，利用3D打印機可以制造個性化的產(chǎn)品，不需進行大規(guī)模生產(chǎn)，不需投入太多生產(chǎn)施工人員和存儲倉庫，并且基于用戶服務網(wǎng)絡、制造資源網(wǎng)絡、市場銷售等途徑快速構(gòu)建模型，很好地滿足持久、高效的機械生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)領域，應用3D打印技術可以解決傳統(tǒng)生產(chǎn)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(chǎn)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(wěn)性和精度要求。在傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(tǒng)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(chǎn)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(yè)者以及專業(yè)領域的探索者、學習者隊伍十分龐大。現(xiàn)階段的機械制造類專業(yè)教學使用的現(xiàn)代化方式之一就是互聯(lián)網(wǎng)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(xiàn)和講解的。3D打印技術則能根據(jù)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(yè)教師良好的教具，讓學生更直接地觀察，產(chǎn)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(xiàn)在兩個方面：一個是機械制造類專業(yè)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(yè)學科教學中使用的3D打印機無法量產(chǎn)，即便是專業(yè)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(yè)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(chǎn)力得以提升的重要方式，加大工業(yè)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(fā)人員節(jié)省更多時間，通過打印實物模型把握工作進度，使科研產(chǎn)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(fā)展中，工業(yè)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(zhuǎn)，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(chuàng)新激光成形修復技術。3D激光成形修復技術通過優(yōu)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(zhuǎn)更加高效，提高工業(yè)生產(chǎn)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(fā)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(qū)時不僅成本較高，還容易損壞。如果在產(chǎn)品展示交流環(huán)節(jié)使用機械模型，就能在充分展示機械設備特征的同時節(jié)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(jīng)濟價值最顯著的體現(xiàn)，也最容易實現(xiàn)。在構(gòu)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(jié)構(gòu)復雜的機械設備產(chǎn)品進行展示、運輸，還能放大體型較小、結(jié)構(gòu)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(yōu)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(jié)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(jié)的粉末，避免浪費材料。第三，可以打印任何復雜結(jié)構(gòu)，如空心結(jié)構(gòu)、鏤空結(jié)構(gòu)等。第四，不需要支撐結(jié)構(gòu)，進一步降低前期模型處理難度。第五，可以持續(xù)改善加工材料的種類，小批量生產(chǎn)的優(yōu)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(chǎn)產(chǎn)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(nèi)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(xù)處理工藝，實際誤差值不超過1 mm。并且細節(jié)考究、工作精湛，在一周內(nèi)就可以完成整體制作。相對于傳統(tǒng)工藝，使用SLS工藝節(jié)約了80%的研發(fā)周期，同時節(jié)約了45%的制作成本、66%的人工成本。

圖1 汽車內(nèi)飾中SLS工藝的使用

5 結(jié)語

基于科學技術的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)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(yōu)化機械制造工藝的過程中，結(jié)合3D打印技術，機械自動化領域生產(chǎn)制造技術的先進性、精確度等都實現(xiàn)了明顯的提高。因此，3D打印技術已經(jīng)得到很多關注和重視，也成為制造業(yè)今后應用和發(fā)展的主要方向，希望通過本文的分析與研究能夠?qū)?D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。