3D打印技術(shù)在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用

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摘要:為了促進(jìn)3d打印技術(shù)在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用，分析了機(jī)械行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了3D打印技術(shù)發(fā)展歷程和原理，探討了3D打印技術(shù)在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用及優(yōu)勢，以改變傳統(tǒng)的制造方式，提升機(jī)械行業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞:3D打印;機(jī)械;應(yīng)用

1機(jī)械行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)械行業(yè)是一個國家的基礎(chǔ)支柱產(chǎn)業(yè)，相較于國外對機(jī)械智能化、自動化的研究，我國仍停留在人工操作階段，在技術(shù)層面上差距較大，這也導(dǎo)致在生產(chǎn)中需要消耗更多人力和財力。由于生產(chǎn)企業(yè)過多，市場競爭導(dǎo)致整個行業(yè)生產(chǎn)集中力降低，生產(chǎn)水平低下，嚴(yán)重阻礙了機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。要加強(qiáng)對信息化生產(chǎn)的開發(fā)，促進(jìn)我國工業(yè)化的健康發(fā)展。機(jī)械行業(yè)存在著總體規(guī)模小、水平不高、結(jié)構(gòu)不合理、體制改革和機(jī)制創(chuàng)新滯后等問題。現(xiàn)代制造服務(wù)業(yè)發(fā)展落后，已成為制約我國制造業(yè)加快調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長方式的重要因素。要加快發(fā)展生產(chǎn)性服務(wù)業(yè)，包括有序拓展金融服務(wù)業(yè)，培育壯大高技術(shù)服務(wù)業(yè)等，推動產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。我國工程機(jī)械行業(yè)內(nèi)部子行業(yè)眾多，產(chǎn)品覆蓋范圍廣。未來，房地產(chǎn)行業(yè)和大型基建工程投資是工程機(jī)械行業(yè)兩大主力消費市場，工程機(jī)械產(chǎn)品將進(jìn)入新一輪更新?lián)Q代周期。應(yīng)強(qiáng)化品牌效應(yīng)、規(guī)模效應(yīng)，提升抗風(fēng)險能力。

23D打印技術(shù)

2.1發(fā)展歷程及優(yōu)勢

1892年，J.E.Blanther申請了關(guān)于分層制造法制造地形圖的美國專利(專利號473901)，這一專利標(biāo)志著分層制造的開端。其后，近百年的時間內(nèi)，關(guān)于分層制造的專利數(shù)增加到幾百個，為3D打印技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用做了大量的準(zhǔn)備。1984年，BillMaster獲得了第一個3D打印專利US4665492A，專利名稱是“計算機(jī)自動制造過程和系統(tǒng)”，這份文件在USPTO備案，是歷史上第一項3D打印專利，為3D打印系統(tǒng)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。3D打印技術(shù)是利用光固化和紙層疊等技術(shù)的快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機(jī)內(nèi)裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，把計算機(jī)上的藍(lán)圖變成實物。3D打印機(jī)可以隨時隨地生產(chǎn)，相比于傳統(tǒng)制造，其應(yīng)用極大程度降低了成本［1］。3D打印技術(shù)具有七大優(yōu)勢:一是制造復(fù)雜物品，不增加成本。在常規(guī)生產(chǎn)中，目標(biāo)的外形愈是復(fù)雜，其生產(chǎn)費用愈高。對于3D打印機(jī)來說，制作復(fù)雜的產(chǎn)品成本并沒有上升，制作精美、造型繁復(fù)的產(chǎn)品花費的時間、技能和成本都要少得多。將來的生產(chǎn)費用將僅以原料及容積做為固定費用，可能不會再有開模、精磨等費用。二是無須組裝。3D印刷業(yè)務(wù)可以實現(xiàn)零件的整體成形。傳統(tǒng)的批量制造是基于裝配流水作業(yè)，在現(xiàn)代化車間里，機(jī)械制造出同樣的零件，再通過機(jī)器人或人工進(jìn)行裝配，組件的數(shù)量愈多則花費愈多的時間與費用。3D打印機(jī)可以在不裝配的情況下，一次印刷一道門和其上的對應(yīng)折頁，省去裝配，減少供應(yīng)鏈，節(jié)約人力和交通成本。三是零時間交付。3D打印機(jī)能根據(jù)需要進(jìn)行印刷，即刻生產(chǎn)降低了公司存貨，可以利用3D打印機(jī)按照顧客要求來制作特殊或自定義商品，從而實現(xiàn)新的業(yè)務(wù)方式。如果人們需要的產(chǎn)品在附近，那么零點交貨可以將遠(yuǎn)距離的運輸費用降到最低。四是設(shè)計空間無限。常規(guī)的生產(chǎn)工藝和手工制品生產(chǎn)工藝限制了其成型的性能。比如，常規(guī)的木質(zhì)機(jī)床只能生產(chǎn)原制品，而磨坊只能生產(chǎn)由銑刀片裝配的零件，模具機(jī)床則只能模具成型。3D打印機(jī)能夠打破這種限制，打開廣闊的設(shè)計領(lǐng)域。五是零技能制造。一般手工藝人要經(jīng)過數(shù)年的學(xué)習(xí)，方能熟練使用技藝。電腦操控的加工機(jī)械減少了技術(shù)需求，但常規(guī)的機(jī)械設(shè)備仍需要有經(jīng)驗的專家來調(diào)試和校正。3D打印機(jī)從圖紙中獲取不同的指令，制作出相同的產(chǎn)品，其所需的技術(shù)要求要比注射成型設(shè)備更低。無技術(shù)的生產(chǎn)開拓了新的業(yè)務(wù)模式，可以為人們創(chuàng)造出新的生產(chǎn)方法。六是材料無限組合。多材質(zhì)3D印刷技術(shù)能夠把各種原料進(jìn)行整合，原來不能混和的原材料經(jīng)過混合后會變成色彩多樣的新型物料。七是精確的實體復(fù)制。掃描與3D印刷技術(shù)將提升現(xiàn)實與數(shù)碼世界的形體轉(zhuǎn)化解析度，人們可以掃描、編輯、復(fù)制實物物件，制作準(zhǔn)確的復(fù)制或最佳原稿。

2.2打印原理及過程

傳統(tǒng)打印機(jī)的產(chǎn)物是平面圖紙，使用介質(zhì)是紙張，而3D打印機(jī)的產(chǎn)物是立體物品，介質(zhì)是金屬、陶瓷、塑料等材料。3D打印機(jī)的“3D”是將每個平面一層層疊起來，按照操作系統(tǒng)設(shè)定的要求，實現(xiàn)藍(lán)圖的實體化。3D打印過程是通過計算機(jī)建模軟件建模，將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。三維設(shè)計。標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計軟件和印刷機(jī)的合作方式是STL文檔。STL檔案利用三角形曲面來逼近對象的曲面。PLY是一種由3D文檔掃描的掃描儀，它所生成的VRML和WRL文檔通常作為彩色印刷的輸入文檔。切片處理。打印機(jī)用液體、粉末或薄板等物質(zhì)在文檔中閱讀剖面的資料，用不同的方法把各個部分結(jié)合在一起，形成一個整體。在平面上，也就是在X－Y方向上，由印刷機(jī)打出的橫斷面的厚度(也就是Z方向)和在X、Y的平面上的分辨率，用dpi(象素/吋)或用微米來表示。通常的印刷厚度是100μm，也就是0.1mm，有些印刷機(jī)如ObjetConnex和3DSystems'Pro-Jet，能夠印刷出16μm的單片。在平面上能達(dá)到與激光打印機(jī)同樣的精度。“墨水滴”的印刷尺寸一般在50～100μm。完成打印。三維印刷機(jī)的解析度能滿足大多數(shù)情況(曲面上的凹痕會變得更粗糙)，要得到更高清晰度的產(chǎn)品，可以采用以下方式:使用現(xiàn)有的3D印刷機(jī)將尺寸略大一些的物件打出來，進(jìn)行輕微的拋光處理，使其具有平滑的高分辨率外觀［2］。

2.3發(fā)展前景

豐富的材料選擇。3D打印材料從材料類型上可以分為金屬和非金屬。3D打印材料主要為金屬材料，包括鈦合金、不銹鋼、鋁合金及其他金屬，占比超過40%;工程塑料ABS、尼龍、PLA等主流3D材料各占比在10%以上。在傳統(tǒng)工藝中，金屬材料由于其本身性能的限制，主要用于生產(chǎn)模具，但3D打印技術(shù)包容性更強(qiáng)，幾乎任何材料都可以實現(xiàn)無膜化定制，產(chǎn)物質(zhì)量相對更好。圖12021技術(shù)廣泛應(yīng)用。材料選擇的豐富化可以推動3D打印技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。我國3D打印技術(shù)相較國外起步較晚，技術(shù)研發(fā)深度不夠，實際應(yīng)用經(jīng)驗不足，在短時間內(nèi)并不能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。因此，3D打印技術(shù)在各行業(yè)中的應(yīng)用存在較大的局限性，3D打印行業(yè)應(yīng)用占比如圖2。隨著科技發(fā)展，3D打印技術(shù)將在各行業(yè)中廣泛應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)。當(dāng)一間實驗室作出了圖紙，需要共享時，會發(fā)現(xiàn)有諸多格式和標(biāo)準(zhǔn)，因此，3D打印原型機(jī)需要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。開源的設(shè)計、配置和軟件。當(dāng)有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)后，3D打印行業(yè)將會迎來開源。大多數(shù)的團(tuán)隊注重提高自身3D打印水平，處于自我閉環(huán)發(fā)展。實際上，行業(yè)需要設(shè)備和軟件的開源，在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下產(chǎn)生更多有用、高效、開放的創(chuàng)新。原型機(jī)實驗室。人們對原型機(jī)打印并不重視，目前，已有商業(yè)化運營的3D打印實驗室，來幫助企業(yè)打印出質(zhì)量更高的原型機(jī)。

2.4局限因素

工業(yè)印品可以用塑料、金屬或陶器進(jìn)行印刷，但是有些不能用來印制的原料則更加珍貴。目前，印刷術(shù)還不夠完善。3D印刷技術(shù)在重構(gòu)對象的幾何結(jié)構(gòu)和功能方面取得了進(jìn)步，甚至可以印刷出所有靜止的圖形，但移動對象的清晰度卻很難達(dá)到，3D印刷技術(shù)成本較高，還需進(jìn)一步普及，克服機(jī)械設(shè)備的局限性。3D印刷技術(shù)可以任意拷貝，沒有限制，需要完善3D印刷相關(guān)的法律和法規(guī)，保障其版權(quán)安全［3］。

33D打印技術(shù)在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用及優(yōu)勢

3.13D打印技術(shù)在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用

設(shè)計理念革新。3D打印技術(shù)可簡化產(chǎn)品設(shè)計、加工過程和生產(chǎn)線流程，提升生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量。3D打印技術(shù)可以精確還原結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，保證其質(zhì)量［4］。3D打印技術(shù)的核心是計算機(jī)程序，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)產(chǎn)品成型。深化3D打印技術(shù)在機(jī)械自動化領(lǐng)域中的應(yīng)用，能極大促進(jìn)機(jī)械行業(yè)的智能化發(fā)展［5］。3D打印增材。3D打印增材是在打印過程中持續(xù)放入原材料，以光固法和紙層疊法為基礎(chǔ)的疊加原理，是產(chǎn)品成型的新技術(shù)。機(jī)械制造需要嚴(yán)密的計算和精確的數(shù)據(jù)，盡可能減小誤差，提高產(chǎn)品質(zhì)量。3D打印增材技術(shù)將數(shù)學(xué)應(yīng)用技術(shù)融入其中，在保證輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的前提下，為產(chǎn)品的精確生產(chǎn)提供了良好條件。此技術(shù)已應(yīng)用于航空航天載具的工具組件生產(chǎn)，不僅提高了成品質(zhì)量，還降低了原料和時間投入［6］。增材制造可以減少生產(chǎn)過程中的材料浪費［7］。與CNC技術(shù)融合。CNC技術(shù)也稱減材制造技術(shù)，其工作原理是通過持續(xù)減少原材料，促使產(chǎn)品的生成。其與3D打印技術(shù)原理相反，將兩者融合，可優(yōu)化機(jī)械生產(chǎn)流程，有效解決數(shù)控技術(shù)無法完成的產(chǎn)品加工，節(jié)省原材料，杜絕浪費，保護(hù)環(huán)境，提高機(jī)械零件的精度和質(zhì)量［8］。

3.2應(yīng)用優(yōu)勢

降低成本。相較于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，3D打印技術(shù)能有效縮短機(jī)械零件的生產(chǎn)準(zhǔn)備時間和生產(chǎn)時間，可提高批量生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，降低材料成本。當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)問題時，傳統(tǒng)的檢查方式需要拆卸機(jī)械，對內(nèi)部受損零件進(jìn)行更換或維修，采用3D打印技術(shù)可以精準(zhǔn)定位故障位置，延長機(jī)械使用壽命，縮短故障維修時間［9］。緩解產(chǎn)能過剩情況。由于產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，如果質(zhì)量不符合出口標(biāo)準(zhǔn)，將浪費大量資源，影響企業(yè)資金流動。利用3D打印技術(shù)可實現(xiàn)定制化生產(chǎn)，根據(jù)客戶需求進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)周期短，效率高。3D打印技術(shù)便于機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計，可有效緩解機(jī)械制造業(yè)產(chǎn)能過剩問題。加快產(chǎn)品開發(fā)。產(chǎn)品的質(zhì)量是判斷機(jī)械行業(yè)水平的標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)需要使用各種大型設(shè)備，如工裝夾具和機(jī)床等，需要人工操作，不僅耗時還需要投入大量的人力和物力。在產(chǎn)品進(jìn)入市場前，需要經(jīng)過質(zhì)量檢測，待全部合格后才能批準(zhǔn)進(jìn)入市場，若存在質(zhì)量問題就會被退回，自行修改或報廢。傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品容易出現(xiàn)質(zhì)量缺陷，退回的產(chǎn)品無論是修補(bǔ)或報廢都將造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。在這樣的狀況下，機(jī)械廠就無法致力于產(chǎn)品的創(chuàng)新開發(fā)。3D打印技術(shù)的應(yīng)用可減少質(zhì)量缺陷，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量［10］。推動行業(yè)發(fā)展。3D打印技術(shù)能將概念轉(zhuǎn)換為實踐，在設(shè)計過程中對概念產(chǎn)品的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和調(diào)整，激發(fā)設(shè)計人員的創(chuàng)新意識，改變傳統(tǒng)的制造方式，在更新產(chǎn)品的同時，還能縮短設(shè)計周期，降低成本，提升機(jī)械行業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，推動行業(yè)發(fā)展。

4結(jié)語

機(jī)械行業(yè)應(yīng)推廣應(yīng)用先進(jìn)的3D打印技術(shù)，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低成本，提升經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)機(jī)械行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

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作者：李文蓮 單位：山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院