数控系统在3D打印领域中的应用

董宇　佟强

摘 要：3D打印技术是将被加工零件进行逐层分析，并且使用软件生成相应的运行轨迹，而后使用打印机构进行逐层打印，采取逐层增加材料的方式进行堆积成形，具体打印路径的运动控制語言可以根据运动载体不同进行对应生成。相对于传统方式具有快速成形和适用面广的优点。数控技术在当今的使用已经非常普遍，操作人员熟悉和上手操作都非常快，而且其运动控制的命令语言也基本上实现了规范统一。将数控技术应用在3D打印上，将使得其在工业领域中得到有效的发展，本文阐述了在工业3D打印领域中如何对数控技术的应用。

关键词：数控系统 3D打印 逐层增加 三轴机床

中图分类号：TP334 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（c）-0089-01

随着科技和时代的发展进步，3D打印技术已经成为一种新的技术潮流，并开始广泛应用于工业设计领域，较为突出的是模具制作，此外在汽车零部件、航空航天配件、玩具、珠宝、医疗、建筑、厨房家具用品等领域也拥有广阔的应用空间。与此同时作为现代科学技术的最前沿数控技术是一个由信息技术与传统控制相结合的产物，在工业生产和控制领域有着极其广泛的应用，多年的发展使其操作方式也普遍具有通用性，因此数控的使用在工业领域中更为大众所认可。本文即对3D打印技术的基本工艺原理以及数控的自身特点进行概述，从而说明数控技术在3D打印设备上是如何实现其应用的。

1 3D打印机工作原理及其特点

3D打印技术又可以称为快速成形，与其他材料添加制造技术相比，具备速度较快，成本便宜，高易用性，上手简单等优点。其基础原理为，首先使用计算机通过特定软件将三维实体模型按照一定的厚度进行切片分层，将零件的3D形状信息转换成一组二维图形下的信息，随后再将每组二维图形按照加工要求生成一定的填充路径。实际生产时，将这些路径对应的加工程序导入到3D打印机的控制系统之中进行分层加工，叠加成形。在3D打印机系统的控制下，加工头按照要求的填充路径进行移动，同时将填充材质熔化堆积，直至填满这一层要求的二维图形，之后加工头上升指定的厚度再重复这一二维图形的运动工作，逐层堆积成三维实体工件。

与传统的减材加工方式不同，3D打印机采用的是逐层增加材料，因为其每一层的加工方式与常用的平面打印机类似，都是绘制平面图形，因而得名“打印机”，又因其逐渐形成三维立体实物模型，故而称为“3D打印机”。由于这种机器是将被制造实物的组成材料熔化后凝结而成，因此预先的加工材料可以为粉末或者是丝状物质，同时其特有的熔化方式又令其不需要拘泥于极少范围，大部分的金属材料，塑料，橡胶，陶瓷，玻璃等可熔化并凝结成形的材质都可以被加工出来。因此3D打印机的应用范围可以说非常广泛，领域也可以横跨工业，民用，医疗等方面。

与传统的铸造，减材加工技术相比，3D打印快速成形具有如下几个优点：

1）制造过程的柔性化程度比较高，由于其脱离了预先开局模具、使用专用工具和配套的卡具等方面的约束，因而能很简洁的实现多种类、交替批量零件加工的快速转换。其每个零件的加工过程主要是通过计算机配套软件生成的特有程序来完成，硬件基本需要跟随变化或变化很少，因此对于不同零件来说，只需要调用不同的文件即可。 2）产品研制周期时间缩短，制造加工速度快。其制造生产主要为计算机上的零件设计，3D成形，外形修剪等简单的几个加工步骤，显著减少了传统的加工工序，省去了最关键的模具设计和加工时间和相关费用，快速的制造生产速度使产品的研制调试周期将大为缩短。3）产品的制造真正实现了数字化、智能化、并行化和无纸化。零件的设计、建模等工作完成后，直接可以在计算机上进行进一步的分层和工艺设计，随后生成加工路径的程序，再导入到3D打印机的控制系统中来实现工件的制造生产过程。4）由于其快速熔化和凝结过程使得零件材料几乎是完全致密的，显微组织十分均用，不会有传统铸造和锻造工件的宏观组织缺陷，提高了材料的强度、塑性和耐腐蚀性能。5）可以实现多种材料以任意方式组合的零件制造技术。由于是每一层进行加工，进而逐渐组成，而各个分层中其实也可以看做为每一个点熔化凝结而成，因此原则上在制造过程中可以任意改变加工材料来满足工件部分位置材质和性能的搭配要求。

2 数控系统的功能及特点

数控系统是数字控制系统的简称，早期是与计算机同时并行发展演化的，主要用于控制自动化加工设备的，根据计算机存储器中存储的控制程序，通过利用数字、文字和符号组成的指令来实现机械设备的动作控制，这种专用系统被称为数控系统。一个相对完整的CNC系统由数控程序存储装置、计算机控制主机、可编程逻辑控制器、主轴驱动装置和进给伺服驱动装置以及部分外围辅助功能的数字量开关和检测装置等组成。以上各部分的有机结合，组成了完整的闭环控制数控系统。

数控系统具有灵活性和通用性特点，其功能主要由相应的控制软件来实现，而且多年的发展使其采用模块化结构，从硬件配置方式以及指令语言已经接近于统一形式。数控系统的编程方法有手工编程和自动编程两种。简单的动作可以采用手工编程，一个复杂零件的加工，采用计算机或软件自动编程。只要我们按照数控指令程序要求的格式生成相应的语言即可。

此外数控系统还具备的优点有：补偿功能可以有效的弥补运动精度、随机误差和非线性误差。高级人机对话窗口的直观界面。丰富的故障自诊断及保护功能大大的提高了其运行的可靠性。具有的菜单提示功能使其维护更加方便。电子元件的高集成度使其控制部分所占空间相对较小。

综上所述的特点，使得数控系统在3D打印机的应用上优势明显。工业领域对于数控系统和3D打印机来说都是最广泛的应用环境，将两者有机的结合在一起对于使用方会更加方便，具体方法如为：机型为龙门式三轴立式机床，Z轴装夹专用3D打印头，采用垂直向下工作的方式，加工头在水平移动式始终保持垂直于被制造零件。由于其不含主轴该为打印头替代，因此打印头的指令可以使用主轴的命令来替代，M03作为打印熔化的启动，M05作为停止。对于不同工艺要求的加工功率，即熔化功率可以使用主轴转速的命令S代码来表示，如S1000可以表示输出1000W功率进行熔化加工。水平方向的运行命令使用最基本的X、Y轴运行指令，提升使用Z轴指令，均为数控系统的通用命令。

3D打印专用按照以上模式生成数控标准化指令后，只需要将加工程序通过移动设备或网络导入到数控系统中调用即可。制造成形时所需要的其他动作，如喷粉或吐丝，出激光或加热等指令可以在数控机床制造时预先设定好，只需要生成的程序中对照的添加好即可。

因此这种应用方式在使用和后期维护保养等方面都会相对容易，更为使用者所接受。

参考文献

[1] Pearce，Joshua M.2012.“Building Research Equipment with Free， Open-Source Hardware.”Science 337（6100）：1303-1304.open access.

[2] 《2013-2017年中国数控系统行业发展前景与投资预测分析报告》前瞻产业研究.

[3] 全球首支3D打印金属枪美国问世 成功试射50发子弹.中国新闻网，2013-11-09.